高金宇，張玉廣

（河南職業(yè)技術(shù)學院，鄭州450046）

0 引言

蠟油加氫裝置是石油化工裝置的重要一員。所有石化裝置都具有高溫、高壓、易燃、易爆、工藝復雜且連續(xù)性強、安全要求高等特點，蠟油加氫裝置也不例外。為了最大限度地降低裝置惡性事故發(fā)生的概率，減少計劃外停車，避免重大人身傷害及重大經(jīng)濟損失的事故發(fā)生，一套安全可靠，動作及時的SIS 系統(tǒng)必不可少。

安全儀表系統(tǒng)(SIS)是一種獨立于生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)（DCS）的用于大型裝置的安全聯(lián)鎖保護系統(tǒng)，其對裝置設(shè)備的安全保護貫穿于生產(chǎn)過程的所有階段。無論是生產(chǎn)裝置本身出現(xiàn)故障引發(fā)的危險，還是人為因素導致的危險以及一些不可抗拒因素引發(fā)的危險，SIS 都能夠立即作出正確反應(yīng)并給出相應(yīng)的邏輯信號，使生產(chǎn)裝置安全聯(lián)鎖或停車，阻止危險的發(fā)生和事故的擴散，使危害減少到最小。

1 蠟油加氫裝置聯(lián)鎖保護

本文中所述的蠟油加氫裝置包含的主要設(shè)備有3臺加熱爐、1 套空氣預(yù)熱系統(tǒng)、2 臺反應(yīng)進料泵、1 座汽提塔、1 座分餾塔和2 臺循環(huán)氫壓縮機。蠟油加氫裝置采用DCS 系統(tǒng)對常規(guī)信號進行檢測和顯示，需要參與聯(lián)鎖保護的信號則通過SIS 系統(tǒng)進行采集。當蠟油加氫裝置運行正常時，DCS 系統(tǒng)和SIS 系統(tǒng)各自獨立工作，互不影響；當蠟油加氫裝置運行異常時，DCS 系統(tǒng)首先發(fā)出報警信號，提醒操作員及時進行操作調(diào)整，使報警參數(shù)回到正常值。若操作員的操作調(diào)整無效，報警參數(shù)繼續(xù)向聯(lián)鎖值方向變化，直至達到聯(lián)鎖值，則SIS 系統(tǒng)啟動，使蠟油加氫裝置聯(lián)鎖停車，確保裝置安全。

1.1 加熱爐聯(lián)鎖保護

當出現(xiàn)下列情況之一時，聯(lián)鎖停加熱爐：加熱爐頂壓力高，加熱爐頂溫度高，加熱爐主火嘴燃料氣壓力低，加熱爐長明燈壓力低，現(xiàn)場或控制室急停按鈕按下。此時，關(guān)閉主燃料氣切斷閥和風道擋板，同時打開放空閥。若是因為加熱爐長明燈壓力低觸發(fā)聯(lián)鎖停爐，還要關(guān)閉長明燈切斷閥。

1.2 空氣預(yù)熱系統(tǒng)聯(lián)鎖保護

蠟油加氫裝置空氣預(yù)熱系統(tǒng)主要包含空氣預(yù)熱器、引風機和鼓風機等設(shè)備。當出現(xiàn)下列情況之一時，聯(lián)鎖?？諝忸A(yù)熱系統(tǒng)：空氣預(yù)熱器入口煙氣溫度高，引風機入口煙氣溫度高。此時，打開煙囪擋板，關(guān)閉煙道擋板，停鼓風機和引風機。

1.3 反應(yīng)進料泵聯(lián)鎖保護

反應(yīng)進料泵是往反應(yīng)器中輸送反應(yīng)原料的動力裝置，當出現(xiàn)下列情況之一時，聯(lián)鎖停反應(yīng)進料泵：混氫流量低，現(xiàn)場或控制室緊急停車按鈕按下。此時，停止進料泵并關(guān)閉反應(yīng)進料切斷閥。

1.4 汽提塔聯(lián)鎖保護

汽提塔聯(lián)鎖保護分為汽提塔火災(zāi)隔斷閥聯(lián)鎖保護和汽提塔回流罐火災(zāi)隔斷聯(lián)鎖保護兩個部分。當現(xiàn)場或控制室汽提塔火災(zāi)隔斷緊急停車按鈕按下時，啟動汽提塔火災(zāi)隔斷閥聯(lián)鎖保護程序，停汽提塔底重沸爐泵并關(guān)閉汽提塔底火災(zāi)隔斷閥。當現(xiàn)場或控制室汽提塔回流罐火災(zāi)隔斷緊急停車按鈕按下時，啟動汽提塔回流罐火災(zāi)隔斷聯(lián)鎖保護程序，停汽提塔回流泵并關(guān)閉汽提塔回流罐底火災(zāi)隔斷閥。

