VCM复杂控制和安全联锁系统

1、VCM复杂控制和安全联锁系统 蒸汽压力控制系统 1.1 串级控制系统的组成1.串级控制系统两个控制器串在一起，控制一个执行器的控制系统，称为串级控制系统。1.2 串级控制系统方框图投用过程：先投运副回路，再投运主回路，副回路打cas，主回路打auto串级回路投用过程：先投运副回路，再投运主回路，副回路打cas，主回路打auto1、由于副回路的快速性，对进入副回路的扰动有很强的克服能力。1.3 串级控制系统的特点2、串级控制系统具有较强的抗干扰能力，特别是当干扰作用于副环的情况下，系统的抗干扰能力会更强。3、串级控制系统具有一定的自适应能力，因主环是一个定值系统，而副环却是一个随动系统。对象的控

2、制通道迟延时间较长。 对象的时间常数大。 负荷变化较大，且被控对象又具有较大的非线性。 系统存在变化剧烈和幅值很大的干扰。 1.4 串级控制系统的应用范围2. 分程控制系统 分程控制系统:是将一个控制器的输出分成若干个信号范围，由各个信号段去控制相应的控制阀，从而实现了一个控制器对多个控制阀的控制，有效地提高了过程控制系统的控制能力。2.1概述 单回路控制系统中，通常是一个控制器的输出只用来控制一个控制阀，一般工作在较小的工作区域内，在系统出现较小的干扰时可以达到较好的控制效果。 如果系统的工作条件不满足于较小调节范围或系统受到较大干扰甚至出现事故时，系统的控制质量就可能满足不了生产过程的控制

3、要求。2.2 分程控制系统应用场合：2.分程控制系统分程控制系统a.用于控制不同的介质，以满足工艺生产的要求。b.扩大控制阀的可调范围，改善控制品质。c.用作生产安全的防护措施。2.3控制不同介质应用T CT T冷 水蒸 汽图2-5-30 釜式间歇反应器温度分程控制系统2.分程控制系统分程控制系统100单元 PICEB1081;PICEB2441;400单元PICTK450;PICTK451两个控制阀一个为气开式，一个为气关式。 1006020100%0ABAB阀开度控制阀输出/kPa1006020100%0ABB阀开度控制阀输出/kPaAab控制阀异向动作分程曲线图分程控制中控制阀同向或异向

4、的选择，要根据生产工艺的实际需要来确定。 2.分程控制系统分程控制系统 例如:阀A在控制器的输出信号为0.02MPa0.06MPa范围内工作，阀B则在控制器输出信号为0.06MPa0.1MPa范围内工作，每个控制阀的动作信号范围都是相同的（0 100%）。2.分程控制系统分程控制系统调节阀A调节阀B控制器过程温度变送器r+_zy设定值2.4扩大控制阀的可调范围应用扩大控制阀可调范围曲线控制阀同向动作曲线。两个控制阀同为气开式或同为气关式1006020100%0ABAB阀开度控制阀输出/kPa1006020100%0AB阀开度控制阀输出/kPaBAab2.分程控制系统分程控制系统2.5用作生产安

5、全的防护措施2.分程控制系统分程控制系统某些化学品不宜与空气长期接触，因空气中的氧气会使化学品变质，甚至引起爆炸，因此充以惰性气体氮，使之与空气隔绝，即氮封，要求氮气压力保持为微正压。3.选择性控制系统选择性控制又叫取代控制，或超驰控制。1.硬保护措施，用于安全保护，声光报警，或联锁动作保护。2.软保护措施，通过设定的选择性控制系统，生产短期不正常时，对生产自动保护，取代正常情况下的控制方案。开关型选择性控制系统连续型选择性控制系统混合型选择性控制系统3.1选择性控制系统概述3.2应用-VCM循环EDC塔选择控制 （连续型）从循环EDC塔54层塔板采出的液体EDC由DB241液位控制至DB24

