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    前言 故障安全控制系統(tǒng)

    隨著安全標準的推出以及企業(yè)對安全系統(tǒng)重視度的不斷升級，2003年3月，中石化股份公司九江分公司對I套催化原設計在DCS中的聯(lián)鎖系統(tǒng)進行了改造，根據(jù)裝置高溫高壓高轉速的特點和安全水平必須達到IEC（國際電工組織）提出的SIL3級標準，選取了美國Honeywell公司的FAIL SAFE CONTROL（FSC）系統(tǒng)，由它執(zhí)行安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的控制部分代替原來在DCS中執(zhí)行的聯(lián)鎖內(nèi)容，按照規(guī)范將安全聯(lián)鎖系統(tǒng)獨立出來，以確保人身和設備的安全。該系統(tǒng)硬件基于雙重化結構，軟硬件均通過IEC的IEC61508認證。

    1  故障安全控制系統(tǒng)配置

    1.1 硬件組成

    I套催化故障安全控制系統(tǒng)硬件主要由PC機和FSC機柜組成，核心部分是FSC。系統(tǒng)配置如圖1所示。

                        

                       圖1 系統(tǒng)配置圖

    PC機：選用1臺DELL工作站作為該裝置的工程師站、SOE（Sequence of Event）站兼操作站，采用多串行口卡與FSC機柜中的COM卡件進行通訊，工作站作為工程師站可以進行數(shù)據(jù)庫修改、組態(tài)、功能邏輯圖修改、設置參數(shù)及系統(tǒng)維護和操作功能；作為SOE站可以查詢實時操作記錄和歷史記錄、做檢索和報表；作為操作站可以通過高速的SOE和動態(tài)流程畫面進行實時現(xiàn)場監(jiān)測、存儲、打印。

    輔操臺：在操作室操作站的旁邊是系統(tǒng)的輔操臺，上面安裝著一些硬手操開關及指示燈，開關主要有3類，即：
? 停機開關
? 允許啟動開關
? 置位開關

    停機開關都是兩位式開關，允許開關和置位開關是回復式開關，即將開關打到“置位”或“允許啟動”的位置后松開，它會自動彈回來。要啟動機組等設備，停機開關必須置于“正常”位置；設備開起來之后，若因工藝條件造成聯(lián)鎖停車，當工藝狀況恢復開機條件后，必須置位才能將設備開起來。

    輔操臺上所有開關的使用，由主風機生產(chǎn)工藝人員根據(jù)生產(chǎn)情況使用。

    FSC機柜：采用的是中央控制元件（Central Part）全冗余，I/O模件部分冗余的系統(tǒng)結構組成該安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。CP是FSC系統(tǒng)的核心部分,每個Central Part（簡稱CP）中都有一個VBD，和一條垂直總線V-Bus，用于控制所有I/O模件，一個VBD可以控制10個I/O rack，即I/O卡籠，各I/O rack由HBD控制H-BUS通訊。控制器和重要I/O雙冗余的結構，可以保證當一個CP或I/O卡故障時，另一個CP或I/O繼續(xù)工作，從而保證系統(tǒng)的連續(xù)操作。FSC系統(tǒng)結構如圖2所示。

                      
 
                        圖2 FSC101R系統(tǒng)結構圖

    硬件配置：采用FSC101Ｒ系統(tǒng)，系統(tǒng)主要硬件配置及功能見表1。

    表1 系統(tǒng)主要硬件配置及功能

               
                
               

    根據(jù)輸入／輸出點的分配情況和冗余配置原則，所有聯(lián)鎖保護系統(tǒng)中的所有狀態(tài)輸入點(DI)通過FTA-T-21端子板進入冗余的DI模件；4～20mA模擬信號（AI）經(jīng)過齊納式安全柵后進入FTA-T-14端子板，再進入冗余的AI卡；雙冗余的DO模件通過FTA-T-02端子板后輸出到現(xiàn)場各閥門，或輸出到中間繼電器到現(xiàn)場電磁閥、泵及電氣；單冗余的DO模件通過FTA-T-03端子板后輸出到輔助操作臺報警指示燈，整套系統(tǒng)的I/O點數(shù)如表2所示：

    表2 I催FSC聯(lián)鎖輸入／輸出點的分配情況

               

    1.2通訊設置

    I套催化故障安全系統(tǒng)PC機與FSC機柜采用串行口通信方式，上位機通訊硬件為多串口卡（2－PORT RS232/422/485 PCI HOST ADAPTER），串口端采用RS485接口、帶屏蔽雙絞通信線以提高干擾、帶負載能力及增加通信距離，下位機兩個CP中央控制單元共4塊相互冗余的COM模件，每一塊COM模件提供2個接口，負責完成兩個冗余CP之間、FSC與PC機之間、FSC與本特利3500之間的通訊。

    FSC系統(tǒng)通訊設置如表3所示：

    表3 FSC系統(tǒng)通訊設置

               

    PC機通訊口設置如表4所示：

    表4 PC通訊設置

                     