1.5 分餾塔聯(lián)鎖保護

分餾塔聯(lián)鎖保護分為分餾塔火災(zāi)隔斷聯(lián)鎖保護和分餾塔回流罐火災(zāi)隔斷聯(lián)鎖保護兩個部分。當現(xiàn)場或控制室分餾塔火災(zāi)隔斷緊急停車按鈕按下時，啟動分餾塔火災(zāi)隔斷聯(lián)鎖保護程序，停分餾塔重沸爐泵和重整進料泵并關(guān)閉分餾塔底火災(zāi)隔斷閥。當現(xiàn)場或控制室分餾塔回流罐火災(zāi)隔斷緊急停車按鈕按下時，啟動分餾塔回流罐火災(zāi)隔斷聯(lián)鎖保護程序，停分餾塔回流泵和輕石腦油泵并關(guān)閉分餾塔回流罐底火災(zāi)隔斷閥。

1.6 循環(huán)氫壓縮機聯(lián)鎖保護

循環(huán)氫壓縮機是為蠟油加氫裝置提供氫氣的關(guān)鍵動力設(shè)備，結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴，安全要求高。當出現(xiàn)下列情況之一時，聯(lián)鎖停循環(huán)氫壓縮機：控制室緊急停車按鈕按下，循環(huán)氫壓縮機入口分液罐液位高，帶動壓縮機轉(zhuǎn)動的電機定子溫度高，潤滑油總管壓力低。除此之外，循環(huán)氫壓縮機的啟動也有嚴格的條件限制，只有當盤車開關(guān)閉合、潤滑油溫度大于等于10℃、潤滑油壓力大于等于0.25MPa 并且控制室的允許啟動按鈕按下時，循環(huán)氫壓縮機才能啟動運行。

2 HiaGuard系統(tǒng)介紹

HiaGuard 是和利時集團面向工業(yè)自動化安全應(yīng)用開發(fā)的一套安全儀表系統(tǒng)（SIS）。該系統(tǒng)通過TUV Rheinland Industrie Service GmbH 認證，滿足IEC 61508/IEC 61511 中定義的SC3 系統(tǒng)能力等級和SIL3安全完整性等級。HiaGuard 系統(tǒng)采用2oo3D 架構(gòu)，適用的應(yīng)用包括緊急停車系統(tǒng)、火氣監(jiān)測系統(tǒng)、燃燒爐管理系統(tǒng)、緊急跳閘系統(tǒng)、過程停車系統(tǒng)以及關(guān)鍵過程控制。

HiaGuard 系統(tǒng)為機籠擴展式結(jié)構(gòu)，機籠之間采用三重冗余的I/O BUS 相連，系統(tǒng)最少有一個主機籠，并根據(jù)I/O 點數(shù)的增加，最多可連接3 個擴展機籠。一套HiaGuard 系統(tǒng)最多可配置37 塊I/O 模塊，最多可容納1184 個開關(guān)量信號或者592 個模擬量信號。其中主機籠可容納2 個通訊模塊、3 個控制器模塊和7 個I/O 模塊，擴展機籠可容納10 個I/O 模塊。SGM201 是Hia-Guard 系統(tǒng)的控制器，每套三重化的HiaGuard 系統(tǒng)包括三個獨立的控制器，每個控制器控制三重化系統(tǒng)的一個獨立通道，三重化的三系控制器之間同步運行，控制器的降級方式為3-2-0。SGM210 是HiaGuard 系統(tǒng)的通訊模塊，用于實現(xiàn)SGM201 控制器與外界的數(shù)據(jù)交換。的通訊模塊，用于實現(xiàn)控制器與上位機之間的數(shù)據(jù)交換。支持冗余配置，冗余通訊模塊之間無擾切換，所有的通訊接口均支持熱插拔。通過以太網(wǎng)與工程師站通訊，進行下裝工程組態(tài)程序，上報系統(tǒng)內(nèi)部信息。

