本文摘要：摘要：針對(duì)煤化工生產(chǎn)中涉及的塔釜和汽輪機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備在聯(lián)鎖程序設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題，結(jié)合目前應(yīng)用的ABB、和利時(shí)等DCS系統(tǒng)，從提高生產(chǎn)安全，降低非計(jì)劃停車的事故率，有針對(duì)性地提出聯(lián)鎖程序設(shè)計(jì)的一種優(yōu)化思路和方案，并進(jìn)行分析、探討和研究，
摘要：針對(duì)煤化工生產(chǎn)中涉及的塔釜和汽輪機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備在聯(lián)鎖程序設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題，結(jié)合目前應(yīng)用的ABB、和利時(shí)等DCS系統(tǒng)，從提高生產(chǎn)安全，降低非計(jì)劃停車的事故率，有針對(duì)性地提出聯(lián)鎖程序設(shè)計(jì)的一種優(yōu)化思路和方案，并進(jìn)行分析、探討和研究，在安全性，穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)性等3方面滿足生產(chǎn)和安全的要求，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞：聯(lián)鎖程序,優(yōu)化分析,質(zhì)量判斷,濾波,速率限制
0引言
在生產(chǎn)過程中安全問題一直是企業(yè)運(yùn)行關(guān)注的焦點(diǎn)，而在煤化工生產(chǎn)中諸如汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、煤氣鼓風(fēng)機(jī)、塔釜等重要設(shè)備及裝置，對(duì)過程自動(dòng)化控制提出了高要求，但歸納起來主要有3個(gè)方面，即安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。在整個(gè)生產(chǎn)過程中，要確保人身和設(shè)備的安全，降低非計(jì)劃的故障率，提高生產(chǎn)效率，這對(duì)現(xiàn)代化企業(yè)的自動(dòng)化、儀表，尤其是聯(lián)鎖保護(hù)程序提出了最高的也是最基本的要求。
當(dāng)控制系統(tǒng)或某些工藝設(shè)備發(fā)生故障，造成工藝指標(biāo)異常，有可能超越安全許可范圍的情況時(shí)，需要設(shè)置一套安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，立即動(dòng)作，將該關(guān)的閥門立即關(guān)閉，該打開的閥門立即打開，從而避免事故的發(fā)生。
但在正常生產(chǎn)過程中，如果突然出現(xiàn)儀表“干擾信號(hào)”或者儀表斷線、短路、控制系統(tǒng)模塊通道損壞等故障時(shí)，生產(chǎn)并不希望聯(lián)鎖停車。諸如此類情況，如何對(duì)聯(lián)鎖保護(hù)程序優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全性、可用性，本文將針對(duì)煤化工生產(chǎn)中部分聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研究和探討，提出新的聯(lián)鎖設(shè)計(jì)思路和方案，保證生產(chǎn)和設(shè)備、人身的安全。
1工藝聯(lián)鎖概述
工藝聯(lián)鎖是指為保證生產(chǎn)裝置(單元)安全穩(wěn)定運(yùn)行而設(shè)置的保護(hù)措施，當(dāng)某項(xiàng)指標(biāo)(如壓力、流量、液位、溫度等)超出安全操作范圍時(shí)，能夠保護(hù)裝置設(shè)備不超溫、不超壓，使得生產(chǎn)裝置與操作人員處于安全狀態(tài)，避免事故擴(kuò)大化。根據(jù)對(duì)安全生產(chǎn)的重要程度將工藝聯(lián)鎖分為A、B兩級(jí)，實(shí)行分級(jí)管理。工藝聯(lián)鎖分主要工藝聯(lián)鎖回路(即A級(jí))和一般工藝聯(lián)鎖回路(即B級(jí))。
A級(jí)工藝聯(lián)鎖：直接引發(fā)某一個(gè)工藝系統(tǒng)或某一臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備聯(lián)鎖動(dòng)作，并造成該生產(chǎn)單元緊急停車的聯(lián)鎖;直接引發(fā)一個(gè)生產(chǎn)單元聯(lián)鎖緊急停車并造成該生產(chǎn)裝置非計(jì)劃停工的聯(lián)鎖。主要分為：1)涉及全裝置或大范圍停車的工藝聯(lián)鎖。2)重要工藝系統(tǒng)的工藝聯(lián)鎖。3)關(guān)系到人身和產(chǎn)品質(zhì)量的工藝聯(lián)鎖。4)涉及裝置儀表氣源、電源主干線的工藝聯(lián)鎖回路。B級(jí)工藝聯(lián)鎖：除A級(jí)以外的工藝聯(lián)鎖均為B級(jí)。僅引起一個(gè)系統(tǒng)或一臺(tái)設(shè)備聯(lián)鎖動(dòng)作，不會(huì)造成單元或裝置停車，能夠迅速恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。
2聯(lián)鎖程序設(shè)計(jì)問題分析