6、1，通过TB240塔塔底液位控制去TK455的循环EDC产品采出量。低选器防止从54层塔板采出产品超过90%75层塔板回流量，导致TB240塔液位不平衡，从而防止54层塔板以下回流量不足。当检测出回流量低时，TB240塔底液位控制输出转向控制去，EB240的蒸汽流量。3.选择性控制系统3.3应用-VCM 分离器SB301选择控制 （开关型）SB301液位控制，在开车期间用LV-SB301-1B控制，正常操作期间用LV-SB301-1A控制。3.选择性控制系统4.安全仪表系统概述安全仪表系统概述4.1安全仪表系统主要构成4.1.1 IEC61511的定义l传感器l逻辑控制单元l最终执行机构4.1

7、.2 SIS系统各单元的故障概率(PFDavg)l传感器：42%l逻辑控制单元：8%l最终执行机构：50%4.2 功能安全仪表系统的概念 IEC61511提出,系统故障时,1l不伤亡人员l不损伤设备l不对环境造成破坏4.3 SIS与DCS的区别l与DCS所处层面不同l与DCS工作性质不同l与DCS对可靠性要求不同4.4安全度等级的划分IEC61508将一个装置的安全度等级划分为4级:SIL1-4级(Safety Integrity Level):lSIL 1 级lSIL 2 级lSIL 3 级lSIL 4 级 根据IEC61511”功能安全”的要求，综述这4级的不同内容。4.5 安全度等级与系

8、统发生故障概率(PFDavg)4.5.1 IEC61508与IEC61511对不同的安全度等级所要求的系统发生故障的概率作出了规定。 如下表所示。SIL系统发生故障的概率(PFDavg)(Probability of Failure on Demand)风险降低因子(RRF).(Risk Reduction Factor)410-510-4104105310-410-3103104210-310-2102103110-210-110100可见，装置所要求的安全度等级越高，则要求它所采用的安全仪表系统发生故障的概率越低，相应地，要求系统所具有的风险降低因子越高。4.5.2 安全仪表系统的工作模式

9、 SIS系统分为两种类型，具有不同的工作模式l连续操作模式(System with a Continuous Mode of Operation) 其故障率(Failure Rates)以每年中的每小时故障次数表示。l按指令操作模式(Systems Operating on Demand) 其故障率按每个指令发生的故障次数表示。4.5.3. 安全仪表的故障模式(Failure Model)l安全故障(Safe Failure)可以检测到的安全故障(Safe Detected)，其故障率为sd不可以检测到的安全故障(Safe UnDetected)，其故障率为sul危险故障(Dangerous

10、Failure)可以检测到的危险故障(Dangerous Detected)，其故障率为dd不可以检测到的危险故障(Dangerous UnDetected)，其故障率为dul安全故障率为s= sd + su l危险故障率为d= dd + du l显性故障(Over Fault)即为安全故障,(对出现的故障能够报警显示)l隐性故障(Cover Fault)即为危险故障。(对产生的危险性及故障不报警,并任危险性发展下去).l检测SIS系统故障的三种方式:通过正常的过程操作,人为使SIS系统某一局部发生S/D,来检测系统。通过定期测试(Test)：例如 Stuck On/Stuck Off功能。通

11、过SIS系统内部自诊断(Diagnostics),通过内置诊断软件实现。4.6 对SIS系统硬件的容错要求 为保证SIS系统的可靠性，IEC61511提出了对SIS系统硬件的最少容错要求。下表主要是对SIS逻辑运算和控制单元（Logic Solvers）的容错要求。SIL安全度等级硬件容错要求（Hardware Fault Tolerance）SFF90%1100221033214IEC 61508 规定的特殊应用要求4.7 安全度等级所对应的实用性及风险降低因子 根据IEC 61508标准，安全仪表系统的实用性、风险降低因子与安全度等级及相对应的德国TV认证等级如下所示：TUV是德文“技术监

