基于HiaGuard 的蜡油加氢装置安全仪表系统设计

2020-08-07高金宇张玉广

现代计算机 2020年18期

高金宇，张玉广

（河南职业技术学院，郑州450046）

0 引言

蜡油加氢装置是石油化工装置的重要一员。所有石化装置都具有高温、高压、易燃、易爆、工艺复杂且连续性强、安全要求高等特点，蜡油加氢装置也不例外。为了最大限度地降低装置恶性事故发生的概率，减少计划外停车，避免重大人身伤害及重大经济损失的事故发生，一套安全可靠，动作及时的SIS 系统必不可少。

安全仪表系统(SIS)是一种独立于生产过程控制系统（DCS）的用于大型装置的安全联锁保护系统，其对装置设备的安全保护贯穿于生产过程的所有阶段。无论是生产装置本身出现故障引发的危险，还是人为因素导致的危险以及一些不可抗拒因素引发的危险，SIS 都能够立即作出正确反应并给出相应的逻辑信号，使生产装置安全联锁或停车，阻止危险的发生和事故的扩散，使危害减少到最小。

1 蜡油加氢装置联锁保护

本文中所述的蜡油加氢装置包含的主要设备有3台加热炉、1 套空气预热系统、2 台反应进料泵、1 座汽提塔、1 座分馏塔和2 台循环氢压缩机。蜡油加氢装置采用DCS 系统对常规信号进行检测和显示，需要参与联锁保护的信号则通过SIS 系统进行采集。当蜡油加氢装置运行正常时，DCS 系统和SIS 系统各自独立工作，互不影响；当蜡油加氢装置运行异常时，DCS 系统首先发出报警信号，提醒操作员及时进行操作调整，使报警参数回到正常值。若操作员的操作调整无效，报警参数继续向联锁值方向变化，直至达到联锁值，则SIS 系统启动，使蜡油加氢装置联锁停车，确保装置安全。

1.1 加热炉联锁保护

当出现下列情况之一时，联锁停加热炉：加热炉顶压力高，加热炉顶温度高，加热炉主火嘴燃料气压力低，加热炉长明灯压力低，现场或控制室急停按钮按下。此时，关闭主燃料气切断阀和风道挡板，同时打开放空阀。若是因为加热炉长明灯压力低触发联锁停炉，还要关闭长明灯切断阀。

1.2 空气预热系统联锁保护

蜡油加氢装置空气预热系统主要包含空气预热器、引风机和鼓风机等设备。当出现下列情况之一时，联锁停空气预热系统：空气预热器入口烟气温度高，引风机入口烟气温度高。此时，打开烟囱挡板，关闭烟道挡板，停鼓风机和引风机。

1.3 反应进料泵联锁保护

反应进料泵是往反应器中输送反应原料的动力装置，当出现下列情况之一时，联锁停反应进料泵：混氢流量低，现场或控制室紧急停车按钮按下。此时，停止进料泵并关闭反应进料切断阀。

1.4 汽提塔联锁保护

汽提塔联锁保护分为汽提塔火灾隔断阀联锁保护和汽提塔回流罐火灾隔断联锁保护两个部分。当现场或控制室汽提塔火灾隔断紧急停车按钮按下时，启动汽提塔火灾隔断阀联锁保护程序，停汽提塔底重沸炉泵并关闭汽提塔底火灾隔断阀。当现场或控制室汽提塔回流罐火灾隔断紧急停车按钮按下时，启动汽提塔回流罐火灾隔断联锁保护程序，停汽提塔回流泵并关闭汽提塔回流罐底火灾隔断阀。

1.5 分馏塔联锁保护

分馏塔联锁保护分为分馏塔火灾隔断联锁保护和分馏塔回流罐火灾隔断联锁保护两个部分。当现场或控制室分馏塔火灾隔断紧急停车按钮按下时，启动分馏塔火灾隔断联锁保护程序，停分馏塔重沸炉泵和重整进料泵并关闭分馏塔底火灾隔断阀。当现场或控制室分馏塔回流罐火灾隔断紧急停车按钮按下时，启动分馏塔回流罐火灾隔断联锁保护程序，停分馏塔回流泵和轻石脑油泵并关闭分馏塔回流罐底火灾隔断阀。

1.6 循环氢压缩机联锁保护

循环氢压缩机是为蜡油加氢装置提供氢气的关键动力设备，结构复杂，价格昂贵，安全要求高。当出现下列情况之一时，联锁停循环氢压缩机：控制室紧急停车按钮按下，循环氢压缩机入口分液罐液位高，带动压缩机转动的电机定子温度高，润滑油总管压力低。除此之外，循环氢压缩机的启动也有严格的条件限制，只有当盘车开关闭合、润滑油温度大于等于10℃、润滑油压力大于等于0.25MPa 并且控制室的允许启动按钮按下时，循环氢压缩机才能启动运行。

