淺析投入式液位計回路中檢測元件的維護旁路設計

摘要: 本文介紹了國外某工程項目針對投入式液位計回路中檢測元件的維護旁路的設計原則及方法，概述了旁路開(kāi)關(guān)的各種分類(lèi)以及管理層次，提出了當投入式液位計系統檢測到儀表故障狀態(tài)時(shí)，使用自動(dòng)維護旁路( Auto MOS) 以及表決架構降級( degradation) 設計的解決方案，給出了切實(shí)可行的自動(dòng)旁路( Auto MOS) 與架構降級設計的相互關(guān)系及在控制系統中組態(tài)實(shí)現的設計細節。完整和合理的旁路設計，可以#大程度的保證安全，同時(shí)盡可能減少因為儀表故障導致的誤停車(chē)，從而增加裝置的可操作性，減少操作工的應急管理工作，達到經(jīng)濟效益#大化。

 

投入式液位計系統(SIS)是石油化工裝置安全運行的重要保護措施。在投入式液位計系統中，當測量?jì)x表發(fā)生內部故障時(shí)，系統應將生產(chǎn)裝置轉入安全狀態(tài)［1］。因而儀表維護旁路開(kāi)關(guān)的設置非常重要。維護旁路開(kāi)關(guān)的功能在于當儀表檢測元件信號異�；蚬收闲枰�進(jìn)行維護時(shí)，將信號輸入在一定時(shí)間內從聯(lián)鎖回路中旁路摘除而不觸發(fā)聯(lián)鎖，從而對儀表設備進(jìn)行在線(xiàn)檢修維護。當儀表恢復正常檢測功能后，將旁路開(kāi)關(guān)解除，儀表正常投用［1－2］。

維護旁路開(kāi)關(guān)過(guò)度設計將降低安全性能，增加操作工的管理負荷;設計不足將頻繁引起停車(chē)，造成極大的經(jīng)濟損失。

本文旨在結合某國外工程項目，介紹一種國外項目中投入式液位計回路中檢測元件的維護旁路設計理念。

1旁路開(kāi)關(guān)的類(lèi)別

旁路開(kāi)關(guān)按照實(shí)施的管理層次分為2個(gè)層次:整個(gè)安全聯(lián)鎖單元的旁路使能開(kāi)關(guān)以及為單個(gè)檢測元件設置的旁路開(kāi)關(guān)。聯(lián)鎖單元的旁路使能開(kāi)關(guān)多設計為硬件開(kāi)關(guān)，設置于輔助操作臺或機柜上，由帶鎖旋鈕開(kāi)關(guān)觸發(fā)，當旋入使能允許狀態(tài)時(shí)，對應的聯(lián)鎖單元的所有相應的旁路才允許投用;當需按為非使能允許狀態(tài)時(shí)，強制解除所有相應的旁路。為單個(gè)檢測元件設置的旁路開(kāi)關(guān)在操作員站界面上觸發(fā)，通過(guò)通訊方式接入投入式液位計系統，屬于邏輯組態(tài)層面的軟開(kāi)關(guān)［2］。

旁路開(kāi)關(guān)按照功能可劃分為操作旁路開(kāi)關(guān)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)OOS)和維修旁路開(kāi)關(guān)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)MOS)［2］。這兩類(lèi)旁路開(kāi)關(guān)的用途不同，MOS是儀表維護人員使用，OOS是工藝操作人員使用;MOS是對變送器的旁路，OOS是對投入式液位計功能的旁路;MOS用于檢測儀表檢修或更換，OOS用于因工藝原因要解除的投入式液位計功能［3］。如果需要可以同時(shí)為一個(gè)檢測元件設計兩類(lèi)旁路開(kāi)關(guān)。這兩類(lèi)開(kāi)關(guān)的管理層次相同，均分為安全聯(lián)鎖單元的旁路使能開(kāi)關(guān)以及為單個(gè)檢測元件設置的旁路開(kāi)關(guān)，各自好立設置。

OOS主要用于工藝開(kāi)工和特殊過(guò)渡過(guò)程，按照實(shí)施方式分為手動(dòng)OOS和自動(dòng)OOS，可以采用定時(shí)器或工藝測量值的變化設定為自動(dòng)解除。OOS的設計方式與工藝開(kāi)工流程和操作過(guò)程緊密相關(guān)，這里不做贅述。

MOS用于儀表故障時(shí)使用，其中MOS可分為兩類(lèi)，自動(dòng)MOS以及手動(dòng)MOS，都屬于軟開(kāi)關(guān)。如果需要可以同時(shí)為一個(gè)檢測元件設計這兩類(lèi)旁路開(kāi)關(guān)。MOS按照開(kāi)關(guān)觸發(fā)后的組態(tài)處理方式又可分為NormalMOS以及NegativeMOS。NormalMOS旁路觸發(fā)后，不改變原有的架構;NegativeMOS旁路后，將進(jìn)行表決架構的降級處理，多應用于2oo3、2oo2的邏輯表決。

