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SIS与DCS集成的化工装置安全控制研究

供稿: 2020/4/10 15:36:07

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  • 摘要:SIS系统被普遍用于工业安全控制体系中,可以说是保证危险化学品企业安全运行的最后一道防线。实现SIS系统与DCS系统集成化,共用一个操作系统,相同的组态软件等条件便于人工操作和发挥其优越的通信条件……

SIS系统被普遍用于工业安全控制体系中,可以说是保证危险化学品企业安全运行的最后一道防线。实现SIS系统与DCS系统集成化,共用一个操作系统,相同的组态软件等条件便于人工操作和发挥其优越的通信条件,从经济性和实用性方面都将收到良好的效果。未来,面向基于SIS与DCS集成的化工装置安全控制研究必然成为安全仪表系统的发展方向。

1、SIS系统

安全仪表系统(SIS,Safety Instrumented System)基本组成包括逻辑控制器、现场传感器、执行器,一般兼备火灾报警系统、紧急停车系统、气体安全防护系统等功能。一旦安全生产系统有异常情况发生时,SIS系统会第一时间发出预警信息,按照程序设定有序控制相关安全执行机构动作,从而切断引发事态扩大的因素,将损失降到最小。SIS系统在整个安全生产应急处置中处于十分重要的地位。


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化工厂安全生产监测和分级管理系统


SIS系统与DCS过程控制系统的运行和设置是分离的,二者相互独立。生产系统处于正常运行时,安全联锁系统不会被外界因素触发,通常系统会处在静默状态。当发生危及安全生产事故时,联锁条件被触发,SIS系统可以在短时间内及时控制事故源,切断引起事故扩大的因素,让生产装置局部或全部停机或者处于事先设定的安全状态。SIS系统可降低煤化工生产装置的安全风险,应用越来越广泛,其设计、安装、调试、维护管理也得到更多的重视和研究。

2、SIS与DCS的集成通信

在工业生产过程中,DCS系统的功能主要在于过程控制。但就实际使用来看,DCS的可靠性和响应速度还远远达不到安全系统的要求。因此在对安全要求级别较高的化工行业而言,SIS系统和DCS系统通常是分别进行设计和制造安装的。

近年来DCS系统的可靠性和数据处理速度有了很大改观,DCS系统在发展过程中不断吸收SIS系统的许多功能模块,其部分性能也越来越接近SIS系统,实现了一定的安全性能。DCS和SIS在集成方面均具有很强的优势,但当前二者的集成融合在通信和软件等方面还存在一定的问题。

MODBUS 通信协议

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过该协议,控制器与控制器之间通信或控制器通过网络和其它电子设备之间进行通信,其本质就是一个请求/应答协议。

Modbus协议规定了SIS与DCS之间信息域格局和通信内容的格式。SIS和DCS可以通过这种集成方式在控制系统的人机界面下实现通信,可以说这种通信链接方式属于硬链接。这种集成通信方式下,数据流方向主要偏向于SIS向DCS传递,且数据传输收到硬件设备的性能影响较大。

因为SIS和DCS都具备成熟的操作软件,各自都拥有自身的一套组态工具,人机界面控制系统,甚至控制网络都大不相同。采用这种集成方式需要组织人员分别对两种控制网络进行监控,控制线路比较复杂,故障率较高。这就导致企业成本大幅增加,不利于在石油化工行业中推广应用。

OPC 通信

OPC是一个工业标准,该标准由国际组织OPC基金会管理。世界上主要的自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统的产品均使用该标准。OPC具有整套的接口、属性和方法的标准集合,主要用于设备过程控制系统和工业自动化系统。OPC标准通过提供一套标准的OLE/COM接口,在此平台上各个控制器可以与设备及时无阻碍的进行信息交流和传递。

SIS和DCS通过OPC进行通信,可以有效避免不同软件在同一系统中运行的冲突,使SIS系统可以顺利地利用DCS提供的必要数据从而实现功能。但这种集成方式对于硬件的要求比较高,服务器配置高,大都需要进口,价格也比较高,对于化工领域内的中小企业会产生一定的经济负担。

SIS与DCS的无缝集成

随着计算机技术的发展,出现了一种集成SIS系统与DCS系统功能的电路板,这样就避免了硬件不匹配的问题,通信无障碍。该集成方式将两者在物理上的机型进行集成,但在逻辑上相互分开,使得控制程序以及安全程序是相互独立的,互不影响,同时执行。

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SIS与DCS无缝集成示意图

这种特殊的集成方式使用相同的控制网络线路和组态工具,数据的通信过程非常方便,不需要添加额外的接口和驱动装置。由于应用了相同的监测设备以及操作平台,所以在具体的操作和通信过程中会更加便利迅捷。SIS系统和DCS系统可以同时使用控制系统的具体位号的信息,二者共享现场测量信息,无需添加新的组态。无缝集成方法节省人力,节约成本,通信安全迅捷,优势明显。

3、SIS 系统在氨区存储罐区的应用

液氨产品存储通常用球灌装,但球罐体控制系统十分复杂,控制出现不当极易出现灾难性事故。球罐体压力是一项重要的控制参数,当球罐体压力超过了设定值时,DCS系统通过现场测量装置将实时测量数值回传至SIS系统。SIS系统则根据事先程序设定值将自动启动联锁装置,切断液氨继续进入罐体,使罐体不会因为液氨超容量注入而引发的危险事故。


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浓氨水产品通常采用罐体存储,上方采用氮气密封,防止氨气溢出储罐污染大气,给人缘和环境带来危险。向罐体内注入氮气的一个重要目的是可以通过注入氮气量的多少控制罐体压力,当操作压力到达规定的值的时候,浓氨水储槽顶部的呼吸阀就会打开。如果呼吸阀放散不及时或者出现故障时罐体压力会继续上升,压力达到第二个规定值时氮封阀会自动打开进行泄压。

如果呼吸阀放散和氮封阀出现故障或者泄压速度慢,罐体压力依然上升,达到罐体设定的最高值时,触发联锁使通往浓氨水储槽管道上的氮气电磁阀会自动关闭,切断氮气的进入由氮封阀和呼吸阀进行泄压。当紧急情况发生的时候也可以通过人工泄压。此外,还放置了压力极高联锁系统,如果罐体压力到达极高联锁设定值的时候,通过联锁使进料阀自动紧急切断,从而保障罐内压力平稳、罐体不被破坏。

4、SIS系统功能的实现

为满足SIS系统功能的实现,对现场仪表的挑选应尽量选择自身具有危险诊断功能和故障率较低的仪表测量设备。对于液氨球罐和浓氨水储罐的安全仪表系统安装,针对其液位测量和压力测量应选择冗余配置,实现多选一功能。

针对紧急切断功能,切断阀应尽量选择电磁阀,并尽量使用常开点,电磁切断阀采用串联冗余配置,并与过程控制系统分离控制,在出现故障时提高其可靠性。另外,SIS系统的运行过程中,软件一直在运行,并对程序控制测点进行不断的数据交换,准确的对联锁数据进行检测和干预,保证SIS系统在安全生产中稳定运行的时效性,安全性。

审核编辑(王静)
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