ABB PLUTO安全PLC在乙炔氨自控联锁装置ESD系统中的应用

师海雄

(重庆浦仁达科技有限公司，重庆 400020)

一 概述

随着石油化工装置的日趋大型化，工艺过程的不断复杂化，生产过程中发生危险的可能性也呈增大趋势，加之人们对产品的质量、设备、人身、环境的保护等因素的要求使得独立于控制系统的安全联锁显得十分必要，这种专用的安全保护系统就是——ESD紧急停车系统(Emergency Shutdown Device)。ESD适用于高温、高压、易燃、易爆等场合，可以对生产装置可能发生的危险或不采取措施将继续恶化的状态进行及时响应和保护，使生产装置进入一个预定义的安全停车工况，从而使危险降低到可以接受的最低程度，以保证人员、设备、生产装置和环境的安全。在讲究高效安全生产的石油化工行业，如今投入ESD系统已是众多企业的选择，并成为保证生产可靠性与安全性，提高经济效益的必要手段之一。

重庆方鑫精细化工有限公司乙炔氨自控联锁装置工程项目属改造项目。作为一个典型的精细化工装置，反应温度压力高、易燃易爆且中间产物含剧毒易挥发，此外整个项目工艺流程复杂，中间环节众多，任何一个环节出错均会导致其他环节不能正常工作，甚至前功尽弃，因此要实现整个装置的安全稳定连续生产，这就要求必须配置先进的、高可靠的设备，配置能充分满足石油化工装置及机组的紧急停车和安全联锁的ESD系统。基于此考虑，其选用了 ABB PLUTO安全PLC。Pluto是一种可编程的安全系统，用于防止控制系统出现故障而引起的安全功能丧失，因此系统设置了整体冗余和监控。和普通的PLC不同的是Pluto采用了2个微处理器，同时对每个安全功能进行控制和监控，以保证正确的运行。系统的每个输入都单独连接到每个处理器，各自有独立的内存并执行各自的程序。处理器通过连续的对结果进行比较，来确保数据的完整性。每个安全输出都连接到两个处理器，在应用程序中，两个处理器都要检查逻辑条件是否满足，否则不能置位。

二 ESD系统结构特点

1.重庆方鑫精细化工有限公司乙炔氨自控联锁装置工程项目，ESD系统采用了ABB PLUTO安全PLC，其处理器是为了完成特定的任务而进行组态和编程。通过高性能的工业控制网络及分散处理单元、过程I/O、数据通讯系统、人机接口和过程控制软件等来完成装置的监视、保护和控制。PLUTO硬件安全、可靠、先进。系统应易于组态，易于使用，易于扩展。

ESD装置可以ModBus RTU或OPC的方式完成与DCS系统的通讯。

2.该系统将在生产装置内经过现场调试，并接上输入输出信号后即可满足本装置的过程控制与联锁保护、参数报警、数据记录与归档等功能要求，并能安全可靠地运行。

3.系统基本组成

1)ESD系统应为操作员及工程师提供用于监控、操作、组态及维护的良好人机接口设备——操作站及工程师站，且操作简单方便。对不同级别的操作人员(操作员，工长，系统工程师等)的操作权限采用密码或其它方式加以限制。

2)本工程设置了1个操作员站(工业级计算机，同时兼做工程师站用)，1个独立的辅助操作台。工程师站用于系统开发与维护、参数设置等功能。辅助操作台用于ESD系统联锁停车功能。作为报表与事件记录输出设备，本装置的控制室内设置1台激光打印机，完成报表、历史记录、故障诊断信息输出等功能。(见图1)。

3)本工程设置ESD系统机柜1个，用于控制器及I/O卡件等功能模件的安装及信号信号调理器等元件的安装。

ESD系统控制器通过智能型、冗余型过程I/O卡件、连接端子以及必要的信号调理设备，完成离散的数据采集与控制功能。控制器与智能I/O卡件之间通过专门的I/O总线通讯，其通讯速率均不应低于5MBPS。所有系统卡件均支持DIN导轨安装方式，且均安装在系统机柜内。

