摘要: 主要介紹了變送器故障檢測技術(shù)的實(shí)現方式及在康吉森TS3000 SIS 系統中的具體應用。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的“2oo3”( 三取二) 安全邏輯中的使用。同時(shí)引入了NAMUＲ NE43 tuijian標準，對SIS 系統中所有的變送器進(jìn)行了剖析，找出并改正變送器故障檢測在系統應用的隱患，在滿(mǎn)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“安穩長(cháng)滿(mǎn)優(yōu)”運行。
安全儀表系統( Safety instrumentation System，簡(jiǎn)稱(chēng)SIS) ，在石油化工生產(chǎn)裝置的開(kāi)車(chē)、停車(chē)、運行擾動(dòng)以及維護操作期間，為人員健康、裝置設備及環(huán)境提供安全保護。在《石油化工安全儀表系統設計規范》( SH/T 3018—2003) 中對石油化工安全儀表系統的設計進(jìn)行了詳細的要求。
中國石油四川石化有限責任公司( 以下簡(jiǎn)稱(chēng)四川石化) 乙烯裝置使用的是SIS 系統。根據工藝的特點(diǎn)，在設計階段，該乙烯裝置的安全系統邏輯結構大量采用2oo3 的邏輯結構，見(jiàn)圖1。此邏輯結構既保證了聯(lián)鎖邏輯的安全性，也提高了聯(lián)鎖邏輯的可用性。
1、SIS 系統中變送器故障檢測的實(shí)現及應用
在邏輯結構中，有3 臺感測器( 即變送器) 的信號輸入進(jìn)入康吉森SIS 系統。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 轉換為對應的819 ～ 4 095 的數字量信號，然后送入SIS 系統軟件的輸入處理模塊( AI2L /AI2H模塊) ( 見(jiàn)圖2) ，此模塊把數字量轉換為相應的工程量并可以通過(guò)與聯(lián)鎖值比較，輸出高高或低低報警信號; 同時(shí)此模塊可根據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) ，則認為變送器已經(jīng)故障，該電流值無(wú)效，同時(shí)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(jiàn)圖3。此模塊可以把AI2L /AI2H 輸出得到的3 個(gè)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(shí)，為保證聯(lián)鎖可靠，在該模塊中，康吉森SIS 設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設計規范》( SH/T 3018—2003) 中“安全儀表邏輯結構圖”的“2oo3”功能。當輸入信號有1 個(gè)故障時(shí)，“2oo3”功能下降為“1oo2”; 當輸入信號有2 個(gè)故障時(shí)，“1oo2”功能下降為“0oo0”，即如果同時(shí)有2 個(gè)信號故障，也會(huì )觸發(fā)聯(lián)鎖。在邏輯結構上，從軟件的角度，兼顧了聯(lián)鎖系統的可用性及安全性。
2、存在的問(wèn)題
在乙烯裝置裂解爐崗位中，“裂解爐爐膛負壓高高”參與了裂解爐SIS 系統的SD － 2 聯(lián)鎖: 當爐膛負壓高于50 Pa 時(shí)，裂解爐SD － 2 停車(chē)。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，在現場(chǎng)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壓，變送器量程“－ 100 ～ 100 Pa”。在開(kāi)車(chē)期間，由于工藝操作原因，爐膛負壓達到了－ 110 Pa。由于EJA變送器默認設置為正常測量時(shí)，輸出電流值3． 2 ～21． 6 mA( 變送器量程的－ 5% ～ 110%) 。雖然此時(shí)3 臺變送器測量值低于量程的－ 5%，但會(huì )同時(shí)輸出3． 2 mA 電流信號到SIS 系統。此時(shí)SIS 系統中的AI 模塊( AI2H) 檢測判斷為這3 臺變送器已經(jīng)故障，同時(shí)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(gè)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(chē)。
按照設計，在正常操作下，僅當爐膛負壓高于50 Pa 時(shí)，才觸發(fā)聯(lián)鎖。在開(kāi)車(chē)過(guò)程中，工藝操作可能會(huì )使爐膛負壓低于－ 110 Pa，因此不能聯(lián)鎖。同時(shí)雖然爐膛負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，待工藝條件恢復后，變送器立即測量正常。
3、解決方案
