SIS与DCS集成的化工装置安全控制系统应用

2022-03-22水生洲内蒙古东景生物环保科技有限公司内蒙古乌海016000

化工管理 2022年6期

水生洲(内蒙古东景生物环保科技有限公司，内蒙古乌海 016000)

0 引言

近些年我国化工行业发展速度不断提高，化工企业生产产品也呈现出多样化特征，在日常生产过程中也开始利用各种生产技术工艺，提高了我国化工企业生产过程的连续化和自动化。在化工企业日常生产过程中需要利用各种化学物质，需要根据特定比例开展化学物质合成制备工作，同时需要在高温和高压环境中完成相关工作，因此增加了生产工作的危险性。文章综合分析了SIS与DCS集成的化工装置安全控制系统，提高化工生产过程的安全性，实现化工行业健康发展。

1 概述SIS技术系统和DCS技术系统

1.1 SIS技术系统

SIS安全仪表技术系统主要包括逻辑控制器和现场传感器以及执行器等，在实际生产过程中，SIS技术系统还可以发挥火灾报警技术系统和紧急停车技术系统等功能，化工企业可利用SIS技术系统发出信息预警生产设备产生的故障，并且根据设定程序开展控制干预，避免化工企业生产安全隐患的进一步扩大，降低经济损失度，保障化工企业生产技术设备系统和生产人员的安全性[1]。

在现代化化工企业生产过程中，可以利用SIS技术实现安全生产应急处置工作，在化工企业组织中利用安全控制技术系统，可以安全有序的开展化工企业日常生活和经营活动。在运行过程中，SIS技术系统和DCS过程控制技术系统处于相互分离的状态，相互联系和相互配合二者的技术应用功能，有利于提供现代化企业生产经营活动的有序性和安全性。

1.2 DCS技术系统

在化工行业化工装置自动化控制过程中，DCS技术系统和SIS技术系统发挥着重要的作用，DCS系统通过连接通信网络，可以集成多级计算机系统，有效监视和管控化工生产工艺过程，有利于提高化工装置控制水平，可以提高化工生产过程的环保性和智能化。通过利用DCS系统，实现人机交互，工作人员可以远程操作系统管控阀门，减少整体操作时间，同时可以提高操作过程的规范，避免操作风险影响到化工生产。

2 SIS与DCS集成技术原理

在超声波液位检测工程中，可以利用共振法、回波法以及频差法等，其中脉冲回波法利用率比较高，其在管壁内环绕和反射超声波，介质气泡和压力等因素不会产生负面影响。外贴式超声波液位开关和探头可以产生高频超声波脉冲，可以穿越容器壁，在容器壁和液体中传播脉冲之后可以被反射，通过检查和计算这种反射特性，可以确定监测点部位容器中是否存在液体，同时可以检测报警液位。向DCS系统中传输液位开关输出继电器信号，可以连锁控制液位。化工企业在灌区生产过程中利用DCS系统开展控制工作，综合储罐压力和液位等设置申报报警和连锁系统。因为灌区涉及危险化学品，因此需要辨识和计算灌区危险化学品的重大危险源。为了提高灌区生产的安全性，避免发生安全事故，需要安装安全仪表系统，在正常生产状态中，SIS系统处于静止状态中，如果发生安全事故系统能够发出瞬间准确动作，落实紧急切断和连锁控制，停止生产运行，同时可以自动导入到预定的安全状态当中，保障工业生产的安全性[2]。SIS系统中包括现场仪表和执行器等，可以纳入到故障安全性设计系统中。SIS系统和DCS系统之间属于独立的关系，PLC系统经过SIL认证之后可以开展联锁控制工作，可以和DCS实施通讯，但是DCS系统无法向SIS系统中输入数据。为了避免二者信号接线发生问题，可以独立配置SIS系统的控制机柜和工程师站以及操作员站以及通信网络等，针对SIS系统中利用的软件和硬件等必须要利用正式版本，同时要具备国家强制认证，避免使用试验产品。

3 SIS与DCS集成的现状

3.1 MODBUS通信协议

MODBUS基层是SIS与DCS集成，通过控制器实现硬链接，实现SIS与DCS系统的通信集成，以链接为基础，可以快速向DCS系统中上传SIS数据。为了实现这集成目标需要利用MODBUS协议，电子控制器的通用语言就是MODBUS协议，利用这一协议的规定，可以满足控制器的通讯需求。MODBUS协议明确定义了控制器，在通信过程中这一控制器可以自动化的识别通信信息结构，并且提出的要求比较低。在通信过程中，利用MODBUS协议可以设置认证机制，利用控制器可以控制指令接收和发送过程，不仅可以识别异常数据，还可以保障通信的正常性。此外，MODBUS协议中规定信息域格局和通信格式，在人机界面中维持通信的正常性。因为集成通信比较特殊，因此在系统运行中通常是从SIS向DCS中传递数据流，而硬件性能直接影响到数据传输效率和安全性。在SIS与DCS集成状态下，需要实时监控两个控制网络[3]。

3.2 OPC通信

DCS工业控制系统包括多种控制设备和子系统等，不同设备利用不同的驱动程序，升级硬件之后还需要更新程序。不同控制设备在不同的运行环境中工作，即使在同一个系统中，不同软件也会产生工作冲突，因此需要设计统一的通信标准，否则不利于发挥出DCS控制系统的功能。

OPC属于工业标准，自动化控制系统和仪器仪表以及过程控制系统等都可以使用OPC标准。OPC具有标准集合，可以在设备过程控制系统和工业自动化系统中利用。OPC标准可以提供标准接口，方便各个控制器在平台上交流和传递信息。

