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SIMATIC PCS 7 S7-400FH在中国石油大连石油化工分公司2000万吨/年加工高含硫技术改造工程火灾及可燃性气体、有毒气体监控系统(F&Gs)的应用

产品部门:AS    所属行业:其它工业领域工程
来源:刘 驰      西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团东北地区大连办事处

摘要:介绍了PCS7 S7-400FH系统的技术特点。用实例系统说明该系统在F&G监控系统的应用。

关键词:PCS7 S7-400 FH系统    火灾及可燃性气体、有毒气体监控系统(F&G)
        安全仪表系统(SIS)   柔性模件冗余(FMR)
        PROFISAFE通信协议
    火灾及可燃性气体、有毒气体监控系统(F&Gs)是一种能为火灾探测器供电、接收、显示和传递火灾报警等信号,并能对自动消防等装置发出控制信号的报警装置系统。在一个火灾自动报警系统中,火灾探测器是系统的“感觉器官”,随时监视着周围环境的情况;而火灾报警控制器,则是该系统的“躯体”和“大脑”,是系统的核心。它的主要作用是供给火灾探测器高稳定的直流电源;监视连接各火灾探测器的传输导线有无断线故障;保证火灾探测器长期、稳定、有效地工作。当火灾探测器探测到火灾后,能接受火灾探测器发来的报警信号,迅速、正确地进行转换和处理,并以声光报警形式,指示火灾发生的具体部位,以便及时采取有效的处理措施。
F&Gs通常具有以下特征。
•  独立于其他控制系统;
•  是一套硬件冗余的系统,单点故障不会导致停车;
•  能够带电热插拔卡件;
•  具有全面的在线自诊断并带有故障报警指示;
•  系统是故障安全型的,安全等级要求SIL1-SIL3;
•  具有相当快的扫描时间;
•  在线修改下装功能;
•  在线对点的强制功能;
•  下装前的离线仿真及比较功能;
•  严格的版本记录功能;
•  具有 SOE 事件顺序纪录功能;
由于故障安全系统与普通PLC 相比具有诊断率高, 可靠性高并符合相应的SIL 等级要求等特点, 因而越来越多的用于F&G,对于所有的安全系统来讲都应该受到以下条件的约束:
•  安全停车 - 一个安全系统应该在其降级的情况下,在超过限定的时间时使其控制的生产过程安全的停下来;
•  响应时间和扫描时间 - 扫描时间应该低于响应时间的50%;
•  强制点报警 - 一个安全系统在正常运行时不应该有点被强制,除非有特殊原因,所以,安全系统必须配有点的强制报警;
•  输出表决诊断 - 一个安全系统的输出表决不应该被强制;
•  主从MODBUS功能 - 关键点不能通过 MODBUS 通讯来传送,MODBUS传送的那些点都应该是非关键点;
•  点对点通讯 - 点对点通讯可以用来传送关键信号,但是新数据的更新必须在规定时间才有效,此时间通常为生产过程容许时间的 50% ,如果在此时间内无数据更新,接收端应该采取事先约定动作;
    随着电子技术的发展和国际安全标准的更新和完善, 基本过程控制和安全仪表系统(或F&Gs)也由过去的完全相互独立设置逐步走向相互融合。基本过程控制和安全仪表系统(或F&Gs)通常有三种组合方式
    1.传统的接口方式
    基本过程控制系统(BPCS)和安全仪表系统(SIS) (或F&Gs)的硬件和软件完全相互独立(控制站,工程师站等),采用通信接口的方式将部分SIS(或F&Gs) 数据传送到BPCS 的人机界面上显示。
    2.集成的方式
    BPCS和SIS(或F&Gs)在控制站层面上完全相互独立,但采用共用的工程师站进行组态下装和系统维护,采用公用的人机界面进行数据显示。
    3.共用的方式
    一套系统同时满足基本过程控制和安全控制功能, BPCS和SIS(或F&Gs)在功能上完全相独立, 硬件和软件上相对独立。
    SIMATIC S7-400FH可提供以上三种组合方式, 既可以做为独立的SIS(或F&Gs) 系统使用,通过Modbus, Profibus, Ethernet(OPC)等方式与第三方过程控制系统进行通信,又可以无缝集成到SIMATIC PCS中。
SIMATIC PCS7是基于全集成自动化的现代过程控制系统,其中集成了过程工业所需的连续控制,逻辑,批处理及故障安全的全部功能。根据ARC 的调查报告,SIMATIC PCS 7 符合其CPAS 结构远景及ISA-88和ISA-95等标准的单一自动化环境。其无缝集成安全仪表系统(SIS)的创新技术,使其成为新一代过程控制系统的典范,其中集成的S7-400FH 安全系统符合IEC 61508(SIL 3)和IEC 61511等国际安全标准,并已广泛应用于紧急停车系统(ESD)、火灾及有毒有害气体监测和保护系统(F&G,NFPA 72)、燃烧管理系统(BMS NFPA 85)、和关键设备控制等。
    SIMATIC PCS7的安全集成设计为面向未来的工厂提供了灵活的解决方案。基于内部Profisafe 通信机理,可以将标准功能和故障安全功能集成在一个控制器中,也可以将它们放在不同的控制器中,可以将分布式的I/O模件,包括标准模件和故障安全模件,集成在一个站中,也可以分开安装和扩展(见图-1),其中SIS (或F&Gs)功能由SIMATIC S7-400FH实现。