在煤化工安全生產(chǎn)中，涉及諸如運(yùn)煤皮帶聯(lián)鎖、焦?fàn)t四車聯(lián)鎖、塔釜安全聯(lián)鎖、煤氣鼓風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖、大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備聯(lián)鎖等。其一，塔釜安全聯(lián)鎖，一般主要參數(shù)為溫度、壓力、液位;其二，煤氣鼓風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖、大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備聯(lián)鎖，一般主要參數(shù)為潤滑油壓、軸瓦溫度、電機(jī)定子溫度、振動(dòng)、位移、潤滑油油溫等。聯(lián)鎖程序設(shè)計(jì)的是否完備，保護(hù)動(dòng)作是否準(zhǔn)確可靠，直接關(guān)系到運(yùn)行的安全和穩(wěn)定。
2.1虛假信號(hào)和干擾信號(hào)問題
對(duì)于溫度、壓力、流量、液位等儀表信號(hào)，采用標(biāo)準(zhǔn)4mA～20mA電流信號(hào)傳輸。由于電磁環(huán)境、儀表接地等影響，在系統(tǒng)中偶爾會(huì)出現(xiàn)“虛假信號(hào)”或“干擾信號(hào)”。如果出現(xiàn)時(shí)間較長，強(qiáng)度足夠大，達(dá)到聯(lián)鎖停車值，會(huì)造成設(shè)備或塔釜裝置的誤停車事故。
2.2儀表斷信號(hào)和短路信號(hào)問題
因使用壽命，安裝位置不當(dāng)，環(huán)境振動(dòng)較大，運(yùn)輸過程等因素，造成儀表斷信號(hào)和短路信號(hào)的問題在生產(chǎn)過程中很常見。通過安裝前檢驗(yàn)，定期停車校驗(yàn)，定期更換等手段，能夠降低一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，但是不能完全確保不出現(xiàn)突發(fā)的故障問題。
2.3中間環(huán)節(jié)故障問題
所謂中間環(huán)節(jié)，是指控制系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊(包括AI，DI等)，溫度變送模塊，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊。這些中間環(huán)節(jié)故障時(shí)，有可能造成對(duì)某一個(gè)儀表測(cè)量點(diǎn)的影響，也有可能影響一組測(cè)量點(diǎn)。最終控制系統(tǒng)采集到的信號(hào)有可能直接觸發(fā)聯(lián)鎖程序，造成停車的安全事故。
2.4聯(lián)鎖測(cè)量儀表設(shè)計(jì)問題
不管是塔釜、還是煤氣鼓風(fēng)機(jī)、汽輪機(jī)等大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備，涉及到運(yùn)行安全的儀表測(cè)點(diǎn)諸如：軸瓦溫度、定子溫度、潤滑油壓力、軸位移、軸振動(dòng)、塔釜壓力、液位等，絕大部分聯(lián)鎖的儀表測(cè)量點(diǎn)采用單點(diǎn)測(cè)量，即一個(gè)儀表測(cè)點(diǎn)不管是正�；虍惓＃灰_(dá)到聯(lián)鎖值，聯(lián)鎖程序立即觸發(fā)動(dòng)作，執(zhí)行相應(yīng)保護(hù)。
3聯(lián)鎖程序設(shè)計(jì)優(yōu)化分析
上述聯(lián)鎖程序中存在的4個(gè)問題：在煤化工日常生產(chǎn)過程中重復(fù)出現(xiàn)的機(jī)率很大，任何一個(gè)問題的出現(xiàn)，對(duì)生產(chǎn)、裝置、設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行都會(huì)造成極大的威脅。通過分析存在的問題，進(jìn)而優(yōu)化、完善原有設(shè)計(jì)，采用預(yù)防性設(shè)計(jì)，提出聯(lián)鎖程序設(shè)計(jì)新思路，降低非計(jì)劃停車事故，提高生產(chǎn)的連續(xù)性、穩(wěn)定性、可靠性。
3.1聯(lián)鎖程序設(shè)計(jì)的軟件方面
考慮到現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境惡劣，變送器等儀表送入AI模塊的電流值存在波動(dòng)和尖峰干擾等情況，通過AI模塊采集得到的數(shù)值不能直接為CPU所用，必須經(jīng)過濾波處理，濾掉各種波動(dòng)和干擾等信號(hào)。濾波的方式一般分為軟件濾波的方法，如延時(shí)，取平均值等[1];硬件濾波的方法，如在輸入側(cè)并聯(lián)電容。
對(duì)于取平均值濾波的方法，以犧牲采集速度為代價(jià)，如果數(shù)據(jù)過多，用戶更改的范圍太大，有可能導(dǎo)致程序執(zhí)行時(shí)間超過CPU的最大允許掃描時(shí)間，導(dǎo)致CPU停機(jī)。在考慮設(shè)計(jì)濾波程序時(shí)，為消除偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制，信號(hào)經(jīng)過一個(gè)延時(shí)定時(shí)器模塊，在設(shè)計(jì)的延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，屏蔽干擾、異常信號(hào)，即不觸發(fā)聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作。
