ESD緊急停車系統(tǒng).ppt

1、( ESD: Emergency Shut Down ),緊 急 停 車 系 統(tǒng),第一講 概述,第二講 設計及應用原則、技術(shù),第三講 應用實例,緊 急 停 車 系 統(tǒng),緊急停車系統(tǒng)： ESD: Emergency Shut Down SIS: Safety Interlocking System 是對生產(chǎn)裝置可能發(fā)生的危險或不采取措施將繼續(xù)惡化的狀態(tài)進行響應和保護，使生產(chǎn)裝置進入一個預定義的安全停車工況，從而使危險降低到可以接受的最低程度，以保證人員、設備、生產(chǎn)和裝置或工廠周邊社區(qū)的安全。,ESD 第一講 概述,第一講 ESD 概述,SIS: Safety Interlocking Syste

2、m 安全聯(lián)鎖是在裝置出現(xiàn)異常情況時，裝置繼續(xù)運行，但自動轉(zhuǎn)入另一種運行模式。 石油化工裝置安全聯(lián)鎖的模式主要有以下幾種: 降低處理能力； 改變工藝流程； 循環(huán)處理。,ESD 第一講 概述,安 全 聯(lián) 鎖 系 統(tǒng),ESD 第一講 概述,PCS、SIS、ESD在化工生產(chǎn)過程中的作用,PCS (Process Control System) 過程控制系統(tǒng),SIS 系統(tǒng),ESD 系統(tǒng),化工過程、ESD五種狀態(tài),ESD 第一講 概述,緊急聯(lián)鎖回路原理圖,ESD 第一講 概述,安 全 等 級 與 危 險 概 率,ESD 第一講 概述,安全等級與診斷覆蓋率的關(guān)系,系統(tǒng)的自診斷覆蓋率是一個與安全性密切相關(guān)的性

3、能指標,診斷覆蓋率越高,則發(fā)生危險故障的概率就越低,系統(tǒng)的安全性越高。,ESD 第一講 概述,ESD可靠性和可用度,ESD 第一講 概述,可用度(A)是系統(tǒng)在整個任務時間中工作全過程的可能性。如果一直工作,那么可用度為1。 A=工作時間/任務時間 可用度是可靠性的參數(shù),考慮平均無故障時間(MTBF)和平均停車時間(MDT),可以得到可用度的另一個計算方法。 A=MTBF/(MTBF+MDT) 平均無故障時間是用于表示在故障出現(xiàn)之前系統(tǒng)或設備預想的可工作時間。平均停車時間實際上是系統(tǒng)中存在故障的平均診斷時間(MTDF)與平均故障修復時間(MTTR)的和。 MDT=MTDF+MTTR,ESD可靠性

4、和可用度,ESD 第一講 概述,其中平均故障修復時間又是平均確定故障位置的時間(MTDL)、平均更換故障元件時間(MTFR)與平均使系統(tǒng)恢復可操作條件時間(MTRO)之和。 MTTR=MTDL+MTFR+MTRO 單個模件平均停車時間可以結(jié)合制造廠提供的MTBF數(shù)值和可用度的值得到。對故障安全故障(FTS),故障是自顯的，MTDF=0,因此 A=MTBF/(MTBF+MTTR) 對于故障危險故障(FTD),MTDF是最重要的,經(jīng)常決定整個可用度,因為這個量通常比MTTR大得多,因此 A=MTBF/(MTBF+MTDF),可用度高并不代表系統(tǒng)故障安全,可用度與故障安全是安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的兩個重要概念

