摘要: 主要介紹了變送器故障檢測技術(shù)的實現(xiàn)方式及在康吉森TS3000 SIS 系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。分析了變送器故障信號的產(chǎn)生，康吉森TS3000 對變送器故障信號的檢測及該信號在系統(tǒng)的“2oo3”( 三取二) 安全邏輯中的使用。同時引入了NAMUＲ NE43 tuijian標(biāo)準(zhǔn)，對SIS 系統(tǒng)中所有的變送器進(jìn)行了剖析，找出并改正變送器故障檢測在系統(tǒng)應(yīng)用的隱患，在滿足聯(lián)鎖安全性的前提下，提高了聯(lián)鎖的可用性，保障乙烯裝置“安穩(wěn)長滿優(yōu)”運(yùn)行。
安全儀表系統(tǒng)( Safety instrumentation System，簡稱SIS) ，在石油化工生產(chǎn)裝置的開車、停車、運(yùn)行擾動以及維護(hù)操作期間，為人員健康、裝置設(shè)備及環(huán)境提供安全保護(hù)。在《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》( SH/T 3018—2003) 中對石油化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的要求。
中國石油四川石化有限責(zé)任公司( 以下簡稱四川石化) 乙烯裝置使用的是SIS 系統(tǒng)。根據(jù)工藝的特點，在設(shè)計階段，該乙烯裝置的安全系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)大量采用2oo3 的邏輯結(jié)構(gòu)，見圖1。此邏輯結(jié)構(gòu)既保證了聯(lián)鎖邏輯的安全性，也提高了聯(lián)鎖邏輯的可用性。
1、SIS 系統(tǒng)中變送器故障檢測的實現(xiàn)及應(yīng)用
在邏輯結(jié)構(gòu)中，有3 臺感測器( 即變送器) 的信號輸入進(jìn)入康吉森SIS 系統(tǒng)。在硬件IO 模塊中， IO 模塊把變送器輸入的模擬量電流值4 ～ 20mA 轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的819 ～ 4 095 的數(shù)字量信號，然后送入SIS 系統(tǒng)軟件的輸入處理模塊( AI2L /AI2H模塊) ( 見圖2) ，此模塊把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的工程量并可以通過與聯(lián)鎖值比較，輸出高高或低低報警信號; 同時此模塊可根據(jù)變送器的輸入電流判斷變送器是否故障。如果此模塊檢測到信號低于737( 輸入電流值3． 6 mA) 或大于4 258( 輸入電流值20． 8 mA) ，則認(rèn)為變送器已經(jīng)故障，該電流值無效，同時輸出變送器故障報警信號INV，此INV 信號在SIS 邏輯中的“三取二”模塊參與聯(lián)鎖。
在“三取二”邏輯中，康吉森SIS 采用了V2oo3模塊，見圖3。此模塊可以把AI2L /AI2H 輸出得到的3 個低低或高高的報警信號輸入該模塊做三
取二的表決輸出。同時，為保證聯(lián)鎖可靠，在該模塊中，康吉森SIS 設(shè)計引用了變送器故障報警信號INV。該模塊功能參照了《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》( SH/T 3018—2003) 中“安全儀表邏輯結(jié)構(gòu)圖”的“2oo3”功能。當(dāng)輸入信號有1 個故障時，“2oo3”功能下降為“1oo2”; 當(dāng)輸入信號有2 個故障時，“1oo2”功能下降為“0oo0”，即如果同時有2 個信號故障，也會觸發(fā)聯(lián)鎖。在邏輯結(jié)構(gòu)上，從軟件的角度，兼顧了聯(lián)鎖系統(tǒng)的可用性及安全性。