图1 ESD系统配置图

4.工艺简介和系统规模

重庆方鑫精细化工乙炔氨自控联锁装置工程项目根据工艺划分为四个单元，一单元是电石在发生器内水解生成的乙炔气经洗泥器洗涤冷却至70℃左右，经正、逆水封后，进入乙炔气柜;二单于是乙炔气经管道进入冷却塔，冷却降温后的乙炔气经水环压缩机加压后进入二级串联的清净塔，利用次氯酸钠的强氧化性质，除去硫化氢、磷化氢等杂质;三单元是经清净后的乙炔气进入中和塔被碱液所中和，然后送往转化合成工序;四单元是乙炔气进入反映釜与送入反应釜内的氨气进行反应。

整个项目中共有3个乙炔气柜，2台乙炔输送泵，7台压缩机，9个反应釜，9个液氨贮罐，3个冷却塔。本项目ESD系统主要作用在这些工段，乙炔气柜出口设DN200气动紧急切断阀3台;反应釜进口设DN50气动紧急切断阀9台;液氨贮罐进口设DN65气动紧急切断阀9台;ESD系统设辅助操作台1套，用于在外界环境(乙炔气体泄漏或火灾)对管道运行带来危害时，操作人员可以手动操作切断整个系统运行或部分工段设备运行，确保安全。

系统具体配置如下：

1)ESD点位统计

数量DI DO AI AO压力报警设定器9 9乙炔反应釜搅拌检测9 9反应釜温度报警设定器9 9反应釜压力报警设定器9 9乙炔氨储罐温度报警设定器9 9环境温度报警设定3 3乙炔输送泵电源接触器2 2压缩机断电接触器9 9乙炔输送泵状态2 2 2压缩机停车状态9 9 9反应釜进料切断阀9 9釜底切断阀(反应釜出口)9 9冷凝器出口切断阀3 3乙炔柜出口切断阀2 2乙炔氨气柜进料切断阀3 3氨蒸发器进口切断阀1 1急停1进料停止1温度高报警1压力高报警1联锁指示1联锁复位1

2)ESD配置清单

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3)ESD系统IO卡件配置

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4)ESD配置说明

所有IO点数按照至少20%的比例留有余量。

本安全联锁自控系统在安全联锁部分采用具有SIL2以上本质安全认证的安全控制器，可在联锁状态时按照预先设定的联锁逻辑，紧急停止(或启动)关键设备，以达到安全控制的目的。

选用ABB PlutoB安全PLC控制系统，PlutoB是一种可编程的安全系统，并通过了严格的本质安全认证(SIL3)，用于防止控制系统出现故障而引起的安全功能丧失，因此系统设置了整体冗余和监控，和普通的PLC系统不同的是Pluto采用了两个微处理器，同时对每个安全功能进行控制和监控，以确保正常的运行。系统的每个输入都单独连接到每个处理器，各自有独立的内存并执行各自的程序。处理器通过连续的对结果进行比较，来确保数据的完整性。系统的输出均为故障安全型。每个安全输出都连接到两个处理器，在应用程序中，两个处理器都要检查逻辑条件是否满足，否则不能置位。

系统最终形成3个I/O机柜，配置3台操作员站及单独的ESD辅操台。系统配置为网络冗余、控制冗余、电源冗余。ESD系统按照SIL2等级设计，配置浪涌保护器、温变、报警设定器、安全栅等符合化工相关规范要求的安全措施。

5.控制功能

过程控制器接受过程变量的输入信号，然后对输入信号进行处理，存放到相应的数据库中显示或计算，传送输出信号至最终控制元件。

(1)系统对模拟量提供线性化、补偿、累计、开方和报警功能;系统对开关量提供报警和状态变化的检测。

(2)系统能够完成调节控制、连锁逻辑、手动操作，由标准算法或用户程序组合而成的自动顺序。

(3)调节控制功能至少包括各种PID算法(反馈、前馈、开关、比率、超前/滞后等)、标准计算(加、减、乘、除、复合运算等)、基本的控制功能(开关、限幅、高/地选择等)、自适应控制功能。

(4)连锁控制功能包括用于调节控制的布尔逻辑和用于开关控制的梯形逻辑。

(5)顺序控制功能可以执行启动/停止顺序、批量处理或任何预先定义的程序步骤。

6.画面功能

HMI画面为操作员了解生产过程状态提供了显示窗口，并能支持以下几类画面。

(1)总貌画面：显示系统各设备、装置、区域的运行状态以及全部参数变量的状态，测量值、设定值、控制方式(手动/自动状态)，高低报警等信息。从各显示块可以调出其他画面。

