唐虹，王波，鄭健

(中自控自動(dòng)化技術(shù)有限公司，北京 100026)

施耐德安全PLC在某化工罐區(qū)的應(yīng)用

唐虹，王波，鄭健

(中自控自動(dòng)化技術(shù)有限公司，北京 100026)

摘要：介紹了施耐德安全PLC在化工罐區(qū)的應(yīng)用。罐區(qū)存儲(chǔ)丙烯，是易燃低毒物品，若泄漏將會(huì)對(duì)水體，土壤和大氣造成污染。為了提高罐區(qū)的安全系數(shù)，CPU采用施耐德安全PLC昆騰系列，構(gòu)架采用CPU熱備和IO熱備，達(dá)到安全SIL3級(jí)別；同時(shí)系統(tǒng)增加了SOE功能，使操作人員能實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，提高安全性。重點(diǎn)描述施耐德安全PLC的特點(diǎn)、系統(tǒng)架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)的功能以及系統(tǒng)中SOE記錄功能的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：化工罐區(qū)；安全可編程控制器； 施耐德； 熱備； SOE

Schneider Safety PLC Application in Chemical Tank Farm

TANG Hong，WANG Bo，ZHENG Jian

(CACS Automation Engineering Limited Company，Beijing 100026,China)

Abstract:The paper maily introduces Schneider safety PLC application in chemical tank farm. The propylene of tank storage is a flammable and low toxic substance. If it leaks in water, soil and atmosphere, they are polluted. In order to improve the safety coefficient of the tank, Schneider Quantum PLC is applied to CPU of this system and CPU and IO with standby heat are used in the frane to reach SIL3 level security. At the same time, SOE function is added to the system, so that the operator can monitor real-time data to improve its safety. This paper describes the characteristics of Schneider PLC system, its structure and functions and implementation of SOE in this system.

Keywords:chemical tank farm; safety PLC; schneider; standby heat; SOE

0引言

工業(yè)事故能?chē)?yán)重導(dǎo)致人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染，在化工罐區(qū)尤為突出。隨著化工罐區(qū)不斷發(fā)展，安全隱患也是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。安全PLC憑借其高穩(wěn)定性，高安全性等方面的優(yōu)點(diǎn),被越來(lái)越多的應(yīng)用于各自動(dòng)化領(lǐng)域。一套安全可靠的自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)于罐區(qū)來(lái)說(shuō)，是提升其安全可靠的必要保障。

化工罐區(qū)包含4個(gè)球罐，主要用于儲(chǔ)存丙烯。丙烯作為石油化工基本原料之一，其易燃特性決定了這套控制系統(tǒng)的重要性。

1施耐德安全PLC介紹及特點(diǎn)

a) 施耐德的安全PLC是Modicon Quantum系列的PLC產(chǎn)品，其經(jīng)過(guò)了TüV Rheinland Group認(rèn)證，符合IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)，安全等級(jí)能達(dá)到SIL3的級(jí)別。施耐德安全PLC還符合以下標(biāo)準(zhǔn)[1]：

1) IEC 61131

2) 鍋爐保護(hù)

3) 歐洲標(biāo)準(zhǔn)：EN 50156

4) 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)：NFPA 85 和 NFPA 866

5) EN 54-2：火災(zāi)檢測(cè)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

6) EN298：氣體燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng) (帶或不帶風(fēng)機(jī))

7) 機(jī)器安全：IEC 62061 和 EN ISO 13849

b) 施耐德安全CPU采用了“1oo2”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)兼顧可用性和經(jīng)濟(jì)效益，是 “1oo2”架構(gòu)的核心。整個(gè)結(jié)構(gòu)獨(dú)立于常規(guī)過(guò)程控制，從I/O到監(jiān)控系統(tǒng)，整個(gè)功能冗余體系都可以承受多個(gè)故障，同時(shí)保證所需的功能安全，因此具有如下特點(diǎn) ：

1) 一旦出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將立即起用，使系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。

2) PLC安全邏輯和上位組態(tài)簡(jiǎn)單，僅用于關(guān)閉系統(tǒng)并進(jìn)入安全狀態(tài)。

3) 安全PLC不參與過(guò)程控制，其過(guò)程與過(guò)程控制分開(kāi)，簡(jiǎn)化認(rèn)證。

施耐德Quantum安全PLC的安全回路包括3部分組件：傳感器、Quantum 安全PLC、執(zhí)行器，整個(gè)控制回路如圖1所示。

圖1　控制回路

安全 PLC 產(chǎn)品主要有表1所示的卡件。

表1　安全卡件

安全開(kāi)關(guān)量輸出為正常勵(lì)磁型，故障時(shí)處失勵(lì)狀態(tài)。執(zhí)行元件在氣源或電源故障時(shí)處于安全位置。安全PLC 卡件具有短路保護(hù)功能，對(duì)輸入輸出電路進(jìn)行保護(hù)，任何外部的短路都可被診斷出來(lái)。Quantum 系列安全PLC系統(tǒng)的各種插卡均能在線插拔、更換。設(shè)備能在線自診斷，并排錯(cuò)報(bào)警和無(wú)差錯(cuò)切換。