12、督协会”的缩写。TUV的前身是“蒸汽锅炉监督协会”。150年前第一家“蒸汽锅炉监督协会”创建于曼海姆。随后，德国各“省”都有了自己的“蒸汽锅炉监督协会”，随着电气化时代的来到，“蒸汽锅炉监督协会”的服务领域逐步扩展到对电气产品的认证，并参与电气标准的制定，随后更名为“技术监督协会”。TUV还是德国政府制定的对汽车进行年检的机构。 APFDRRF TUV AK1-6 SIL实用性(发生故障的概率) (风险降低因子)GERMAN APPL.CLASS (AK)499.99%100007399.9%-99.99%0.001-0.00011000-10000 5-6UtilityBoilers299%

13、-99.9%0.01-0.001100-10004IndustrialBoilers190%-99%0.1-0.0110-1002-3(一般工业应用)ChemicalProcesses(石化装置) Nuclear Power(核电站工业)典型应用领域(Typical Application) 5安全仪表系统设计原则5.1概述,按照IEC-61511标准，运用LOPA方法分析SIL等级。5.2设计原则l独立设置原则 包括检测元件、变送器、控制单元、执行机构均应在DCS系统之外 独立设置。 关键部位的变送器等宜三取二设置。特别重要部位的电磁阀可按二取一或三取二设置。l故障安全型原则 故障安全型原则

14、是指从检测仪表、控制单元及执行机构所构成的一个系统体系。输入回路的开关仪表在正常工况下其接点应是闭合或导通的（即励磁状态）。控制单元在正常运行状态下，其输入输出模件应是励磁的和对外供电的，在系统故障和失电时应是非励磁的（即失电停车）。输出回路执行机构应是带弹簧复位的单作用方式（FC或FO），电磁阀或中间继电器正常工况状态下必须是励磁的。l电源 SIS系统的电源必须十分可靠，可采用三相四线或单相UPS供电，并应有蓄电池后备至少30分钟。l设置旁路开关 对重要的 I/O 点，需设置并联旁路维护开关（应为硬线开关）l实用性原则 安全仪表系统的实用性及可靠性及其安全度等级均应符合IEC61508/61

15、511标准的规定。5.3 通讯方式 安全仪表系统的控制单元与其操作员工作站及工程师站之间的通讯连接，以及SIS与DCS之间的通讯连接方式。l串行口方式l以太网方式5.4 RS-232、RS-485串行口通讯简介。5.5 SIS系统对CPU的技术指标要求:lSIS系统的CPU至少应为32位机。l其输入到输出的响应时间应在200ms以下。lSOE的分辨率应小于10ms。l其系统负荷不应超过50%。5.6 安全仪表系统分层描述LM,FSC,SMGDS、FDSTPS,PKSBENTLY35005.7 VCM2期 FSC系统结构和安全等级5.8 HONEYWELL FSC在TPS系统中网络结构5.9安全

16、仪表系统的典型逻辑关系 (1) 逻辑运算关系 安全仪表系统的功能是由逻辑运算实现的，在PLC中是由软件实现的，一般采用布尔代数运算。输入信号对输出的影响，或者说输出对输入信号的响应，即原因导致结果，这就是联锁逻辑关系。 (2) 对触发联锁结果的处理 因为石油化工装置的很多工艺过程的安全联锁过程，不是随意可逆的，为了防止工艺过程不能按正常顺序或意外地恢复或启动，再次形成事故，所以当联锁动作后，输入信号恢复到正常值时，系统不应回到正常状态，应继续保持联锁结果，待操作员确认系统正常后，由人工复位使系统恢复正常。 联锁切除（Cut,切除一部分联锁）、自动联锁（Auto）、人工联锁（Manual）的实现