5、。可用度高并不代表系統(tǒng)故障安全。它們的區(qū)別在于：可用度是基于導致系統(tǒng)停車的故障進行計算的，可是在引起系統(tǒng)進入安全狀態(tài)的故障(FTS故障)和引起系統(tǒng)進入危險狀態(tài)的故障(FTD故障)之間沒有區(qū)別，因此可用度只是系統(tǒng)故障頻度的度量；故障安全是系統(tǒng)在故障時按一個已知的預定方式進入安全狀態(tài)。高可用度的重要性在于系統(tǒng)很少出現(xiàn)進入安全狀態(tài)或危險狀態(tài)的故障；故障安全的重要性在于即使系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，也不會出現(xiàn)災難性事故。部分系統(tǒng)可以通過犧牲它們的操作安全的能力來保持高可用度。PLC比繼電器具有更高的可用度，因此石油化工裝置中安全聯(lián)鎖系統(tǒng)應優(yōu)先選用PLC。,ESD 第一講 概述,第二講 ESD的設計及應用,在化工

6、生產(chǎn)裝置中處理突發(fā)性事故的緊急連鎖系統(tǒng)是由系統(tǒng)來承擔的。然而，系統(tǒng)有多種形式。 從系統(tǒng)與的構(gòu)成形式可分為: 1)與系統(tǒng)一體化； 2)與系統(tǒng)分設控制站； 3)與系統(tǒng)獨立設置。 從構(gòu)成系統(tǒng)的邏輯控制系統(tǒng)方面可分為: 1) 繼電器； 2) 可編程序控制器()。,ESD 第二講 設計及應用原則,ESD 的可靠性設計原則,ESD 第二講 設計及應用原則,獨立設置原則,中間環(huán)節(jié)最少原則,冗余原則,故障安全原則,檢測單元 邏輯單元執(zhí)行單元,ESD是為工藝生產(chǎn)過程的安全而設置的，直接關(guān)系國家財產(chǎn)和人民生命的安全,其動作的可靠性是設計中應考慮的首要問題。 ESD從硬件上可分為檢測(輸入)單元、邏輯單元和(輸出)

7、執(zhí)行單元，這3部分呈串聯(lián)結(jié)構(gòu)，即： 檢測單元 邏輯單元執(zhí)行單元 要將各部分有機地結(jié)合起來，設計成可靠的ESS系統(tǒng)，應遵循以下4項原則： 1 獨立設置原則； 2 中間環(huán)節(jié)最少原則； 3 冗余原則； 4 故障安全原則。,ESD 第二講 設計及應用原則,獨立設置原則,所謂獨立設置,即ESS中各部分應盡量是專用設備或儀表,以免受其它關(guān)聯(lián)的故障或誤操作的影響。獨立設置原則包括: 獨立輸入接點 邏輯單元獨立設置 執(zhí)行器獨立設置,ESD 第二講 設計及應用原則,獨立輸入接點,ESD 第二講 設計及應用原則,獨立輸入接點,ESD 第二講 設計及應用原則,獨立輸入接點,ESD 第二講 設計及應用原則,邏輯單元獨

8、立設置,ESD 第二講 設計及應用原則,隨著DCS的冗余容錯技術(shù)、自診斷技術(shù)的發(fā)展,可靠性增強,尤其是其完善的邏輯功能及豐富的畫面顯示吸引著人們將邏輯單元放在DCS中實現(xiàn),增加其靈活性和直觀性。緊急停車系統(tǒng)(ESS)中的邏輯單元獨立設置,是更為穩(wěn)妥的做法,其理由如下:,邏輯單元獨立設置,a.DCS側(cè)重于過程連續(xù)控制,需要頻繁的人工干預,尤其在緊急情況下有大量信息需人工判斷處理時,邏輯單元誤觸發(fā)的機率較獨立設置的要高。 b.DCS處理信息多,通信系統(tǒng)復雜,出現(xiàn)故障的機率較高,一旦DCS嚴重故障,ES的D也同時無法運行。 c.對于要求快速動作的ESD,用DCS實現(xiàn)起來就不甚理想,若保證ESD的掃描