通過(guò)分析，問(wèn)題的根源在于未對現場(chǎng)變送器正常工作時(shí)( 包含儀表雖超量程，但儀表整體運行時(shí)正常的情況) 的輸出電流值、變送器故障時(shí)的輸出電流值與康吉森SIS 系統檢測方式下的電流值進(jìn)行有效的分配及劃分�？导璖IS 系統中AI2L /AI2H 模塊，會(huì )誤把正常工作但超量程測量的變送器認為故障。所以必須對變送器輸出電流進(jìn)行適當的劃分，使康吉森SIS 能準確地把變送器的故障及正常工作狀態(tài)區分開(kāi)來(lái)，防止誤聯(lián)鎖。
NAMUＲ NE43，“Standardization of the SignalLevel for the Failure Information of Digital Transmitters”，是“德國測量與控制標準委員會(huì )”制定的一項tuijian標準。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(guò)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(jiàn)圖4。
由于NAMUＲ 的大力推廣，符合NE43 的現場(chǎng)變送器應用非常廣泛，只要選取適當的電流范圍值，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 系統準確區分開(kāi)來(lái)。
通過(guò)與三暢儀表廠(chǎng)家討論確認，EJA 系列壓力、差壓變送器，符合NE43 標準，默認出廠(chǎng)設置為: 在正常測量時(shí)，儀表默認電流輸出范圍為－ 5% ～ 110% ( 3． 2 ～ 21． 6 mA) ，此輸出范圍可修改; 當變送器CPU 或硬件故障時(shí)，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)設計院確認，把測量裂解爐的爐膛負壓且參與聯(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(shí)，變送器僅能輸出4 ～ 20 mA 的電流值。即使當實(shí)際測量值低于或高于儀表量程時(shí)，變送器也只能輸出對應的4 mA或20 mA 信號。在變送器故障時(shí)，根據設置，輸出電流為21． 6 mA。通過(guò)此方法，即使在某些極端操作條件下，工藝參數超出了變送器的測量范圍，只要未達到聯(lián)鎖值，SIS 系統也不會(huì )觸發(fā)聯(lián)鎖，工藝操作可以繼續進(jìn)行。在此次修改以后，裂解爐再未出現由于爐膛負壓低于變送器測量范圍，而導致SIS 的系統誤聯(lián)鎖，裂解爐跳車(chē)的事故。
儀表專(zhuān)業(yè)人員對SIS 系統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(shí)，查看是否與康吉森SIS 系統的故障檢測電流范圍存在不統一的情況，并與乙烯裝置工藝和設計人員就各種聯(lián)鎖參與的工藝操作進(jìn)行討論，對極端操作條件下，工藝參數可能超過(guò)變送器量程的情況進(jìn)行確認。結合以上方法對存在的隱患進(jìn)行逐一整改，#后確認整改的內容為:
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) ，由于可能出現正負導壓管堵塞而引起高/低超量程，導致非正常聯(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(shí)，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) ，可能在極端負溫下出現超量程，導致非正常聯(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(shí)，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) ，由于可能出現正負導壓管堵塞而引起高/低超量程，導致非正常聯(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(shí)，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) ，由于可能出現管道高壓而引發(fā)超量程，導致非正常聯(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(shí)，輸出電流為21． 6 mA。
4 結語(yǔ)
在現在的SIS 系統中，為增加聯(lián)鎖的安全性，變送器故障信號越來(lái)越多地作為聯(lián)鎖信號引入到聯(lián)鎖中。同時(shí)，NANUＲ NE43 規范的廣泛使用，也使這種功能的實(shí)現非常容易。但在使用過(guò)程中，儀表專(zhuān)業(yè)人員必須熟悉在SIS 聯(lián)鎖中，變送器故障信號在SIS 系統中的作用，同時(shí)，熟悉現場(chǎng)變送器輸出電流的設置( 不同廠(chǎng)家的變送器，雖然都符合NE 43 標準，但具體的出廠(chǎng)默認設置不一樣) 。確認設置變送器的正常輸出電流在SIS 系統變送器的正常檢測電流范圍內，確認變送器的故障電流在SIS 系統的變送器故障電流范圍內，防止SIS 系統出現誤聯(lián)鎖，在不降低SIS 系統安全性的前提下，大幅增加聯(lián)鎖系統的可用性，保障裝置的安全、高效生產(chǎn)。
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