研究關鍵單元集成控制的工程設計

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1特殊工藝單元和關鍵控制中SIS和DCS集成控制必要性

SIS是靜態操作，把系統的可靠性放在首要位置，因此常規的操作不在SIS上進行，以免誤操作造成意外停車，目前的SIS系統中也不提供功能強大的PID控制運算模塊，即使是在某些特定場合，如機組控制中，工程人員也只用簡單的PID控制來實現。SIS里面的順序控制也只是強調邏輯運算而非控制運算功能，在順控過程中夾雜有復雜的控制場合，如有程序升溫，程序泄壓等復雜控制時，SIS將無法滿足控制要求，這些復雜控制功能只能由DCS來實現，而SIS只執行相關安全聯鎖的程序。此外，煉油裝置中大量的特種閥門用于裝置的關鍵控制，例如催化裂化裝置的再生／待生滑閥、延遲焦化裝置的四通閥等，這些特種閥門可靠性高，投資巨大，用于關鍵控制。以催化裂化為例，正常生產過程中再生滑閥的開度控制了催化劑循環量，直接影響到反應溫度，在正常生產中，該閥作為提升管出口溫度控制回路的輸出執行機構，而在事故狀態下，該閥響應SIS的控制命令全關，保證反應器和再生器切斷以及裝置安全，因此該閥在控制方案設計中就必須能實現同時接收來自DCS和SIS的控制命令，分別實現正?？刂坪桶踩撴i，且安全聯鎖的命令享有更高的優先級別。對于這種特種閥門，無論是從投資還是工程的角度來看，依據安全儀表系統中閥門冗余的要求來設置都是不適用的，這種情況也導致了SIS和DCS的集成控制情況的存在。