2 HiaGuard系统介绍

HiaGuard 是和利时集团面向工业自动化安全应用开发的一套安全仪表系统（SIS）。该系统通过TUV Rheinland Industrie Service GmbH 认证，满足IEC 61508/IEC 61511 中定义的SC3 系统能力等级和SIL3安全完整性等级。HiaGuard 系统采用2oo3D 架构，适用的应用包括紧急停车系统、火气监测系统、燃烧炉管理系统、紧急跳闸系统、过程停车系统以及关键过程控制。

HiaGuard 系统为机笼扩展式结构，机笼之间采用三重冗余的I/O BUS 相连，系统最少有一个主机笼，并根据I/O 点数的增加，最多可连接3 个扩展机笼。一套HiaGuard 系统最多可配置37 块I/O 模块，最多可容纳1184 个开关量信号或者592 个模拟量信号。其中主机笼可容纳2 个通讯模块、3 个控制器模块和7 个I/O 模块，扩展机笼可容纳10 个I/O 模块。SGM201 是Hia-Guard 系统的控制器，每套三重化的HiaGuard 系统包括三个独立的控制器，每个控制器控制三重化系统的一个独立通道，三重化的三系控制器之间同步运行，控制器的降级方式为3-2-0。SGM210 是HiaGuard 系统的通讯模块，用于实现SGM201 控制器与外界的数据交换。的通讯模块，用于实现控制器与上位机之间的数据交换。支持冗余配置，冗余通讯模块之间无扰切换，所有的通讯接口均支持热插拔。通过以太网与工程师站通讯，进行下装工程组态程序，上报系统内部信息。

HiaGuard 系统的软件设计部分主要有工程总控软件实现。该软件主要包含图形编辑器、Safe-AutoThink和操作员在线三部分。图形编辑器是图形画面编辑软件，运行于工程师站。用户可通过该工具生成在线操作的流程图和界面模板。该软件针对不同行业提供了丰富的符号库，以方便用户绘制美观实用的界面。它还支持用户自定义符号库。Safe-AutoThink 是SIS（HiaGuard）控制器算法组态软件，运行于工程师站。该软件集成了SIS（HiaGuard）控制器算法的编辑、管理、仿真、在线调试以及硬件配置功能，支持IEC61131-3 中规定的LD、FBD 两种语言。操作员在线是监视和控制软件，运行于操作员站。完成实时数据采集、动态数据显示、过程自动控制、顺序控制、高级控制、报警和日志的检测、监视、操作，可以对数据进行记录、统计、显示、打印等处理。

3 蜡油加氢装置SIS系统设计

3.1 系统配置

蜡油加氢装置SIS 系统采用和利时集团的Hia-Guard 系统，由1 面系统机柜和5 面扩展机柜组成，所有机柜全部放置在现场机柜间，并配置1 台工程师站和两台操作员站。其中，1 台工程师站和1 台操作员站放置在现场机柜间，另1 台操作员站放置在中控室。现场机柜间的工程师站和操作员站通过工业以太网实现与SIS 系统的通讯，中控室的操作员站则通过光纤实现与SIS 系统的通讯。蜡油加氢装置SIS 系统的配置如图1 所示。

图1 蜡油加氢装置SIS系统配置

3.2 硬件配置

根据I/O 信号类型和数量，并考虑各类型信号至少20%的备用量，蜡油加氢装置SIS 系统的主要硬件配置有AI/DI/DO 三种类型。各种I/O 卡的输入/输出，通道间、电源间相互隔离，I/O 卡具备识别现场接线断路或短路并发出报警的功能，各种卡件相互独立，对现场电气隔离。

AI 模块选用HiaGuard 系统的16 路模拟量输入模块SGM410，采用TMR 架构，冗余的三系包含在同一块SGM410 中，通过欧式连接器与机笼底板相连，配合AI端子模块SGM3410 实现对现场4～20mA 电流信号的采集功能，采集结果通过各系独立的I/O Bus 送给各自对应的控制器。SGM410 采用冗余电源供电，系统侧与现场侧隔离，支持热插拔。支持软件滤波，组态可选0～15（默认值0）。模块信号量程为4～20mA，可测量范围为0～22mA。具有丰富的诊断功能，可诊断出电源、模块自身和外部线缆等多种故障，并及时报警。