在SIS与DCS集成中利用OPC通信，可以有效规避上述问题，利用基于过程控制的OPC技术，保障系统和设备通信的畅通性，促使SIS系统及时向DCS系统传递数据。但是这种集成方式对硬件性能有严格的要求，需要同时配置高等级的服务器，高水平服务器依赖于进口，因此增加了工作成本，增加了企业经济压力，因此影响到推广应用。

3.3 SIS与DCS的无缝集成

在信息时代不断发展的计算机技术和信息技术等技术，可逐渐发展应用到集成SIS与DCS功能的电路板上，在化工企业生产运行中可以提高硬件匹配度，维持通信的正常性。对比一般集成方式，利用无缝集成方式可以高度集成SIS与DCS，如图1所示。但是二者保持独立的逻辑，同时利用独立的控制系统和安全程序，降低了彼此的干扰。为了优化SIS与DCS集成效果，需要利用相同的控制网络和组态工具，无需利用额外的接口和驱动装置即可优化集成效果。配置相同的监测设备和操作平台，可以共享SIS与DCS的信息，无需利用额外组态即可实现工作目标。对比其他集成方式，无缝集成方式可以降低整体工作成本，同时可以保障工作的便利性和安全性[4]。

图1 SIS与DCS无缝集成应用图

4 SIS与DCS集成控制的工程设计

4.1 设计检测输入

输入过程的检测内容包括AI和DI等信号，在二级安全系统中需要安装独立的检测器，检测器和过程系统之间可以实现独立运行。因为设别和投资等方面的限制，一些生产项目需要共同检测器，需要在机柜中分配不同系统的信号，需要利用以下方式。

4.1.1 信号转接和输出平台为SIS

某气化炉项目运行中，需要在SIS与DCS系统中融入气化炉进料和加热炉的检测系统，根据SIS系统设计标准可以在系统中接入检测信号，因为SIS系统中具有较多的IO卡件，这些卡件利用硬接线，在拨通的接入卡中计入不同的信号，同时需要利用中间继电器隔离处理SIS和电气设备以及电磁阀的信号，避免不同的信号之间的相互干扰[5]。

4.1.2 分配一入二出信号

分配一入二出信号，需要在现场机柜室中安装安全栅和隔离器以及报警器等设备，分配原来一路现场信息为两路，并且分别向SIS与DCS系统中分别输送两路信号。根据设计规范，在二级安全等级背景下不适合利用一入二出的信号分配方法，对比SIS转接，一入二出信号分配方案更加便利。为了优化SIS与DCS集成效果，利用一入二出信号分配方式，需要根据现场信号类型合理选择信号分配器，并且在SIS机柜中安装信号分配器，实现系统供电需求。

4.2 设计系统输出

执行器机构包括不同的工作方式，需要根据实际发展情况设计系统输出。在初期主要是利用继电器共同操作SIS与DCS，后来发展出DCS操作工艺阀门和SIS控制阀门气源电磁阀方案等，当前利用SIS操作平台可以操作DCSDN所有的阀门。

4.3 SIS与DCS的集成通信

在化工企业生产过程中，利用DCS技术系统可以开展运行过程中的控制工作，在实际使用过程中，可以保障DCS技术系统的可靠性，同时可以提高信息响应速度，但是当前还无法全面满足化工企业的应用需求。针对硬件设备系统运行的可靠性，如果DPU技术组件数据信息处理和运算存储技术能力产生缺陷，将会影响到技术设备运行的可靠性，因为I/O端口和线路比较差，或者在紧急布置状态中，自身因素和外来因素都会产生干扰作用，因此影响到整体系统运行的可靠性。因为化工企业样要求安全生产控制工作，为了顺利开展安全管控工作，需要做好SIS技术系统和DCS技术系统的设计建设和运行使用，但是在分别运行状态中，无法实现化工企业安全管理目标，还会增加工业企业生产成本。因此化工企业为了保障生产设备系统安全管理效果，需要实现SIS与DCS技术系统通信集成工作，通过研究相关工作，促进化工企业可持续发展。

5 SIS与DCS集成的化工装置安全控制系统应用

当前很多化工企业在氨区存储灌区利用SIS与DCS集成控制系统，在存储氨产品的过程中主要是利用球罐体，这类控制系统具有复杂的结构，因此很难控制生产过程，可能会发生安全事故。球罐体控制系统运行过程中，需要加强控制球罐体压力，如果压力值不符合设计值，DCS系统将会向SIS系统中传输采集的信息。SIS系统可以根据设定程序自动控制联锁装置，有效控制罐体中的液氨，避免引发安全事故。因此实现SIS与DCS集成有利于提高系统安全性，有序开展生产作业。液氨水产品通常是存储于罐体中，在上方实施氮气密封，避免在储罐中溢出氨气。在生产作业中，将氨气注入到罐体中，有利于保持罐体压力，利用SIS与DCS集成可以实现自动化控制工作。如果压力超过设定值，将会立即打开液氨水储槽顶部的呼吸阀，即使没有及时放散呼吸阀，持续性的增长罐体压力在达到第二规定值后同样也会触发氨封阀，实现泄压的目标。

6 实现SIS系统功能

为了实现SIS系统的功能，选择的仪表测量设备应该具备较低的故障发生率，同时要具危险诊断功能。在液氨球罐和浓氨水储罐中安装安全仪表系统，冗余配置液位测量和压力测量，可以发挥出多选一的作用。发挥出紧急切断功能，利用电磁阀作为切断阀，并且利用常开点串联冗余配置电磁切断阀，并且通过恩利控制过程控制系统，即使发生故障也可以保障系统运行的可靠性。此外在SIS运行阶段软件持续性运行，程序控制测点可以不断交换数据，准确的检测和干预连锁数据，在安全生产过程中，提高SIS系统运行的安全性和时效性。