MOS旁路管理層次的結構示意如圖1所示。

 

 

2 MOS 的設計原則

2． 1 需要設計 MOS 的條件

參考 SHELL 標準 DEP 32． 80． 10． 10［4］，MOS 的基本設計原

 

 

MOS的設計僅限于用于安全聯(lián)鎖的檢測元件為非非常好的情況，例如2ooX表決機制或有備用的工藝過(guò)程檢測手段，且操作工有能力及時(shí)手動(dòng)停車(chē)，例如同樣工藝參數在DCS中也有實(shí)時(shí)檢測以及工藝報警后操作工可以來(lái)得及手動(dòng)緊急停車(chē)，如果不滿(mǎn)足以上條件，不能設計任何旁路開(kāi)關(guān)。

NegativeMOS的定義參考SHELL標準DEP32．80．10．10，其設置的目的是降低投入式液位計功能的要求失效概率。NegativeMOS主要用于冗余表決架構2ooX，因其結構本身容錯，是允許改變架構進(jìn)行架構降級處理的。在該信號被旁路時(shí)間段內，允許修改表決架構為1ooX，同時(shí)故障報警。

 

2．2手動(dòng)MOS以及MOS使能開(kāi)關(guān)的設計原則

手動(dòng)MOS以及MOS使能開(kāi)關(guān)在國內項目比較常見(jiàn)，例如文獻［5］中對其在某煉化項目中的設計和應用進(jìn)行了說(shuō)明和探討，本文不再贅述，但有以下幾點(diǎn)需要在設計時(shí)注意:

1)MOS應用于輸入信號的旁路，對于輸出信號，不應設MOS。

2)手動(dòng)MOS及MOS使能開(kāi)關(guān)也需要設置時(shí)間限制，超時(shí)將產(chǎn)生報警，但是超時(shí)不會(huì )引發(fā)聯(lián)鎖。

3)緊急停車(chē)按鈕不允許設計任何MOS旁路，包括手動(dòng)MOS。

4)一個(gè)聯(lián)鎖單元中，在同一時(shí)間內，#多只能有一個(gè)輸入信號被旁路。

5)當聯(lián)鎖輸入信號為多個(gè)檢測元件的測量值計算結果時(shí)，例如加熱爐的空燃比，該信號的手動(dòng)MOS觸發(fā)時(shí)，僅將計算結果旁路，涉及計算的原始檢測元件不受影響。

6)手動(dòng)MOS為操作員界面上的軟開(kāi)關(guān)，通過(guò)通訊方式接入投入式液位計系統。當操作員站與投入式液位計系統之間的通訊故障時(shí)，旁路應維持當前狀態(tài)。當通訊重新建立后，旁路狀態(tài)不變。

7)手動(dòng)MOS的解除可通過(guò)兩種方式:復位操作員站操作界面上的維護旁路軟開(kāi)關(guān)，或將MOS使能開(kāi)關(guān)旋入非使能允許狀態(tài)。

8)MOS使能開(kāi)關(guān)旋入非使能允許狀態(tài)時(shí)，不僅意味著(zhù)禁止繼續投用MOS，也意味著(zhù)解除當前所有投用的MOS。此動(dòng)作可能立即引發(fā)聯(lián)鎖，需要有權限的人員操作。

 

2．3自動(dòng)MOS以及架構降級的詳細設計原則

在自動(dòng)MOS的設計中，當投入式液位計系統判斷檢測元件出現故障時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)維護旁路。系統能夠判斷檢測元件失效的前提條件是，該檢測元件是智能變送器且含自診斷功能，模擬量4～20mA信號輸出，且兼容NAMUＲNE43的標準。所以自動(dòng)MOS不能應用于開(kāi)關(guān)量、數字量信號。NAMUＲNE43中定義mA信號故障狀態(tài)如圖3所示。

 

 

 

表1執行的條件是投入式液位計系統能夠具備判斷檢測元件故障的能力，檢測元件也有內部診斷功能而且也符合NAMUＲNE43的標準，變送器的輸出為正作用(測量值增大時(shí)，輸出電流也增大)。

檢測元件本身不具備自診斷功能，且輸出為模擬量時(shí)(不tuijian選用該類(lèi)儀表)，若投入式液位計系統診斷到元件故障，應該觸發(fā)聯(lián)鎖而不應設置自動(dòng)MOS。