17、可以采用一个三位开关或两个两位开关。如果用三位开关，则中 间位置应为“自动”位置，两边分别为联锁切除和人工联锁。而采用两个两位开关时，应该一个开关用于联锁切除，其位置为联锁切除和正常，另一个开关用于自动 联锁和人工联锁。由于两个两位开关功能分开互不影响，所以此方案较好一些。 当然，也有一些工艺过程的安全联锁动作是可逆过程，其安全联锁不需要设置自锁功能，系统在过程恢复正常时，是自动回到正常状态的，也就是没有人工恢复过程。 (3) 联锁阀的双重确认 在某些装置中一些联锁阀在联锁时关闭后的重新开启，除了在辅助操作台进行确认以外（硬复位），为了安全还需操作人员在操作画面上进行确认（软复位），即联锁阀的

18、双重确认。 例如在重油催化裂化装置中，应工艺的要求，烟气蝶阀、烟气闸阀和主风进口止回阀应采用双重确认，即在主风机复位后，由操作员界面再次确认后方可开阀。 5.10安全联锁系统系统选型时其它注意的问题 SIS选用的PLC一定是有安全证书的PLC。 应该充分考虑系统扫描时间，1ms可运行1000个梯形逻辑。 系统必须易于组态并具有在线修改组态的功能。 系统必须易于维护和查找故障并具有自诊断功能。 系统必须可与DCS及其它计算机系统通讯。 系统必须有硬件和软件的权限人保护。 系统必须有提供第一次事故记录（SOE）的功能。 6.DCS系统与SIS系统联合使用从安全保护的分层结构图中，可以看出，DCS和

19、SIS系统在不同的层面工作，起到的作用不同，它们各自发挥优势完成独立的工作任务，但在实际的生产过程控制中，相互配合完成控制和联锁任务，能有效保证化工生产过程控制的安全性和稳定性。6.1 DCS系统的作用内容(1)高可靠性 由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。6.DCS系统与SIS系统联合使用(2)开放性 DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计

20、算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。 (4)易于维护 功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。6.1 DCS系统的作用 (5)协调性 各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息 共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。 (3)灵活性 通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从

21、图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。 (6)控制功能齐全 控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。 DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。 处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报

22、表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展，DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。6.1 DCS系统的作用6.2.1监测各种控制层测量信号的高、低报警和偏差报警，在遇到有报警时发出声、光提醒操作员注意及时处理工艺波动。6.2 DCS系统在工艺正常运行过程中的安全保护6.2.2监测各种控制层测量信号的高高、低低和偏差、比值联锁，在联锁条件发生时，自动发出安全保护动作。6.2.3联锁程序实时运行监控，监测到联锁信号 (来自SIS系统硬接线信号）或条件时，将相应的进料调节阀打到程序控制模式，阀位输出0%，调节器输出模式为

23、手动，调节器处于禁用模式，不允许操作工操作；将相应的回流调节阀，打到程序控制模式，阀位输出100%，不允许操作工操作；在操作员界面上发出警示信息，如“TB203 SHUTDOWN”。6.2 DCS系统在工艺正常运行过程中的安全保护6.2.4联锁逻辑点实时运行监控，监测到仪表测量信号的报警时，按照逻辑运算关系，控制关闭或打开相应的电磁阀、泵、风机等。或者将联锁信号输出给程序，由顺控程序完成联锁动作。6.2.5串级控制系统监测到仪表测量信号的联锁时，解除串级模式，转为单回路或手动控制。6.2.6选择控制系统监测到仪表测量信号波动或异常达到联锁条件时，按照要求自动用高选或低选器控制。6.2.7分程控制系统监测到仪表测量信号波动或异常达到联锁条件时，按照设定条件，进入冲氮或排空模式。6.3.1开车过程中，电磁阀和机泵等，在联锁条件未解除以前会一直处于程序模式开或关，不允许操作工手动干预，误动作阀门。6.3 DCS系统在工艺开车过程中的安全保护6.3.2开车过程中，复杂控制系统或单回路控制，在联锁条件未解除以前会一直处于联锁保护模式中，如调节器处于程序模式或禁用模式，不允许操作工手动干预，防止输错阀位或阀门导致生产或人身事故。6.3.3开车过程中，顺控联锁程序，在联锁条件未解除以前会一直处于联锁保护模