2、存在的問題
在乙烯裝置裂解爐崗位中，“裂解爐爐膛負(fù)壓高高”參與了裂解爐SIS 系統(tǒng)的SD － 2 聯(lián)鎖: 當(dāng)爐膛負(fù)壓高于50 Pa 時，裂解爐SD － 2 停車。為提高聯(lián)鎖的安全性及可用性，該聯(lián)鎖邏輯采用了“2oo3”邏輯，在現(xiàn)場采用了3 臺三暢儀表的EJA － 120A系列微差壓變送器測量爐膛負(fù)壓，變送器量程“－ 100 ～ 100 Pa”。在開車期間，由于工藝操作原因，爐膛負(fù)壓達(dá)到了－ 110 Pa。由于EJA變送器默認(rèn)設(shè)置為正常測量時，輸出電流值3． 2 ～21． 6 mA( 變送器量程的－ 5% ～ 110%) 。雖然此時3 臺變送器測量值低于量程的－ 5%，但會同時輸出3． 2 mA 電流信號到SIS 系統(tǒng)。此時SIS 系統(tǒng)中的AI 模塊( AI2H) 檢測判斷為這3 臺變送器已經(jīng)故障，同時產(chǎn)生變送器故障信號INV，在V2oo3模塊中，由于模塊檢測到3 個變送器故障信號INV，“2oo3”功能下降為“0oo0”，繼而觸發(fā)聯(lián)鎖，裂解爐SD － 2 跳車。
按照設(shè)計，在正常操作下，僅當(dāng)爐膛負(fù)壓高于50 Pa 時，才觸發(fā)聯(lián)鎖。在開車過程中，工藝操作可能會使?fàn)t膛負(fù)壓低于－ 110 Pa，因此不能聯(lián)鎖。同時雖然爐膛負(fù)壓低于了變送器量程的－ 5%，但該變送器并未故障，屬于正常測量，待工藝條件恢復(fù)后，變送器立即測量正常。
3、解決方案
通過分析，問題的根源在于未對現(xiàn)場變送器正常工作時( 包含儀表雖超量程，但儀表整體運(yùn)行時正常的情況) 的輸出電流值、變送器故障時的輸出電流值與康吉森SIS 系統(tǒng)檢測方式下的電流值進(jìn)行有效的分配及劃分�？导璖IS 系統(tǒng)中AI2L /AI2H 模塊，會誤把正常工作但超量程測量的變送器認(rèn)為故障。所以必須對變送器輸出電流進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭澐�，使康吉森SIS 能準(zhǔn)確地把變送器的故障及正常工作狀態(tài)區(qū)分開來，防止誤聯(lián)鎖。
NAMUＲ NE43，“Standardization of the SignalLevel for the Failure Information of Digital Transmitters”，是“德國測量與控制標(biāo)準(zhǔn)委員會”制定的一項tuijian標(biāo)準(zhǔn)。其對變送器在不同工作狀態(tài)下( 正常工作，故障工作) 的輸出電流進(jìn)行范圍劃分，使電流的接收端可以通過電流值判斷變送器的工作狀態(tài)。NAMUＲ NE43 對變送器輸出電流的具體劃分，見圖4。
由于NAMUＲ 的大力推廣，符合NE43 的現(xiàn)場變送器應(yīng)用非常廣泛，只要選取適當(dāng)?shù)碾娏鞣秶�，就可以使參與聯(lián)鎖的變送器在故障與正常測量之間被康吉森SIS 系統(tǒng)準(zhǔn)確區(qū)分開來。
通過與三暢儀表廠家討論確認(rèn)，EJA 系列壓力、差壓變送器，符合NE43 標(biāo)準(zhǔn)，默認(rèn)出廠設(shè)置為: 在正常測量時，儀表默認(rèn)電流輸出范圍為－ 5% ～ 110% ( 3． 2 ～ 21． 6 mA) ，此輸出范圍可修改; 當(dāng)變送器CPU 或硬件故障時，可選擇輸出“小于3． 2 mA”或“大于21． 6 mA”。