HiaGuard 系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分主要有工程總控軟件實現(xiàn)。該軟件主要包含圖形編輯器、Safe-AutoThink和操作員在線三部分。圖形編輯器是圖形畫面編輯軟件，運行于工程師站。用戶可通過該工具生成在線操作的流程圖和界面模板。該軟件針對不同行業(yè)提供了豐富的符號庫，以方便用戶繪制美觀實用的界面。它還支持用戶自定義符號庫。Safe-AutoThink 是SIS（HiaGuard）控制器算法組態(tài)軟件，運行于工程師站。該軟件集成了SIS（HiaGuard）控制器算法的編輯、管理、仿真、在線調(diào)試以及硬件配置功能，支持IEC61131-3 中規(guī)定的LD、FBD 兩種語言。操作員在線是監(jiān)視和控制軟件，運行于操作員站。完成實時數(shù)據(jù)采集、動態(tài)數(shù)據(jù)顯示、過程自動控制、順序控制、高級控制、報警和日志的檢測、監(jiān)視、操作，可以對數(shù)據(jù)進行記錄、統(tǒng)計、顯示、打印等處理。

3 蠟油加氫裝置SIS系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)配置

蠟油加氫裝置SIS 系統(tǒng)采用和利時集團的Hia-Guard 系統(tǒng)，由1 面系統(tǒng)機柜和5 面擴展機柜組成，所有機柜全部放置在現(xiàn)場機柜間，并配置1 臺工程師站和兩臺操作員站。其中，1 臺工程師站和1 臺操作員站放置在現(xiàn)場機柜間，另1 臺操作員站放置在中控室?，F(xiàn)場機柜間的工程師站和操作員站通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)與SIS 系統(tǒng)的通訊，中控室的操作員站則通過光纖實現(xiàn)與SIS 系統(tǒng)的通訊。蠟油加氫裝置SIS 系統(tǒng)的配置如圖1 所示。

圖1 蠟油加氫裝置SIS系統(tǒng)配置

3.2 硬件配置

根據(jù)I/O 信號類型和數(shù)量，并考慮各類型信號至少20%的備用量，蠟油加氫裝置SIS 系統(tǒng)的主要硬件配置有AI/DI/DO 三種類型。各種I/O 卡的輸入/輸出，通道間、電源間相互隔離，I/O 卡具備識別現(xiàn)場接線斷路或短路并發(fā)出報警的功能，各種卡件相互獨立，對現(xiàn)場電氣隔離。

AI 模塊選用HiaGuard 系統(tǒng)的16 路模擬量輸入模塊SGM410，采用TMR 架構(gòu)，冗余的三系包含在同一塊SGM410 中，通過歐式連接器與機籠底板相連，配合AI端子模塊SGM3410 實現(xiàn)對現(xiàn)場4～20mA 電流信號的采集功能，采集結(jié)果通過各系獨立的I/O Bus 送給各自對應(yīng)的控制器。SGM410 采用冗余電源供電，系統(tǒng)側(cè)與現(xiàn)場側(cè)隔離，支持熱插拔。支持軟件濾波，組態(tài)可選0～15（默認值0）。模塊信號量程為4～20mA，可測量范圍為0～22mA。具有豐富的診斷功能，可診斷出電源、模塊自身和外部線纜等多種故障，并及時報警。

DI 模塊選用HiaGuard 系統(tǒng)的32 路開關(guān)量輸入模塊SGM610，支持常開或常閉干接點信號，采用TMR 架構(gòu)，冗余的三系包含在同一塊SGM610 中。SGM610 采用冗余電源供電，系統(tǒng)側(cè)與現(xiàn)場側(cè)隔離，支持熱插拔且具有SOE 功能。支持軟件濾波，可根據(jù)現(xiàn)場干擾情況進行設(shè)置。具有強大的防護功能，通道誤接±36V DC和220V AC 時不會損壞模塊。具有豐富的診斷功能，可診斷出電源、模塊自身和外部線纜等多種故障，并及時報警。

DO 模塊選用HiaGuard 系統(tǒng)的32 路開關(guān)量輸出模塊SGM710，支持ESD、ETS、FGS、BMS 等組態(tài)應(yīng)用，采用TMR 架構(gòu)，冗余的三系包含在同一塊SGM710中。SGM710 采用冗余電源供電，系統(tǒng)側(cè)與現(xiàn)場側(cè)隔離，支持熱插拔功能。單通道可驅(qū)動0.5A 以下負載，32 通道合計可驅(qū)動8A 以下負載。具有豐富的診斷功能，可診斷出電源、模塊自身和外部線纜等多種故障，并及時報警。具體硬件配置見表1。

表1 蠟油加氫裝置SIS 系統(tǒng)硬件配置表

3.3 系統(tǒng)組態(tài)