2SIS和DCS集成控制的工程設計

SIS的核心由檢測輸入，執行機構，邏輯運算單元組成，在與DCS集成控制中，這三部分都有自己的工程設計原則和實現方法。2．1檢測輸入的工程設計檢測輸入包括現場變送器檢測的AI、DI等信號，對于安全度等級為二級的安全系統要求檢測器應單獨設置，與過程系統分開，但在很多項目中，限于設備和投資情況，檢測器共用的現象仍比較普遍，只在機柜間實現不同系統之間的信號分配，工程中常見的方法包括：（1）SIS作為信號的轉接和輸出平臺某氣化爐項目中，控制系統采用浙江中控（SUPCON）的ECS－700系統，SIS系統采用ICS的TRUST系統，在氣化爐進料和加熱爐中存在大量的檢測信號需進入DCS和SIS中。本項目中，檢測信號依據SIS的設計規范首先接入到SIS系統，SIS系統安裝有接收不同信號種類的IO件，這些卡件的輸入／輸出點采用硬接線的方式,重要參數采用三取二表決，信號分別接到3個不同的輸入卡，SIS和電氣之間信號（設備的啟停、設備的狀態），以及到電磁閥的信號用中間繼電器隔離。當輸入信號同時需分配到SIS和DCS時，硬接線先接到SIS的輸入卡，經SIS的輸出卡輸出送到DCS，其中參與到DCS控制的點應采用硬接線，不作為DCS控制的輸入或輸出參數采用通訊模式。該方案的設計保證了SIS信號輸入的安全和時效，SIS系統的信號從輸入到輸出一般小于50ms，對于DCS的200～500ms執行周期來說，這個額外的信號傳輸時間是完全可以接受的。方案中1個現場來的AI信號對應自控系統的2個AI（SIS和DCS），1個AO（SIS輸出到DCS），而參與聯鎖但不參與DCS控制的點可采用通訊模式由SIS傳輸到DCS，可減少SIS和DCS的IO卡件數量和接線工作量，減少自控系統成本。（2）一入二出的信號分配一入二出的信號分配指現場變送器信號在現場機柜室內通過安全柵、隔離器、報警器等設備實現一路現場信號分配成兩路，分別送至DCS和SIS系統的方法。雖然《石油化工安全儀表系統設計規范》并不推薦在安全等級度二級要求的情況下采用一入二出的信號分配方法，但對比SIS轉接的方案，一入二出的方案減少了SIS信號至DCS的AO或者DO卡件，同時一入二出信號分配器設計和安裝施工便利，這些因素使得一入二出的信號分配模式仍然在很多項目中大量存在。對于一入二出的信號分配，工程設計和實施中需要注意以下兩點：根據現場信號（AI、DI、本安、非本安等）選擇合適的信號分配器類型，如安全柵、隔離器、報警器等；其次，信號分配器必須安裝在SIS系統機柜內，由SIS系統供電。2．2系統輸出的工程設計執行器機構目前的方法有幾種常見的方式，有早期的利用繼電器實現DCS和SIS共同操作現場閥門的方案；有DCS操作工藝閥門，而SIS控制閥門的氣源電磁閥的方案；以及利用SIS作為操作平臺，DCS的所有閥位操作通過SIS來完成。2．2．1繼電器回路早期的硬接線和繼電器回路仍可在DCS和SIS的集成控制中發揮作用，浙江中控實施的某PVC項目通過繼電器回路實現安全儀表系統和DCS系統對閥門的控制，圖2是兩控制系統自動切換原理圖，正常生產中通過繼電器的帶電吸合使DCS到閥門的回路接通，當SIS系統動作需使現場閥門進入安全狀態時，利用安全盤上的切換開關，通過切換兩個系統的供電使繼電器的動作由SIS到閥門的回路接通，DCS到閥門的回路斷開。這種利用繼電器回路實現閥門動作存在較多的缺陷，如繼電器存在接點粘住（on－stuck）的固有故障幾率、接線煩瑣。同時由于雙回路的存在，不同系統的供電存在電位不等導致電流反串等現象（需通過加裝反向二極管來避免），但較低的投資仍然讓這種設計出現在一些安全等級要求相對較低的化工裝置。2．2．2換向電磁閥此方案中關鍵閥門的設計帶有氣源換向電磁閥的氣動閥，SIS的執行器是有源換向電磁閥FY14191B，DCS的最終執行原件是氣動閥門定位器FY12191A。正常生產時DCS的控制回路FIC14191通過執行器FY14191A實現對閥門的操作，事故狀態下，SIS通過換向電磁閥FY14191B使閥門FV14191進入預設的安全狀態（聯鎖號I12200）。DCS和SIS各自有自己的執行原件，控制系統中DCS和SIS各有相應的AO信號來實現對閥門FV14191的集成控制，這種方案使DCS和SIS的硬件界面劃分清楚，控制方案也各自獨立，避免了DCS和SIS之間的軟、硬件和控制方案交集，對于DCS系統和安全儀表系統的維護和操作來說也具有很大的便利性，然而，由于各自執行原件的存在，使現場儀表數量和現場布線的工作也大大增加，導致現場儀表投資昂貴。此外，由于安全儀表系統的故障有85％是由現場儀表原因導致，這種方案也增加了SIS系統的故障頻次。2．2．3SIS作為閥門的操作平臺此方案中最終現場執行元件的接線必須接至SIS，DCS對閥門的操作通過SIS系統完成，DCS到SIS操作指令可通過硬接線或者通訊指令的模式（通常采用MODBUS－RTU協議）實現。雖然設計規范中對通訊模式的控制并未明確禁止，但是通訊模式在控制中被認為是一種不可靠的模式，通訊速率的缺陷導致了通訊模式不可能滿足控制的時間要求，特別是特殊單元通常有大數據量通訊，而DCS系統從接收檢測信號，執行控制運算，最后完成AO輸出的時間不超過200ms，SIS的響應速率更是小于100ms，這樣通訊已成為控制環節中最薄弱的一環，此外通訊還存在丟包，易受干擾、風險集中（大量數據是數據包形式，通過一根數據線發送）等缺陷，這更增加了通訊模式用于控制的不可靠性，而一些專利工藝對某些單元的控制采用通訊模式是不合適的，這主要是由于專利工藝商的優勢只是工藝開發，而對自控專業的設計能力存在欠缺。另一種更為可靠的方法以SIS系統作為執行元件的操作平臺。需同時參與安全聯鎖和控制的閥門從現場通過硬接線至SIS系統，DCS系統通過硬接線把AO／DO信號傳給SIS系統，由SIS系統經邏輯運算后把DCS來的AO／DO信號保持數值不變，通過SIS的AO／DO卡件賦值給閥門，這樣就達到了DCS對現場閥門按需控制的目的。這種方案中，完成一個控制系統手操器類型的現場執行元件操作需要有1個SIS系統AO／DO點用于對現場執行元件控制，1個SIS的AI／DI點用于接受DCS的AO／DO信號，以及DCS系統本身的1個AO／DO，因此本方案下控制系統和安全系統的投資成本將會有較大的增加，但相比通訊模式，這種方案的安全性能得到較好保證，是目前裝置自控設計的推薦方法。2．3邏輯運算單元DCS的控制運算無論在有無集成控制的情況下并無不同，都是按照工藝控制的需求完成PID、順控等。集成控制中，SIS的邏輯運算單元除了監視裝置的聯鎖工藝條件外，還承擔傳遞現場檢測信號給DCS系統和DCS的AO信號傳遞到現場執行單元的功能，因此SIS的邏輯運算中增加了現場位號和輸出位號到DCS位號的數值傳遞功能，需要SIS的邏輯單元完成位號間的賦值。正常生產中，SIS系統的邏輯運算的輸出結果是靜態的、保持不變，而DCS是動態的、主動的，控制閥動作需隨控制信號的變化而變化，不會長期停留在某一位置，針對SIS和DCS對閥門等不同的控制需求，SIS的邏輯運算中增加了選擇輸出功能：正常生產中，SIS輸出到最終執行元件的結果是DCS控制運算結果；事故狀態下，通過對裝置是否進入聯鎖狀態進行判斷，事故狀態時使SIS邏輯預設輸出被選擇，執行元件按SIS預設的執行動作使現場閥位進入安全狀態。

3結束語

SIS和DCS對關鍵控制單元和關鍵控制點上出現集成控制時，需對兩套系統的檢測輸入、邏輯運算、系統輸出這幾個方面進行針對性的工程設計，本文敘述的工程案例均可實現良好的控制功能和安全保障，具體方案的設計和選擇需根據項目實際情況，依據裝置的安全等級要求、投資、控制需求等各方面的因素綜合考慮。

作者：魯勛吳珍仙單位：浙江中控技術股份有限公司