DI 模块选用HiaGuard 系统的32 路开关量输入模块SGM610，支持常开或常闭干接点信号，采用TMR 架构，冗余的三系包含在同一块SGM610 中。SGM610 采用冗余电源供电，系统侧与现场侧隔离，支持热插拔且具有SOE 功能。支持软件滤波，可根据现场干扰情况进行设置。具有强大的防护功能，通道误接±36V DC和220V AC 时不会损坏模块。具有丰富的诊断功能，可诊断出电源、模块自身和外部线缆等多种故障，并及时报警。

DO 模块选用HiaGuard 系统的32 路开关量输出模块SGM710，支持ESD、ETS、FGS、BMS 等组态应用，采用TMR 架构，冗余的三系包含在同一块SGM710中。SGM710 采用冗余电源供电，系统侧与现场侧隔离，支持热插拔功能。单通道可驱动0.5A 以下负载，32 通道合计可驱动8A 以下负载。具有丰富的诊断功能，可诊断出电源、模块自身和外部线缆等多种故障，并及时报警。具体硬件配置见表1。

表1 蜡油加氢装置SIS 系统硬件配置表

3.3 系统组态

蜡油加氢装置SIS 系统组态包括硬件组态和软件组态两部分。软件组态又包含了联锁逻辑实现、SOE功能实现和人机界面组态等。其中联锁逻辑实现和SOE 功能实现通过Safe-AutoThink 实现，人机界面组态通过图形编辑器实现。根据采用IEC61508、IEC61511 的中国国家标准GB/T20438、GB/T21109 要求，现场进来的信号以及输出到现场的信号全部采用故障安全型进行接线，系统组态亦按照故障安全型进行组态，即要求正常工作状态时，设备是带电的，当电源失去时(切断、掉电)，SIS 系统动作。

（1）硬件组态

硬件组态是SIS 系统最基础的部分，它确定了控制器模块的型号、I/O 模块的分布和型号、I/O 地址的分配等。

①模块组态：完成SIS 系统中使用到的控制器模块、通讯模块和I/O 模块的型号选择和位置分配。

②I/O 信号组态：对SIS 中需要的所有I/O 信号进行地址分配，使每个I/O 信号对应到具体哪个机笼的哪块I/O 模块的哪个通道。给每个I/O 信号定义通道后，系统自动给每个I/O 信号产生一个地址。这个地址在人机界面组态时可以直接使用。

蜡油加氢SIS 系统的硬件配置如图2 所示。

图2 蜡油加氢装置SIS系统硬件配置

（2）软件组态

①控制程序设计：Safe-AutoThink 是和利时公司专门为工业安全仪表系统（简称SIS）而自主研发的基于Windows 平台的编程工具，主要用于控制器算法编程，是控制方案的开发平台，是硬件配置和软件编程的标准软件包。该软件运行于工程师站，支持用户进行硬件模块配置以及使用IEC 语言（功能块（FBD）、梯形图（LD））进行控制逻辑组态。

蜡油加氢装置SIS 系统联锁逻辑采用功能块语言（FBD）编写，这种语言用线连接功能块形成回路，功能块之间通过连接线传递二进制和其他类型的数据，这种图形化的编程语言的特点是直接明了，通俗易懂。蜡油加氢装置SIS 系统控制程序主要包括FB（用户自定义功能块）、AIA（AI 信号处理）、LOGIC（联锁逻辑）等几部分，如图3 所示。

②人机界面设计：人机界面组态由图形编辑器实现。该软件编制容易、灵活、功能强。针对不同行业提供了丰富的符号库，以方便用户绘制美观实用的界面。同时，它还支持用户自定义符号库。在蜡油加氢SIS 系统中，人机界面包括联锁逻辑画面、系统状态监控画面及用户管理窗口等，如图4 所示。

图3 蜡油加氢装置SIS系统控制程序

图4 蜡油加氢装置SIS系统人机界面

3.4 系统调试

系统调试是蜡油加氢装置SIS 系统组态最后的关键阶段。在调试过程中检验联锁逻辑程序、报警提示、操作方便性等，是对系统的综合测试。测试总体分两个阶段：先离线仿真测试，再在线测试。离线仿真测试是Safe-AutoThink 软件在仿真运行情况下通过给强制信号的方式来检验联锁逻辑是否正确，人机界面动态连接是否正确，报警功能是否完善等。

在线测试除了要完成离线测试的各项工作外，还要重点检查逻辑程序的输入和输出能否满足现场各种设备的需要。在完成程序的全面测试后，将程序下装到控制器中，最终投入运行。