蠟油加氫裝置SIS 系統(tǒng)組態(tài)包括硬件組態(tài)和軟件組態(tài)兩部分。軟件組態(tài)又包含了聯(lián)鎖邏輯實現(xiàn)、SOE功能實現(xiàn)和人機界面組態(tài)等。其中聯(lián)鎖邏輯實現(xiàn)和SOE 功能實現(xiàn)通過Safe-AutoThink 實現(xiàn)，人機界面組態(tài)通過圖形編輯器實現(xiàn)。根據(jù)采用IEC61508、IEC61511 的中國國家標準GB/T20438、GB/T21109 要求，現(xiàn)場進來的信號以及輸出到現(xiàn)場的信號全部采用故障安全型進行接線，系統(tǒng)組態(tài)亦按照故障安全型進行組態(tài)，即要求正常工作狀態(tài)時，設(shè)備是帶電的，當電源失去時(切斷、掉電)，SIS 系統(tǒng)動作。

（1）硬件組態(tài)

硬件組態(tài)是SIS 系統(tǒng)最基礎(chǔ)的部分，它確定了控制器模塊的型號、I/O 模塊的分布和型號、I/O 地址的分配等。

①模塊組態(tài)：完成SIS 系統(tǒng)中使用到的控制器模塊、通訊模塊和I/O 模塊的型號選擇和位置分配。

②I/O 信號組態(tài)：對SIS 中需要的所有I/O 信號進行地址分配，使每個I/O 信號對應(yīng)到具體哪個機籠的哪塊I/O 模塊的哪個通道。給每個I/O 信號定義通道后，系統(tǒng)自動給每個I/O 信號產(chǎn)生一個地址。這個地址在人機界面組態(tài)時可以直接使用。

蠟油加氫SIS 系統(tǒng)的硬件配置如圖2 所示。

圖2 蠟油加氫裝置SIS系統(tǒng)硬件配置

（2）軟件組態(tài)

①控制程序設(shè)計：Safe-AutoThink 是和利時公司專門為工業(yè)安全儀表系統(tǒng)（簡稱SIS）而自主研發(fā)的基于Windows 平臺的編程工具，主要用于控制器算法編程，是控制方案的開發(fā)平臺，是硬件配置和軟件編程的標準軟件包。該軟件運行于工程師站，支持用戶進行硬件模塊配置以及使用IEC 語言（功能塊（FBD）、梯形圖（LD））進行控制邏輯組態(tài)。

蠟油加氫裝置SIS 系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯采用功能塊語言（FBD）編寫，這種語言用線連接功能塊形成回路，功能塊之間通過連接線傳遞二進制和其他類型的數(shù)據(jù)，這種圖形化的編程語言的特點是直接明了，通俗易懂。蠟油加氫裝置SIS 系統(tǒng)控制程序主要包括FB（用戶自定義功能塊）、AIA（AI 信號處理）、LOGIC（聯(lián)鎖邏輯）等幾部分，如圖3 所示。

②人機界面設(shè)計：人機界面組態(tài)由圖形編輯器實現(xiàn)。該軟件編制容易、靈活、功能強。針對不同行業(yè)提供了豐富的符號庫，以方便用戶繪制美觀實用的界面。同時，它還支持用戶自定義符號庫。在蠟油加氫SIS 系統(tǒng)中，人機界面包括聯(lián)鎖邏輯畫面、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控畫面及用戶管理窗口等，如圖4 所示。

圖3 蠟油加氫裝置SIS系統(tǒng)控制程序

圖4 蠟油加氫裝置SIS系統(tǒng)人機界面

3.4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試是蠟油加氫裝置SIS 系統(tǒng)組態(tài)最后的關(guān)鍵階段。在調(diào)試過程中檢驗聯(lián)鎖邏輯程序、報警提示、操作方便性等，是對系統(tǒng)的綜合測試。測試總體分兩個階段：先離線仿真測試，再在線測試。離線仿真測試是Safe-AutoThink 軟件在仿真運行情況下通過給強制信號的方式來檢驗聯(lián)鎖邏輯是否正確，人機界面動態(tài)連接是否正確，報警功能是否完善等。

在線測試除了要完成離線測試的各項工作外，還要重點檢查邏輯程序的輸入和輸出能否滿足現(xiàn)場各種設(shè)備的需要。在完成程序的全面測試后，將程序下裝到控制器中，最終投入運行。

4 結(jié)語

在注重安全環(huán)保的今天，安全儀表系統(tǒng)必將要求全面應(yīng)用到蠟油加氫等石油石化裝置。其安全穩(wěn)定、可靠性強，可以有效的保證裝置的安全穩(wěn)定運行。