當測量元件與投入式液位計系統都不具備診斷故障的功能，且測量元件輸出為模擬量時(shí)(不tuijian選用該類(lèi)儀表或投入式液位計系統)，儀表或控制系統都無(wú)法診斷或檢測儀表的故障狀態(tài)，該檢測元件不能設置自動(dòng)MOS，也不能同時(shí)兼具高高及低低聯(lián)鎖，除非這兩個(gè)聯(lián)鎖的動(dòng)作一樣。當檢測元件用于低低聯(lián)鎖時(shí)，其輸出設置為正作用，用于高高聯(lián)鎖時(shí)，其輸出設置為反作用。

需要注意的是，自動(dòng)MOS并不能完全避免因儀表故障引起的聯(lián)鎖。例如帶有低低聯(lián)鎖的現場(chǎng)變送器斷路或掉電時(shí)，會(huì )在故障狀態(tài)被診斷之前就已觸發(fā)聯(lián)鎖。同樣的，帶有高高聯(lián)鎖的現場(chǎng)變送器短路時(shí)，也會(huì )在故障狀態(tài)被診斷之前就已觸發(fā)聯(lián)鎖［6］。

自動(dòng)MOS好立于手動(dòng)MOS設置。自動(dòng)MOS的有效時(shí)間是有限制的(可提前預設定時(shí)器，#大1小時(shí))，自動(dòng)MOS被觸發(fā)時(shí)，產(chǎn)生故障報警通知操作工，操作工應在有效時(shí)間內使用手動(dòng)MOS確認已經(jīng)管理該儀表，并同時(shí)解除自動(dòng)MOS。如果不實(shí)施手動(dòng)MOS，定時(shí)器超時(shí)后，自動(dòng)解除自動(dòng)MOS，并觸發(fā)聯(lián)鎖。

自動(dòng)MOS不受MOS使能開(kāi)關(guān)的限制，僅受檢測元件診斷故障狀態(tài)的驅動(dòng)，隨時(shí)可以觸發(fā)投用。但是，當MOS使能開(kāi)關(guān)從使能允許狀態(tài)切換至非使能允許狀態(tài)時(shí)，將解除所有的當前的MOS，包括自動(dòng)MOS［6］。如果相關(guān)的檢測元件仍然存在故障，將可能引發(fā)聯(lián)鎖。

當進(jìn)行安全回路SIF的SIL驗證計算時(shí)，應考慮自動(dòng)MOS帶來(lái)的影響。

 

2．4儀表表決架構與MOS的設計關(guān)系

從上述介紹可以看出，投入式液位計系統中，對于智能模擬量檢測元件:

1)1oo1表決架構tuijian設計自動(dòng)MOS，當安全可控時(shí)，也可以設計手動(dòng)MOS，當安全不可控時(shí)，因為該表決架構沒(méi)有容錯能力，不能設計任何MOS。

2)對于2oo2、2oo3的表決架構，自動(dòng)MOS不適用，因為此表決架構是可以允許單信號故障容錯的。但是信號故障時(shí)，tuijian特殊按照NegativeMOS方式組態(tài)，按照表1進(jìn)行表決架構降級處理，避免頻繁停車(chē)。

3)對于1oo2的表決架構，不適用自動(dòng)MOS，可以按照圖2所示，為每個(gè)檢測元件設計手動(dòng)MOS，同時(shí)也可以按照表1設計為架構降級處理，避免頻繁停車(chē)。

 

2．5MOS的設計注意事項

一個(gè)安全聯(lián)鎖單元中，當可以使用MOS時(shí)，#多只能投用一個(gè)MOS，無(wú)論是自動(dòng)MOS還是手動(dòng)MOS。 任何MOS都不允許解除報警［1］，報警有專(zhuān)用的管理系統進(jìn)行管理。所有與MOS相關(guān)的事件，如MOS使能允許、MOS觸發(fā)、MOS解除等，都應該在DCS或投入式液位計系統的事件順序記錄站中進(jìn)行記錄。

自動(dòng)MOS為系統自動(dòng)觸發(fā)及解除，wuxu人工干預，手動(dòng)MOS可根據圖2的原則好立設置。自動(dòng)MOS和手動(dòng)MOS可同時(shí)存在于同一檢測元件。

 

3 結束語(yǔ)

合理的維護旁路的設計，對生產(chǎn)裝置的安全和連續運行具有重要意義。維護旁路的設置方式與煉化廠(chǎng)的管理水平有很大的關(guān)系，應用自動(dòng)MOS以及架構降級設計理念和方案，可以在保證安全的前提下，減少操作及維護人員對各種復雜情況的判斷及處理，并在很大程度上避免頻繁停工帶來(lái)的經(jīng)濟損失。