2系統(tǒng)構(gòu)成

整套系統(tǒng)硬件由安全PLC模塊和非干擾PLC模塊組成。其中 CPU模塊為CPU 140 CPU 671 60S，離散量輸入模塊為140 SDI 953 00S，離散量輸出模塊為140 SDO 953 00S，模擬量輸入模塊為140 SAI 940 00S，電源模塊為140 CPS 124 20，遠(yuǎn)程IO適配器為140 CRP 932 00和140 CRA 932 00，通訊模塊為140 NOE 771 11。非干擾模塊不直接用于控制安全功能，因此整個(gè)系統(tǒng)仍達(dá)到SIL3等級(jí)。

系統(tǒng)中采用的CPU、電源設(shè)備和部件、通訊IO卡件均為1∶1熱備結(jié)構(gòu)。此系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)冗余的硬件同時(shí)運(yùn)行，這樣可以保證當(dāng)主控制件出現(xiàn)故障時(shí)將被切除，備用控件能自動(dòng)提供不間斷控制，無(wú)差錯(cuò)切換，系統(tǒng)仍然能達(dá)到SIL3安全等級(jí)。同時(shí)系統(tǒng)沒(méi)有故障修復(fù)時(shí)間限制，確保系統(tǒng)安全持續(xù)運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。 圖2中，陰影部分為安全模塊，其他為無(wú)干擾模塊。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

CPU站有電源模塊，CPU，遠(yuǎn)程IO模塊，通訊模塊，電源模塊。每個(gè)主站配備2塊電源模塊，提供電源不間斷服務(wù)；遠(yuǎn)程IO模塊為2通道，保證一個(gè)通道與遠(yuǎn)程IO通訊出現(xiàn)問(wèn)題，另一通道能無(wú)縫銜接。2個(gè)遠(yuǎn)程IO站完全相同，均為1∶1冗余，兩個(gè)遠(yuǎn)程IO站均采用雙電源工作。

下位編程采用Unity Pro XLS V7.0 ，此版本經(jīng)過(guò)TüV認(rèn)證，可用于安全PLC編程。編程時(shí)，除了遵循 IEC 61508 和 IEC 61511標(biāo)準(zhǔn)外，還要遵循安全手冊(cè)中所有規(guī)則，例如必須有密碼保護(hù)等，這些規(guī)則都經(jīng)過(guò) TüV檢測(cè)和認(rèn)證。[2]上位軟件采用Vijeo Citect7.2進(jìn)行組態(tài)。上、下位有效結(jié)合保證整個(gè)系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。

3系統(tǒng)功能

a) 診斷功能

施耐德Quantum 系列安全PLC的自診斷技術(shù)可以在一個(gè)掃描循環(huán)期內(nèi)對(duì)系統(tǒng)的全部硬件和軟件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷。系統(tǒng)自診斷功能至少包括：在過(guò)程安全時(shí)間間隔內(nèi)的自診斷、執(zhí)行時(shí)間監(jiān)視、所有I/O點(diǎn)的檢測(cè)、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器管理檢測(cè)、內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸檢測(cè)、所有的通訊檢測(cè)、中央處理器(CPU)和內(nèi)存的監(jiān)測(cè)等。自檢發(fā)現(xiàn)故障可通過(guò)輸出報(bào)警信號(hào)。因此像CPU和I/O卡件的故障信息均可以4位字符顯示在上位上，也可以將故障卡件的位置顯示出來(lái)。例如：機(jī)柜號(hào)、I/O卡件的機(jī)架號(hào)、I/O卡件槽號(hào)等。[3]

這些診斷通過(guò)上位軟件顯示，操作人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)故障卡件進(jìn)行替換，使系統(tǒng)能實(shí)時(shí)滿足熱備功能，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。圖3是IO各個(gè)通道狀態(tài)，以下為脫離實(shí)際PLC狀態(tài)，所以均顯示故障。點(diǎn)擊相應(yīng)通道會(huì)出現(xiàn)彈出對(duì)話框，顯示不同通道由于各種原因產(chǎn)生的故障說(shuō)明，這些故障說(shuō)明能使操作人員更加方便快捷找到故障的所在，提高系統(tǒng)維護(hù)效率。