(2)分组画面：以模拟仪表的表盘形式按事先设定的分组，同时显示几个回路的信息：如过程参数变量的测量值，调节器的设定值、输出值、控制方式等。变量值每秒更新一次，分组可任意进行，操作员可从分组画面调出任一变量(模拟量或离散量)的详细信息。对模拟回路可以手动改变设定值、输出值、控制方式等;对离散量可以手动操作设备的开启和停止，画面显示出指令状态和实际状态。

(3)单点画面(调整画面)：显示一个参数，控制点的全部信息以及实时趋势和历史趋势。从调整画面也可以直接对模拟回路进行设定、调整操作。

(4)趋势画面：系统具有显示高速公路上任何数据点趋势的能力，并在同一坐标轴上显示至少四个变量的趋势记录曲线，有可供用户自由选择的参数变量，不同颜色和不同的时间间隔，也可以对数据轴进行任意放大显示。

(5)报警画面：显示当前所有正在进行的过程参数报警和系统硬件故障报警，并按报警的时间顺序从最新发生的报警开始排起，报警优先级别和状态用不同的颜色来区别，未经确认的报警处于闪烁状态。

报警内容包括：报警时间;过程变量名;过程变量说明;过程变量的当前值;报警设定值;过程变量的工程单位;报警优先级别。

(6)流程画面：生产装置的图片、工艺流程图、设备简图、单线图等都可以在HMI上显示出来，每个画面都括字母数字字符和图形符号，通常采用可变化的颜色、图形、闪烁表示过程变量的不同状态，所有过程变量的数值和状态每秒动态刷新，操作员在此画面对有关过程变量实施操作和调整。

7.报表功能

控制系统按照预先定义的格式打印报表，报表数据的收集和打印是按照用户定义的时间间隔自动进行，报表打印通常采用事件驱动方式或操作员命令方式，报表软件自动产生所有的标题和表头。

8.历史数据存储功能

控制系统对报警、连锁、操作指令的变化等事件及其日期、时间作为历史数据加以储存。有足够历史数据的磁介质存储空间，并具有可扩充至外部存储设备和磁带机、光盘等。当发生数据丢失及磁介质空间不足时有报警。

三 ESD系统的应用

重庆方鑫精细化工乙炔氨自控联锁装置ESD系统主要应用如下：

1.自动控制：本项目中ESD系统在正常情况下是对于一些关键的工艺及设备参数进行连续的监测，在正常情况下ESD是“静止的”，不采取任何动作。但是当参数发生异常波动或故障时(超温、超压)，它会按照已定的程序采取相应的安全动作，使装置停在安全水平线上。

2.手动控制

1)辅助操作台面板上设置有1#--7#压缩机急停按钮，操作人员只需轻轻按下相应急停按钮，便可随时停止对应压缩机的运行状态。

2)操作人员只需轻轻按下辅助操作台上“乙炔输送泵急停按钮”，便可随时停止乙炔输送泵的运行状态。

3)操作人员在接到紧急停车指令或在被授权允许的情况发生时，可按下“联锁停车”按钮，确保系统紧急停车停料。

4)一旦出现了超温、超压、停车、停料事件，在事件原因得到有效排除后，被授权的操作人员需要点动“联锁复位按钮”进行确认，才能使系统解除联锁，恢复正常运行状态。相反，如果ESD控制系统未收到复位指令，它会认为上一次出现的异常未得到消除，所以会继续保持联锁停车停料动作，保证整个系统处于安全状态。

四 结束语

ABB是一个提供高新技术的企业，它为世界各地的用户提供用于自动化控制的软件、硬件和技术服务以及嵌入式计算。我们为用户提供一个独特的，灵活的，超可靠的技术基础，使得他们在包括能源、水处理、消费品、国防和防御，以及通讯等产业领域获得持续的优势。而ABB公司所推出的PLUTO安全PLC不论是在性能或价格方面都体现了它的极大优势，尤其是在ESD系统中起到了安全保护的作用，投资少、操作灵活，具有推广价值。