定時(shí)器功能描述，當(dāng)IN從FALSE變?yōu)門RUE時(shí)，觸發(fā)TON開始計(jì)時(shí)PT秒，定時(shí)時(shí)間到Q輸出TRUE。如果定時(shí)時(shí)間未到IN從TRUE變?yōu)镕ALSE，則定時(shí)器復(fù)位[2]。在聯(lián)鎖保護(hù)程序中，設(shè)計(jì)輸入信號(hào)質(zhì)量判斷程序。所謂質(zhì)量判斷程序，是指識(shí)別控制系統(tǒng)模塊中模擬量通道信號(hào)故障，即儀表出現(xiàn)損壞的信號(hào)，信號(hào)線路故障，模塊某一通道故障等問題。比如ABB公司的AC800F系統(tǒng)中，AI通道信號(hào)為0～28480，對(duì)應(yīng)4mA～20mA信號(hào)。
將當(dāng)前周期信號(hào)值與前一周期信號(hào)值作比較，在系統(tǒng)的兩個(gè)運(yùn)算周期內(nèi)，數(shù)值超過范圍值，即認(rèn)為是“壞”信號(hào)，系統(tǒng)保持上一周期數(shù)值顯示，同時(shí)發(fā)出報(bào)警，但不作聯(lián)鎖觸發(fā)。以上是根據(jù)控制要求，自己定義功能塊，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)質(zhì)量判斷。和利時(shí)HOLLiASMACSV6.5.3系統(tǒng)中，自帶“速率限制”功能塊，即限制輸入的單步增、減變化量在設(shè)定值范圍內(nèi)，可用于需要避免突變的控制場(chǎng)合。
速率限制(RATLIM)功能塊將當(dāng)前輸入信號(hào)IN和上周期的OUT值進(jìn)行比較，根據(jù)兩者差值與RATPOS、RATNEG的關(guān)系決定本運(yùn)算周期OUT值應(yīng)在上一個(gè)運(yùn)算周期的基礎(chǔ)上改變多少。這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入IN的變化率進(jìn)行限制，使得每個(gè)運(yùn)算周期功能塊輸出OUT的改變值在某個(gè)設(shè)定的范圍內(nèi)[3]。
通過以上延時(shí)濾波和輸入信號(hào)質(zhì)量判斷對(duì)聯(lián)鎖保護(hù)程序的優(yōu)化，能解決虛假信號(hào)和干擾信號(hào)問題，儀表斷信號(hào)和短路信號(hào)問題，以及模塊通道等中間環(huán)節(jié)故障的問題。通過軟件優(yōu)化的方式，雖然增加了前期程序設(shè)計(jì)的工作量，但幾乎沒有增加工程成本的投入，在后期控制系統(tǒng)升級(jí)、優(yōu)化改造時(shí)可參考采用。
3.2聯(lián)鎖程序的硬件方面
在不考慮工程成本投入時(shí)，所有涉及聯(lián)鎖保護(hù)的儀表測(cè)點(diǎn)，可采用雙點(diǎn)測(cè)量或多點(diǎn)測(cè)量的方式。在程序設(shè)計(jì)方面，一選一邏輯表決方法的安全性和可用性差。當(dāng)系統(tǒng)要求高安全性時(shí)，宜采用二選一的方式，其邏輯表決方法的安全性最好，但是其可用性差，即采用兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器，聯(lián)鎖信號(hào)取其一;當(dāng)系統(tǒng)要求高可用性時(shí)，宜采用二選二的方式，其邏輯表決方法的安全性最差，但其可用性最好，采用兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器，聯(lián)鎖信號(hào)同時(shí)取兩個(gè)。
當(dāng)系統(tǒng)的安全性和可用性均需要保障時(shí)，宜采用三選二的方式，其邏輯表決方法的安全性和可用性相比之下較好，采用3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器，聯(lián)鎖信號(hào)取任意兩個(gè)。當(dāng)某一個(gè)儀表出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)只是輸出報(bào)警，并不作聯(lián)鎖觸發(fā)動(dòng)作，只有當(dāng)同一測(cè)點(diǎn)，兩個(gè)測(cè)量值同時(shí)達(dá)到聯(lián)鎖值時(shí)，觸發(fā)聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作。但是要注意的是，儀表的輸入信號(hào)要接到不同的模塊中，降低模塊故障造成的影響。這樣設(shè)計(jì)，避免了由于儀表、模塊、中間環(huán)節(jié)故障的問題，提高了聯(lián)鎖保護(hù)可靠性和安全性。
4結(jié)束語
綜上，煤化工生產(chǎn)中的危險(xiǎn)工藝、塔釜裝置、大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的生產(chǎn)操作過程中，有很多潛在危險(xiǎn)因素，在具體操作和實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合工藝生產(chǎn)和安全要求，合理選擇安全聯(lián)鎖保護(hù)的形式，合理選用安全聯(lián)鎖設(shè)備和設(shè)計(jì)安全聯(lián)鎖保護(hù)程序，可以在一定程度上降低安全事故發(fā)生的概率。通過以上對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)儀表聯(lián)鎖設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)的分析和探討，為不斷提高現(xiàn)代化企業(yè)自動(dòng)控制水平，加強(qiáng)工藝過程的安全控制力度，為煤化工企業(yè)安全自動(dòng)聯(lián)鎖控制提供一個(gè)解決思路。
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