為保證聯(lián)鎖的可靠性及安全性，經(jīng)設(shè)計院確認(rèn)，把測量裂解爐的爐膛負(fù)壓且參與聯(lián)鎖的變送器的正常輸出電流值由3． 2 ～ 21． 6 mA 改為4 ～ 20mA。即在變送器正常測量時，變送器僅能輸出4 ～ 20 mA 的電流值。即使當(dāng)實際測量值低于或高于儀表量程時，變送器也只能輸出對應(yīng)的4 mA或20 mA 信號。在變送器故障時，根據(jù)設(shè)置，輸出電流為21． 6 mA。通過此方法，即使在某些極端操作條件下，工藝參數(shù)超出了變送器的測量范圍，只要未達(dá)到聯(lián)鎖值，SIS 系統(tǒng)也不會觸發(fā)聯(lián)鎖，工藝操作可以繼續(xù)進(jìn)行。在此次修改以后，裂解爐再未出現(xiàn)由于爐膛負(fù)壓低于變送器測量范圍，而導(dǎo)致SIS 的系統(tǒng)誤聯(lián)鎖，裂解爐跳車的事故。
儀表專業(yè)人員對SIS 系統(tǒng)中使用了變送器故障信號的聯(lián)鎖進(jìn)行了剖析，進(jìn)一步對相關(guān)的變送器的故障電流值范圍及正常測量電流值范圍進(jìn)行了核實，查看是否與康吉森SIS 系統(tǒng)的故障檢測電流范圍存在不統(tǒng)一的情況，并與乙烯裝置工藝和設(shè)計人員就各種聯(lián)鎖參與的工藝操作進(jìn)行討論，對極端操作條件下，工藝參數(shù)可能超過變送器量程的情況進(jìn)行確認(rèn)。結(jié)合以上方法對存在的隱患進(jìn)行逐一整改，#后確認(rèn)整改的內(nèi)容為:
1) 對于差壓流量變送器( 型號: 三暢儀表EJA110A/120A 差壓變送器) ( 共232 臺) ，由于可能出現(xiàn)正負(fù)導(dǎo)壓管堵塞而引起高/低超量程，導(dǎo)致非正常聯(lián)鎖，故將變送器正常輸出高低限鉗制在4 ～ 20 mA。在變送器故障時，輸出電流為21． 6mA。
2) 對于小量程的溫度變送器( 型號: 三暢儀表YTA 系列溫度變送器) ( 共30 臺) ，可能在極端負(fù)溫下出現(xiàn)超量程，導(dǎo)致非正常聯(lián)鎖，故將變送器正常輸出鉗制在3． 68 ～ 20． 8 mA。在變送器故障時，輸出電流為21． 6 mA。
3) 對于差壓液位變送器( 型號: 三暢儀表EJA110A 差壓變送器) ( 共9 臺) ，由于可能出現(xiàn)正負(fù)導(dǎo)壓管堵塞而引起高/低超量程，導(dǎo)致非正常聯(lián)鎖，故將變送器正常輸出高低限鉗制在4 ～ 20mA。在變送器故障時，輸出電流為21． 6 mA。
4) 對于壓力變送器( 型號: 三暢儀表EJA430A差壓變送器) ( 共15 臺) ，由于可能出現(xiàn)管道高壓而引發(fā)超量程，導(dǎo)致非正常聯(lián)鎖，故將變送器正常輸出高低限鉗制在4 ～ 20 mA。在變送器故障時，輸出電流為21． 6 mA。
4 結(jié)語
在現(xiàn)在的SIS 系統(tǒng)中，為增加聯(lián)鎖的安全性，變送器故障信號越來越多地作為聯(lián)鎖信號引入到聯(lián)鎖中。同時，NANUＲ NE43 規(guī)范的廣泛使用，也使這種功能的實現(xiàn)非常容易。但在使用過程中，儀表專業(yè)人員必須熟悉在SIS 聯(lián)鎖中，變送器故障信號在SIS 系統(tǒng)中的作用，同時，熟悉現(xiàn)場變送器輸出電流的設(shè)置( 不同廠家的變送器，雖然都符合NE 43 標(biāo)準(zhǔn)，但具體的出廠默認(rèn)設(shè)置不一樣) 。確認(rèn)設(shè)置變送器的正常輸出電流在SIS 系統(tǒng)變送器的正常檢測電流范圍內(nèi)，確認(rèn)變送器的故障電流在SIS 系統(tǒng)的變送器故障電流范圍內(nèi)，防止SIS 系統(tǒng)出現(xiàn)誤聯(lián)鎖，在不降低SIS 系統(tǒng)安全性的前提下，大幅增加聯(lián)鎖系統(tǒng)的可用性，保障裝置的安全、高效生產(chǎn)。
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