9、速度,則勢必減弱其他功能。 d.一些有關(guān)的國際標準都推薦ESD與DCS分開設置,許多國外工程公司大都按該原則設計ESD系統(tǒng),并取得了較為成熟的經(jīng)驗。,ESD 第二講 設計及應用原則,工藝聯(lián)鎖和順序控制與緊急停車聯(lián)鎖,值得注意的是應將一般工藝聯(lián)鎖和順序控制與緊急停車聯(lián)鎖分別對待,采取不同的手段,從而提高整個控制系統(tǒng)的靈活性。 在這方面,美國福斯特惠勒公司的方案值得借鑒。該公司將一般的順序控制放在DCS中,而將緊急停車系統(tǒng)根據(jù)觸發(fā)條件分為A,B兩類。 A類包括:可能危及生命安全的事故;可能引起嚴重傷害的事故;對環(huán)境有明顯危害的事故;國家法律及工業(yè)標準要求加以防止的事故。 B類包括:可能造成生產(chǎn)損失

10、的事故;可能造成設備損壞的事故;可能影響產(chǎn)品質(zhì)量的事故。,ESD 第二講 設計及應用原則,福斯特惠勒公司緊急停車及順序控制的設置方案,執(zhí)行器獨立設置,為確保ESS系統(tǒng)準確可靠地動作,對重要的執(zhí)行單元應獨立設置,不可用普通調(diào)節(jié)閥一閥兩用來代替。 自保閥的電磁閥電源也應按以下原則設置:若系統(tǒng)中有可靠的不間斷電源時,可與系統(tǒng)共用該電源,但電源開關(guān)(配電箱)應單獨設置;若采用直流穩(wěn)壓電源時,穩(wěn)壓電源應單獨冗余設置,不宜與其他儀表單元共用。且穩(wěn)壓電源的電源輸入應來自UPS電源設備。,ESD 第二講 設計及應用原則,中間環(huán)節(jié)最少原則,一些工廠對ESS的可靠性十分重視,不惜投資購買高可靠性的邏輯單元設備,而

11、對ESS系統(tǒng)中兩端單元及連接各單元的中間環(huán)節(jié)的重視程度相對差些,可是現(xiàn)場許多誤動作往往是由這些部位故障引起的。因此,應給予檢測端和執(zhí)行端儀表及中間連接環(huán)節(jié)的設計同樣的重視。 根據(jù)可靠性工程理論,故障均屬于隨機事件,其概率分布是有一定規(guī)律的,儀表故障的分布函數(shù)F(t)為 F(t)=1-e-t 式中故障率。 在儀表串聯(lián)的情況下,系統(tǒng)的故障率是構(gòu)成系統(tǒng)的所有儀表的故障率的集合,即 系統(tǒng)=1+2+3+ (1),ESD 第二講 設計及應用原則,任何一臺儀表故障都會引起系統(tǒng)發(fā)生故障。儀表可靠度R(t)為:,ESD 第二講 設計及應用原則,ESD 第二講 設計及應用原則,ESD 第二講 設計及應用原則,ES

12、D 第二講 設計及應用原則,冗余原則,各單元全部采用雙重化冗余結(jié)構(gòu)如圖所示,每個并聯(lián)環(huán)節(jié)的可靠度為,ESD 第二講 設計及應用原則,ESD 第二講 設計及應用原則,檢測單元冗余,檢測單元冗余對重要的聯(lián)鎖信號采取邏輯表決方式,并對信號異常進行報警;對關(guān)鍵的聯(lián)鎖信號采取3取2表決邏輯,并對信號異常進行報警。這樣可有效避免系統(tǒng)誤動作,提高可靠性。 具體的冗余方式可以有以下幾種: 1 設置雙重的觸點開關(guān)儀表,信號直接進邏輯單元; 2 設置雙重變送器,模擬信號或加報警設定器以觸點信號進邏輯單元; 3 設置1個觸點開關(guān)儀表,1臺變送器,觸點信號直接進邏輯單元,變送器單獨供電,由配電器或安全保持器輸出2個模

