ESD的事件顺序记录在大型合成氨尿素项目中的应用

付荣申

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

国外某大型合成氨尿素项目主装置为0.67 Mt/a合成氨和1.07 Mt/a尿素，并配套有热电站、生产水系统、氨罐、包装储运等辅助装置，属于大型化工项目，联锁保护系统较为复杂。根据危险与可操作性分析方法(HAZOP)和安全完整性等级(SIL)的定级报告，该项目中部分联锁回路被确定为SIL2及以上等级，因此这部分回路的安全联锁需要在紧急停车系统(ESD)中完成[1-2]。本文结合事件顺序记录(SER)在该大型合成氨尿素项目ESD中的实际应用，对SER的概念、变量筛选、变量分组以及时钟同步等问题进行了研究，希望为类似项目的设计提供参考。

1 紧急停车系统

根据该项目的特点，结合ESD负荷计算[3-4]，在合成氨装置、尿素装置和热电站分别设计了独立的ESD，即该项目共采用3套独立的ESD，3套系统间通过冗余的工业以太网进行连接，既可以单独运行，又可以联网运行；其中合成氨ESD完成合成氨主装置和氨罐的ESD联锁，尿素ESD和热电站ESD则各自完成其装置内的ESD联锁。ESD整体结构如图1所示。

图1 国外某合成氨尿素项目ESD结构示意

2 事件顺序记录

3套ESD分别配置有单独的SER站，并配套专用的SER软件，用于记录故障停车发生的时间和类型[5]。SER的目的是帮助分析事件的发生顺序，特别是停车事故的分析。通常SER能以毫秒级的分辨率获取事件信息，能非常精确地反映事件情况，为事故分析提供有力的证据。

SER是一种带同步时间戳的开关量事件，即SER模块不仅需要采集开关量的状态，还要同步记录开关量状态变位发生的时刻；并把采集到的开关量状态和变位发生的时刻一并发送给主控制器处理后，再保存于ESD的SER站中。通常SER模块仅能记录某分钟内的毫秒值，待上报控制器后，由控制器将毫秒值与本地事件合成，得到准确的事件。

2.1 SER分辨率

SER的输入输出变量全部为开关量信号，它以高分辨率分辨各个信号状态变化的先后次序，帮助在事故情况下分辨故障的原因并找出首发故障[6]。开关量事件分辨率是指以2个连续的变位信号接入同一个开关量通道时，IO采集模块对变位信号的最小滤波时间。

为了获得毫秒级的分辨率，SER配有专用的硬件支持，以满足相关标准的要求，不同标准下的SER分辨率见表1所列。

表1 不同标准下的SER分辨率[7]

2.2 变量的筛选

SER站的输入输出变量全部为开关量信号，但并不是所有的ESD变量都有作为SER变量的必要。在SER组态的先期，应合理地筛选SER变量，使其数量精简，从而可减少系统的运行负荷，提高SER的响应速度。

该项目ESD的输入输出变量共计490多个，其中筛选了289个作为SER变量，包括联锁的触发条件变量、联锁的输出动作变量、与其他系统往来的硬接线变量等，保证了SER查找事故的必要数据；而时间计时器、通道状态、开车条件、到DCS的指示报警变量、去辅助操作台的报警灯等，均未加入SER变量中，方便了用户的使用。

2.3 变量分组

设置SER变量分组主要是为了帮助快速查询事件产生的原因、执行动作的先后顺序等，但以上查询不是同时用到。如查询某个事件产生的原因，只需查询相关输入变量的先后顺序；查询某一串执行动作的选后顺序，只需排列出相关输出变量的先后顺序。因此，如果事先不对SER变量进行分组，SER记录可能是输入变量、输出变量、中间变量的混合记录，不利于事件的查找和分析。

此外，有时1套ESD将同时容纳多套相对独立的装置或功能分区的逻辑，也需要对SER变量进行分组。需要说明的是，很多系统的SER变量在定义时就需要分组，因此在该项目组态初期，就对SER变量提前进行了分组。

首先根据系统内的不同功能区域进行分组，如并行的几个生产系列、相对独立的几台机组的控制等。即使这些生产系列或机组控制分布在不同的ESD控制器中，由于这几套ESD控制器可能共用1套SER服务器，因此SER变量的分组也是必要的。该项目中把SER变量按照装置及联锁功能的不同进行了分组，例如氨罐进出口阀门的ESD联锁，分组为氨罐ESD组；一段炉进出口风机的ESD联锁，分组为一段炉组。

对于有严格时序控制的联锁，顺序步序号也是分析事件过程的重要参数，应单独分组。例如合成氨装置紧急停车联锁，其步序号也进行了必要的分组，方便后期分析是哪一步触发了联锁跳车。

2.4 时钟同步

为保证同一装置不同系统间历史趋势、SER数据时间的一致，需要在系统间做时钟同步[8]。比如SER记录中的变量触发时间是从控制器中带来的时间标签(time stamp)，它以控制器时钟为基准；而SER站的时钟可能是当前工程师站PC机的时钟，两者未必一致；同样，它与操作员站的时钟也不一定相同。因此，只有在时间基准相同的前提下，才可以对模拟量的趋势记录和SER事件记录进行比较、判断，时钟同步方法有很多，比如GPS受时、NPT受时、DCS纠偏受时等，有时需要几种受时方法同时配合使用，时钟同步系统结构如图2所示。

图2 时钟同步系统结构示意

在该项目中，DCS配置了时钟同步服务器和时钟信号分配器，DCS控制节点、操作节点和二级时钟服务器的时钟将与一级服务器同步。ESD和其他第三方系统采用Modbus通信方式与DCS之间进行时钟同步，DCS每天通过Modbus向所有与DCS通信的第三方包发送1个同步脉冲信号完成时钟同步，该项目时钟同步系统可达到1 ms级控制站的时间同步精度。

2.5 SER的测试

在调试过程中，可以人为改变开关量信号的逻辑值，然后在SER程序中查看记录是否正确[9]，也可将同一个开关量的变位信号同时接入相同主控器管辖下的不同SER模块，计算各模块之间记录事件时刻的最大与最小时刻之差。

3 结束语

综上所述，该项目在合成氨装置、尿素装置和热电站装置分别设计了ESD的SER站，采用高分辨率的SER卡件，精确地反映了事件发生的情况；对SER输入变量进行筛选和分组，提高了SER的响应速度，也方便了用户的使用；通过合理的时钟同步方案，确保了SER数据时间的一致。上述SER方案的设计与实施，有利于装置紧急停车后对停车原因的分析和问题的排查。ESD中的 SER作为重要的非正常停车事故的分析工具，越来越多地被应用于现代化工项目中。