    兩個CP之間的通訊在系統(tǒng)集成時固定為兩個CP中的COM1模件的A口，用戶不得修改；

    系統(tǒng)中的一臺PC機，既擔任工程師站、SOE站又擔任操作員站，工程師站和SOE站由Honeywell公司提供的FSC Navigator 和FSC SOE軟件完成組態(tài)、維護、實時歷史記錄，兩軟件與FSC通訊連接：PC機COM4口與FSC的兩個CP的COM1（2塊COM模件中的第1塊）模件的B口相連，組態(tài)定義其采用Development SYS協(xié)議RS485接口完成通訊連接；
操作員站由INTELLUTION公司提供的Intellution IFIX2.6軟件組態(tài)完成動態(tài)聯(lián)鎖畫面、報警畫面，IFIX與FSC的通訊連接：PC機的COM3口和FSC兩個CP中的COM2模件的A口相連，組態(tài)定義采用Modbus 協(xié)議RS485接口完成通訊連接。

    FSC與本特利3500之間的通訊預留由FSC機柜中兩個CP中COM2模件的B口與本特利通訊網(wǎng)關模塊相連完成，組態(tài)定義采用本特利內(nèi)華達開發(fā)的協(xié)議RS232接口完成通訊連接。

    1.3 軟件實現(xiàn)

    系統(tǒng)組態(tài)軟件由上位機組態(tài)監(jiān)控軟件Intellution IFIX2.6和下位機FSC編程軟件包組成，均運行在Windows2000環(huán)境下，使用方便靈活。

    Intellution IFIX2.6工程組態(tài)軟件是由美國INTELLUTION公司開發(fā)的基于WINDOWS環(huán)境下、數(shù)據(jù)采集和控制的大型應用軟件，它集控制技術、人機界面技術、圖形技術、數(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)絡技術于一身，包含動態(tài)顯示、報警、趨勢、控制策略、控制網(wǎng)絡通信等組件，提供一個友好的用戶界面。在IFIX中從過程硬件獲取數(shù)據(jù)的節(jié)點成為一個SCADA服務器，采用分布式結構傳輸數(shù)據(jù)。組態(tài)時將所有FLD圖中的通訊點輸入到IFIX數(shù)據(jù)庫中，通過MODBUS協(xié)議從FSC機柜采集各信號點的實時狀態(tài)，從而完成主機自保、裝置自保、備機小機、氣壓機和報警顯示等5幅動態(tài)聯(lián)鎖畫面的顯示，方便工藝人員了解當前聯(lián)鎖情況。

    FSC軟件包由FSC Navigator 和FSC SOE組成。

    FSC Navigator主要進行系統(tǒng)組態(tài)、邏輯圖設計和系統(tǒng)維護工作：組態(tài)FSC參數(shù)及其屬性定義、應用FLDs建立邏輯控制程序、將應用程序編譯成FSC處理器可識別的代碼，并檢測在組態(tài)和設計中產(chǎn)生的錯誤；診斷系統(tǒng)，監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)；強制FSC參數(shù)以切斷控制回路，以便進行程序測試或現(xiàn)場設備的維護。

    FSC SOE完成系統(tǒng)的事件順序記錄功能，I/O卡件通過HBUS和VBUS給中央控制單元提供事件順序能力，在每次掃描期間，控制單元檢查所有指定變量的狀態(tài)改變。當一個事件發(fā)生時，控制器將變量的當前狀態(tài)和時間協(xié)簽存儲在緩沖區(qū)內(nèi)，以便組態(tài)提取事件順序。SOE的識別時間間隔為≤1ms，SOE的事件記錄存儲高達20萬條，可實時存貯在硬盤中，并可通過打印機打印出來。

    2 邏輯控制功能

    2．1 邏輯功能

    故障安全控制系統(tǒng)的應用程序通過功能邏輯圖來實現(xiàn)，功能邏輯圖簡稱FLD，系統(tǒng)提供大量的邏輯、算術、計時、計數(shù)、PID等運算模塊，用戶可根據(jù)設計需要，選擇相應的I/O符號，直接使用與、或、非的邏輯圖的方式實現(xiàn)用戶的邏輯功能，此外，用戶還可以用系統(tǒng)自帶的Function Block模塊定義需要的功能塊，以子程序的形式在其他程序中調(diào)用，實現(xiàn)較為復雜的邏輯控制。I催FSC系統(tǒng)中定義了RS觸發(fā)器、溫壓補償、延時計數(shù)器、二取二、三取二等邏輯功能塊，多次在其他的子邏輯中得到調(diào)用。

    以RS觸發(fā)器和三取二子程序為例的邏輯功能塊FB900、FB930結構如圖3及圖4所示：

                         

                      圖3 RS觸發(fā)器功能塊FB900

    RS觸發(fā)器子程序的功能是：對于A和B這2個條件輸入點，產(chǎn)生的結果輸出值C用矩陣表說明如表5所示:

    表5 FCCU RS觸發(fā)器矩陣表

                      

                     