13、擬信號,分別進邏輯單元和DCS; 4 對流量測量,可采用1臺節(jié)流裝置接2臺差壓變送器的方案;若不能設2臺流量計時,應采用高可靠性流量測量儀表。,ESD 第二講 設計及應用原則,邏 輯 單 元 冗 余,邏輯單元的輸入環(huán)節(jié),輸出環(huán)節(jié),CPU通信系統(tǒng),電源組件等均應冗余配置。,ESD 第二講 設計及應用原則,執(zhí) 行 單 元 冗 余,主要措施有: 1 電磁閥冗余; 2 電磁閥電源冗余配置; 3 對關(guān)鍵的切斷回路串聯(lián)安裝2臺切斷閥; 4 對關(guān)鍵的放空回路并聯(lián)安裝2臺切斷閥,如加氫裂化緊急放空用的0.7MPa和2.1MPa放空切斷閥為并聯(lián)安裝方式。,ESD 第二講 設計及應用原則,冗余緊急停車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實例

14、,ESD 第二講 設計及應用原則,故障安全原則,故障安全原則主要著重于ESD系統(tǒng)中兩端(檢測單元和執(zhí)行單元)的設計,主要包括: 采用常閉觸點開關(guān)儀表 現(xiàn)場常常出現(xiàn),觸點式檢測儀表由于長時間受空氣中雜質(zhì)腐蝕、材料老化、觸頭磨損等因素而不能在故障狀態(tài)下準確閉合,或由于導線開路而不能將聯(lián)鎖信號傳送給邏輯設備,從而影響整個緊急停車聯(lián)鎖系統(tǒng)的工作。采用故障安全電路,即正常情況下觸點閉合通電,故障情況下斷開,可有效防止故障不動作。 這種做法又可能由于導線開路而引起誤動作停車,但對工藝過程來說是安全的,若同時輔以2取2或3取2表決邏輯措施,則可避免誤動作。,ESD 第二講 設計及應用原則,電磁閥采用正常通電

15、方式 為確保自保閥在任何故障狀態(tài)下都處于過程安全位置,其電磁閥應設計成故障安全型電路,即正常通電,故障斷電動作。 對送往電氣控制盤用以開停電機的觸點,應將隔離用的中間繼電器的勵磁電路,設計為故障安全型。 但是,電磁閥的故障安全型電路易由于接線松動和電磁閥故障引起非計劃停車,因此必須選用高可靠性電磁閥并保證接線施工質(zhì)量。,ESD 第二講 設計及應用原則,ESD 的防爆設計,本安電路的出現(xiàn),為自控儀表在爆炸危險場所的安全使用提供了極大便利,它使在危險場所帶電校驗儀表成為可能。尤其是價格低廉的齊納安全柵的出現(xiàn),使得本安回路得到廣泛使用,但是,齊納安全柵在ESD系統(tǒng)中的使用,給ESD帶來了許多潛在的危

16、險因素,主要表現(xiàn)在:,ESD 第二講 設計及應用原則,ESD系統(tǒng)設置的目的是要進行故障停車,但不能誤停車影響生產(chǎn),因此,要求現(xiàn)場儀表穩(wěn)定可靠。而齊納安全柵是限制控制室到現(xiàn)場能量的設備,一旦超限,立即切斷現(xiàn)場儀表與室內(nèi)的聯(lián)系,二者目的大徑相庭。 因ESD系統(tǒng)信號來源復雜,很難保證安全柵接地不受影響,甚至裝置內(nèi)大型電器的開停,都會影響齊納柵的工作,可能會造成虛假信號以致誤停車,或由于安全柵損壞而影響ESD系統(tǒng)的工作。 安全柵的質(zhì)量直接影響ESS系統(tǒng)的可靠性,現(xiàn)場常出現(xiàn)安全柵元件性能變化,工作不穩(wěn)定而導致ESD誤動作的現(xiàn)象。,ESD 第二講 設計及應用原則,專家建議,根據(jù)HGJ21-89化工企業(yè)爆炸