                                                                           (图-1)
    将安全功能集成到SIMATIC PCS 7 过程控制系统中,具有以下优势:
·共用一个工程组态系统完成标准应用和安全应用
·在SIMATIC PCS 7的安全控制器(AS)中集成安全控制策略
·在SIMATIC PCS 7的操作员站(OS)中,集成有过程值的用户友好界面
·将带时间标签的故障信息,自动集成到过程可视画面中
·不需要传统的DCS与 SIS(或F&Gs)之间复杂的数据处理
·节省成本、空间和安装费用。
 过程工业的不允许存在任何安全薄弱环节。为了保护人员、设备及环境,将风险最小化,不仅需要可靠的过程工业的安全技术,安全管理和合格的人员也是安全生命周期(Safety Lifecycle)的必要条件,并保证从规范到执行的全过程的安全要求(见图-3),SIMATIC PCS7的SIS解决方案中的安全矩阵Safety Matrix(图-4),提供了从安装调试到操作和维护以及投运后修改过程的安全生命周期工具。


                                                          (图-3)
SIMATIC Safety Matrix 功能简述:
·用已知的原因/结果方式组态安全 (逻辑)功能,例如,基于过程事件和过程反应来组态
·自动生成相关的STEP®程序
·通过简易和透明的组态,将故障源降至最低
·安全组态检阅后,自动产生文档资料
·无需专门的编程知识,缩短组态时间
·在SIMATIC PCS 7的操作员站上, 自动生成可视化及用户友好的安全矩阵界面
·自动管理程序的项目版本
·跟踪修改方便
·进行安全功能的直接修改,具有轻松方便的测试模式,以及旁路、复位和跳过等功能


                                         (图-4)
   SIMATIC S7-400FH的冗余容错性可确保系统运行时最少的非计划停车,从而使相关的成本最低化,故障安全模块内置的完全冗余设计及自诊断功能,能对内部及外部的故障进行快速而有效的诊断,其创新的灵活的模块冗余(FMR)方式,可根据具体要求针对现场仪表和执行装置进行单模块、双模块和三重化模块配置,完成安全规范IEC61511中的安全仪表(SIF)功能。
中石油大连石化分公司加工高含硫原油技术改造工程由8套装置(联合装置)构成,这8套装置(联合装置)是:
        1000X104t/a常减压蒸馏装置(含轻烃回收单元、石脑油加氢装置)
        300X104t/a渣油加氢脱硫装置
        360X104t/a加氢裂化装置
        220X104t/a连续重整装置
        400X104t/a直馏柴油加氢精制装置
        3X9X104t/a硫磺回收装置
        2X10X104m3n/h制氢装置
        200X104t/a煤、柴油加氢精制装置
        公用工程、储运工程
        中间罐区
在该工程F&G系统中,F&Gs机柜间分布在不同的地理位置,F&Gs的设置按如下原则:
F&Gs01---管控中心、1000X104t/a常减压蒸馏装置(含轻烃回收单元石脑油加氢装置)、中间罐区、新区管控中心设置一套F&Gs系统。
F&Gs02---220X104t/a连续重整装置单独设置一套F&Gs系统。
F&Gs03---360X104t/a加氢裂化装置和2X10X104m3n/h制氢装置、400X104t/a直馏柴油加氢精制装置、200X104t/a煤、柴油加氢精制装置设置一套F&Gs 系统。
F&Gs04---300X104t/a渣油加氢脱硫装置、3X9X104t/a硫磺回收装置(含尾气处理、酸性水汽提及胺再生)设置一套F&Gs 系统
该项目为了免于火灾和有毒,有害,可燃气体的威胁,保护系统要求很高的可用率和可靠性。系统要求通过在线更换有故障的模件实现高可可用率。各个模件,现场信号线和传感器的故障都要求通过内置的诊断供能来自动检测,气体检测器的模拟信号都直接与控制器相连。
考虑尽可能节约成本。根据对SIEMENS S系统的了解,我们提供如下方案:


在这个方案中,每个F&Gs系统由以下几个部分:
·      监视站,安装在新区管控中心。
·      工程师站,安装在新区管控中心。
·      故障安全控制器AS417FH,安装在新区管控中心。
在本方案中采用西门子快速交换式工业以太网(100Mbps)作为连接操作员站、工程师和自动化系统站的系统总线。
快速交换式工业以太网在工业以太网的通信协议基础上,将通信速率提高到了100Mbps。由于采用了全双工并行(FDX)通信模式,允许站点同时发送和接收数据,通信速率可提高一倍。SIMATIC NET 在快速以太网上 还采用 了交换技术,利用西门子自行开发的交换机模块将整个网络分成若干子网,每个子 网都可以独立的形成一个数据通信段,可以大大的提高通信效率。由于普通以太网网段上数据通信阻塞的存在,使得实际通信效率只有40%,采用了全双工并行通信技术和交换技术后,使得网络通信能力得以充分的利用。
基于控制器AS 417 FH 的故障安全自动化系统(F/FH 系统)将标准运行控制器和安全技术集成在了一个统一的系统之中。该系统已经 TÜV 认证,可以满足安全要求 SIL 1 至 SIL 3,符合标准 IEC 61508,安全等级 AK1 至 AK 6,符合标准 DIN V 19250/DIN V VDE 0801 以及安全分类 2 至 4 符合标准 EN 954-1。通过各种不同的冗余指令编辑,由用户在 CFC 中组态的安全功能将在一个 CPU 的不同过程部分执行两次。有些错误可以在继后的结果比较时识别出来。
         SIMATIC S7-400FH 在保证安全性的同时提供多点容错功能,可最大限度地满足用户的可应用性要求,内部开放的Profisafe 通信协议为SIS 系统的数字化和现场总线化的发展奠定了基础。
      SIEMENS独有的反编码技术故障安全CPU , PROFIsafe 通信, 内置双处理器的智能故障安全I/O 模件使得由单个CPU, 单路总线和单路I/O 模件构成的单系统即可满足IEC61508  SIL3 (DIN AK6) 的安全等级要求。


PROFI safe 标准故障安全通信协议是目前世界上唯一通过德国BIA-联邦劳动安全研究所和TÜV-德国技术监督联合会认证的故障安全通信协议标准。以SIEMENS 为首的二十五家世界知名企业参予了PROFI safe 应用行规的制订和产品开发。PROFI safe的诞生 标志着故障安全通信技术的标准化和开放化的历史性进展, 为不同厂家的故障安全产品( 包括: 控制系统,总线设备, 现场仪表和执行机构等)提供了相同的通信平台。


ET200M分布式I/O站除了具有可靠性高、组态灵活、使用方便、分布安装及性能价格比高等特点外,更重要的是,它选用了专用的有源背板总线,使得ET200M分布式I/O站的所有模块都能够在系统运行过程中可以进行带电热插拔。因此,它具有很好的在线维护性。
故障安全I/O模件内置双路处理器(电路示意图见下)及诊断电路保证了卡件任何的软硬件故障均可诊断出来, 诊断率高达99.9%


以上所有的这些技术都保证SIEMENS的PCS7 过程控制系统在SIS系统方面远远达到国际先进水平,在选择系统的过程中,用户充分认识到SIEMENS  PCS7 FH系统的特点和高性价比的优点,在几家安全系统中最终选择SIEMENS的PCS7 FH系统来实现F&G系统。该系统第一期工程在2005年底投产,为大连石化生产新区1000 X104t/a常减压蒸馏装置(含轻烃回收单元、石脑油加氢装置)的安全运行提供了充分的保证。
创新的SIMATIC S7-400FH 及SIMATIC PCS 7 安全集成技术由西门子于1999年推出以来,已在全球范围的各个行业如石油化工,化工,制药,电力,冶金,矿业,轻工等取得了广泛的应用。本文仅对西门子SIMATIC安全集成技术进行了简要介绍,我们希望随着用户对SIEMENS PCS7 FH系统的任知,该系统在中国能够得到更快的发展。