                         圖4 三取二功能塊FB930

    三取二子程序的功能是：當3個報警輸入點中，只有一個發(fā)生報警時，系統(tǒng)發(fā)出三取一報警；若有2個以上發(fā)生報警，而又沒有置旁通，則系統(tǒng)聯(lián)鎖，如果置旁通了，則系統(tǒng)發(fā)出三取二報警。

    2．2 自保邏輯的實現(xiàn)

    I 催組態(tài)邏輯圖共38張，主要完成主風機的開停車聯(lián)鎖及機組部份的聯(lián)鎖與控制，各子邏輯包括：蠟油自保、兩器差壓自保、總進料閥自保、外取熱器自保、小風機自保、備機自保、主風低流量自保、逆流自保、主機停機自保、主機啟動自保、FSC系統(tǒng)報警、氣壓機啟動、氣壓機自保等13部分。邏輯輸入為開關量和模擬量，重要的信號還經(jīng)過“三取二”或“二取二”表決。“安全運行”和“停車”邏輯設計為故障安全型，即系統(tǒng)正常帶電、事故失電。各機組自保之間、機組自保與裝置自保之間互有聯(lián)系，構成既獨立又關聯(lián)的自保邏輯系統(tǒng)。

　 以氣壓機自保為例的FSC系統(tǒng)功能邏輯圖如圖5所示：

               

                              圖5 氣壓機自保功能邏輯圖

    圖5中，左邊為邏輯輸入，中間為邏輯部分，右邊邏輯輸出。PDT4002潤滑油壓力低低（≤0.15MPa）；XT4003汽輪機位移高高（≥0.8mm）；ST4002/ST4003汽輪機轉速高高（≥9044rpm）；PS4001A/B/C潤滑油總管壓力低低（≤0.1MPa）；XT4001A/B壓縮機位移高高（≥0.7mm）；HY4001緊急停機；HY4002緊急停機復位；HY4003現(xiàn)場緊急停機；LAMP4002允許啟動至現(xiàn)場指示燈；SV451防喘振電磁閥；SV4001/SV4002氣輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)電磁閥；FB930是三取二功能塊；FB900是RS觸發(fā)器功能塊。組態(tài)中必須保證所有信號線都與各邏輯塊緊密連接。I/O符號為紅色，表示該I/O信號為有硬接線的信號，符號為黑色，則表示該點為通訊點，即“LOC”為“COM”的軟點。

    FLD的在線畫面中，信號線實線表示“ON”，虛線表示“OFF”。I/O點旁邊的紅色“H”或“L”字母，表示該點被強制了，對于輸入點，字母表示的是被強制前的狀態(tài)，即現(xiàn)場的真實狀態(tài)；對于輸出點，字母表示發(fā)出的強制信號。

    系統(tǒng)實際運行起來之后，在FSC上位機上根據(jù)獨立的WINDOWS程序FSCSOE進行在線監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，所有組態(tài)過SER功能的點記錄下的事件記錄輸出到FSCSOE的數(shù)據(jù)表中，由點類型、位號、服務設備、點狀態(tài)、事件發(fā)生的日期、事件發(fā)生的時間等字段構成的數(shù)據(jù)表將故障狀態(tài)及故障恢復狀態(tài)即時反應在屏幕上，為及時地排除故障提供了詳細的信息，有效地保證了整套裝置的安全運行。

    3 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)應用體會

    1） 當模件出現(xiàn)故障需要更換時，應注意有些模件可以帶電插拔，而有些則是嚴禁帶電插拔的，在條件允許的情況下，最好都先斷電再插拔，以減少意外故障的發(fā)生。
    2） 當DBM模件上的信息顯示燈閃爍時，表明系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，這時在SOE的畫面中也將看到出現(xiàn)紅色報警信息，并伴有聲音報警。撥動DBM上的按鈕可以查看到故障模件所在的位置及故障類型等故障信息，上位機可通過Extended Diagnostics進入在線診斷畫面，系統(tǒng)將顯示故障信息及錯誤代碼。
    3） 裝置系統(tǒng)采用2004D系統(tǒng)，由2套獨立并行運行系統(tǒng)組成，當系統(tǒng)自診斷發(fā)現(xiàn)1個模塊發(fā)生故障時，CPU將強制其失效，確保其輸出的正確性。安全輸出模塊中的SMOD功能（輔助去磁方法）確保在2套系統(tǒng)同時故障或電源故障時系統(tǒng)輸出1個故障安全信號，1個輸出電路實際上通過4個輸出電路和自診斷功能實現(xiàn)，這樣確保了FSC的高可靠性、高安全性和高實用性。

    4 結束語

    FSC自投用以來，利用了組態(tài)軟件強大數(shù)據(jù)處理和圖形表現(xiàn)的能力，融合了較先進的自動化技術、計算機技術、通訊技術、故障診斷技術和軟件技術，具有可靠性高、操作簡單、維護容易等特點。表現(xiàn)出了它強大的安全穩(wěn)定的控制能力和通訊功能，為裝置事故狀態(tài)下的安全提供了保證。