17、和火災危險環(huán)境電力設計規(guī)程,除“連續(xù)地出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境,或會長期出現(xiàn)爆炸性氣體”環(huán)境的0區(qū)必須采用本安儀表外,其它爆炸危險區(qū)域均可使用隔爆或正壓防爆儀表。 在石油化工企業(yè)中,儀表在0區(qū)使用的情況是非常少的,因此專家建議: 1) ESS系統(tǒng)中的檢測儀表及執(zhí)行器(電磁閥),應以隔爆型儀表為主,不足部分采用正壓或其它防爆措施。這樣做符合中間環(huán)節(jié)最少原則,提高了系統(tǒng)可靠性。 2) 僅在0區(qū)按本安回路設計,并且必須采用可靠的變壓器隔離或光電隔離式安全柵,不可使用齊納式安全柵。,ESD 第二講 設計及應用原則,提高ESD系統(tǒng)可靠性的相關(guān)措施,ESD 第二講 設計及應用原則,作為緊急情況下最后一道安全措施

18、,既使ESD單元失效,通過盡可能少的手動操作,使工藝過程處于安全狀態(tài); 便于ESD系統(tǒng)的執(zhí)行單元調(diào)校,試動等; 邏輯單元與執(zhí)行單元相對獨立,增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。,ESD 第二講 設計及應用原則,后備手操環(huán)節(jié)的設置原則,ESD 第二講 設計及應用原則,為盡量減少緊急情況下的操作,對聯(lián)鎖項目按啟動條件和動作時序分組,將受相同條件觸發(fā)及需同時動作的輸出合用同一手動切換開關(guān); 每個手動切換開關(guān)應具有3個位置,其排列位置為執(zhí)行單元(故障安全型): 自動脫機手動; 電機開停:自動(開/停)脫機手動停; 切換開關(guān)由一位置切向另一位置的過程中應先保持原狀態(tài); 后備手操環(huán)節(jié)電路應力求簡化,元器件盡量少。

19、,正確安排ESD 與信號報警,ESD 第二講 設計及應用原則,緊急停車聯(lián)鎖系統(tǒng)中邏輯單元的輸入信號需進行報警,同時為增加操作靈活性,對某些有可能摘除的聯(lián)鎖信號需設切除開關(guān),但聯(lián)鎖摘除后,這些信號仍需報警顯示,并且邏輯單元輸出狀態(tài)也需報警顯示,報警信號引出位置不當也會影響系統(tǒng)的可靠性。 正確做法是: 輸入信號的報警應在切除開關(guān)前引出,既使ESS失效,報警仍存在。 輸出信號的報警宜在后備手操切換開關(guān)之后引出,以便觀察ESS輸出狀態(tài)。具體方案為:,ESD 第二講 設計及應用原則,2） 對輸入設軟切除的報警應將ESD軟件分為報警輸出和聯(lián)鎖邏輯兩部分,切除開關(guān)應加在兩部分中間：,ESD 第二講 設計及應

20、用原則,ESD 第二講 設計及應用原則,ESD 設備選擇,ESD 第三講 ESD 設備選擇,檢測儀表的選擇 ESD設備的選擇 執(zhí)行單元的選擇,檢測儀表的選擇,ESD系統(tǒng)中儀表(及設備)的選型ESD系統(tǒng)中各儀表(設備)的可靠性,是實現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的基礎應予以特別重視。 檢測儀表的選擇檢測儀表的選擇有以下幾種方案。 國產(chǎn)觸點開關(guān)儀表,缺點是元器件性能穩(wěn)定性較差,可靠性一般。 進口觸點開關(guān)儀表,如美國SOR公司和UE公司的壓力開關(guān)和溫度開關(guān),性能較為穩(wěn)定,動作可靠,缺點是長期使用元件會老化,觸點受磨損。,ESD 第三講 ESD系統(tǒng)設備選擇原則,將模擬信號(420mA,熱偶或熱阻)直接送入或經(jīng)報警設定器

21、轉(zhuǎn)變?yōu)橛|點信號進ESD。其優(yōu)點是:將觸點開關(guān)由現(xiàn)場惡劣環(huán)境移入控制室內(nèi),由于現(xiàn)場到控制室為連續(xù)信號,當出現(xiàn)導線開路時,室內(nèi)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)可感知并保持原輸出狀態(tài),避免誤動作。 對于熱偶或熱阻輸入的PLC和報警設定器應有斷線保護功能,即當斷線時只報警而不誤動作。 采用無觸點開關(guān)儀表,在控制室內(nèi)加轉(zhuǎn)換器變?yōu)橛|點信號進ESD或直接送入ESD中。其優(yōu)點是:A、 現(xiàn)場無觸點,避免了觸頭磨損、污染及機械振動的問題;B 反應靈敏,動作快,克服了有觸點器件機械慣性的影響,但有些情況下易受環(huán)境的影響。 關(guān)鍵部位的溫度、壓力、液位開關(guān)宜采用電子式儀表取代機械式開關(guān)。,ESD 第三講 ESD系統(tǒng)設備選擇原則,ESD 第三講

22、 ESD 設備選擇 檢測儀表的選擇方案,ESD 設備選擇,ESD 第三講 ESD系統(tǒng)設備選擇,簡單繼電器控制的ESD 模塊化硬邏輯ESD 可編程邏輯控制器（PLC） 專用ESD邏輯設備,ESD 設備選擇 - 簡單繼電器控制的ESD,ESD 第三講 ESD系統(tǒng)設備選擇,可組成的邏輯功能少,靈活性差,現(xiàn)場修改及調(diào)試邏輯困難。其優(yōu)點是投資少、邏輯固定、不受干擾。其動作速度取決于繼電器的吸合及釋放速度,使用壽命取決于繼電器。缺點是硬接線多、可動元件多、隨機性較大。,ESD 設備選擇 - 模塊化硬邏輯ESD,ESD 第三講 ESD系統(tǒng)設備選擇,采用模塊化結(jié)構(gòu),邏輯功能較齊全,可采用CAD優(yōu)化設計構(gòu)成各種

23、自保邏輯,硬接線少,無可動部件,維護量小,動作速度快,使用壽命長,其可靠性遠高于簡單繼電器邏輯單元。該種ESS包括兩種:一種是模塊化固態(tài)繼電器邏輯電路;另一種是固態(tài)邏輯門電路(FPGA)。后者的功能和靈活性稍優(yōu)于前者,二者成本基本相當。,ESD 設備選擇 - 可編程序控制器（PLC）,ESD 第三講 ESD系統(tǒng)設備選擇,PLC目前已較成熟,并具備部分DCS的功能,通用性好,可冗余配置,可靠性高,編程及修改邏輯方便,且可與DCS通信。其功能和靈活性都優(yōu)于B類邏輯單元。,ESD 設備選擇 - 專用ESD邏輯設備,ESD 第三講 ESD系統(tǒng)設備選擇,是90年代發(fā)展起來的專用安全保護設備,其特點是:

24、所有I/O環(huán)節(jié),CPU,通信環(huán)節(jié),電源部件均雙重或三重冗余配置,且可在線更換組件。 具有自診斷功能。3通用性好,功能齊全,組態(tài)及修改程序方便,適用性強,可靠性最高。 典型的產(chǎn)品有: 美國TRICONEX公司的三重冗余表決式ESD; 德國P+F公司的雙重化冗余式ESD; 英國ROTORK公司的ES系列固態(tài)邏輯陳列模塊; CLAM(Configurable Logic Array Module)三重化表決式ESD。,ESD 第三講 ESD系統(tǒng)設備選擇,執(zhí)行單元的選擇 - 選擇原則,ESD 第三講 ESD系統(tǒng)設備選擇,在停風停電(信號斷)時應能自動回復到使工藝過程及設備處于安全狀態(tài)的位置; 應帶有閥位回訊開關(guān),以確認閥門開關(guān)位置; 應具有后備氣源貯罐系