圖3　IO卡件通道診斷

b) 緊急停車(chē)邏輯處理功能

系統(tǒng)有強(qiáng)大的邏輯處理能力，能夠?qū)﹄x散的過(guò)程信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，快速執(zhí)行邏輯運(yùn)算，正確發(fā)出控制指令，以保證人員和生產(chǎn)裝置、大型設(shè)備的安全。

系統(tǒng)檢測(cè)儲(chǔ)罐液位由伺服液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)兩種檢測(cè)方式檢測(cè)，與液位開(kāi)關(guān)聯(lián)合形成高液位聯(lián)鎖功能。當(dāng)其中兩個(gè)條件觸發(fā)時(shí)，將關(guān)閉罐根閥門(mén)，防止爆罐。發(fā)生聯(lián)鎖后，會(huì)關(guān)閉相應(yīng)儲(chǔ)罐的罐根閥門(mén)，且無(wú)法遠(yuǎn)程打開(kāi)閥門(mén)，直至聯(lián)鎖解除。聯(lián)鎖畫(huà)面如圖4所示。

圖4　聯(lián)鎖畫(huà)面

c) 報(bào)警功能

1) 外部供電檢測(cè)。如果電源不能完成供電時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警。如液位開(kāi)關(guān)供電異常報(bào)警。液位開(kāi)關(guān)參與聯(lián)鎖在整個(gè)系統(tǒng)中至關(guān)重要，確保其供電是必不可少的。

2) 備用CPU狀態(tài)檢測(cè)。若備用CPU處于“停止”或“離線”狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將不具備熱備功能。此時(shí)系統(tǒng)報(bào)警。

3) 液位偏差檢測(cè)。系統(tǒng)具有IO熱備功能，一個(gè)信號(hào)有兩個(gè)通道進(jìn)行采集，若采集同一液位的兩通道數(shù)值偏差過(guò)大，則表示通道相關(guān)硬件故障，系統(tǒng)報(bào)警。

4) 雷達(dá)液位與伺服液位偏差檢測(cè)。系統(tǒng)中儲(chǔ)罐的液位有兩種儀表進(jìn)行采集，并且液位參與聯(lián)鎖。當(dāng)這兩種采集結(jié)果偏差過(guò)大時(shí)，表示至少有一種儀表出現(xiàn)故障，系統(tǒng)報(bào)警。

5) 開(kāi)關(guān)閥門(mén)時(shí)間檢測(cè)。系統(tǒng)控制的閥為罐根閥，當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)應(yīng)及時(shí)關(guān)閉閥門(mén)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閥門(mén)狀態(tài)是系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。如果閥門(mén)打開(kāi)關(guān)閉的時(shí)間超長(zhǎng)，代表閥門(mén)本身可能存在故障，此時(shí)系統(tǒng)報(bào)警。

系統(tǒng)對(duì)報(bào)警進(jìn)行分級(jí)，對(duì)于級(jí)別高的報(bào)警，會(huì)有提示框顯示，同時(shí)報(bào)警聲音會(huì)不斷進(jìn)行提示直至報(bào)警消失。對(duì)于級(jí)別稍微低的報(bào)警將聲音提示一段時(shí)間；而級(jí)別最低的報(bào)警聲音提示一下即可。所有報(bào)警在每個(gè)頁(yè)面的最下方都會(huì)有顯示。圖5為彈出報(bào)警和報(bào)警頁(yè)面。

圖5　報(bào)警顯示

所有報(bào)警功能的設(shè)置確保系統(tǒng)能在冗余的正常狀態(tài)在運(yùn)行，使系統(tǒng)安全系數(shù)得到提高。

d) SOE功能

SOE及時(shí)間順序記錄,是sequence of events 的縮寫(xiě)。作為SOE系統(tǒng)其輸入信號(hào)都是數(shù)字量信號(hào)，它以高分辨率記錄各個(gè)信號(hào)變化的先后次序，幫助操作人員在發(fā)生事故情況時(shí)能分辨事故發(fā)生的原因，找出首次故障。因此SOE成為分析事故的主要記錄手段。

在施耐德產(chǎn)品中專(zhuān)門(mén)用于SOE記錄功能的卡件為非安全型模塊，沒(méi)有得到TüV認(rèn)證，因此在安全系統(tǒng)中為了達(dá)到SOE的功能采用編程的方式實(shí)現(xiàn)，對(duì)于每個(gè)數(shù)字量的信息進(jìn)行記錄，每個(gè)輪詢(xún)進(jìn)行比較，將不同的數(shù)字量進(jìn)行記錄，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間順序記錄功能。

系統(tǒng)程序較少，因此一個(gè)輪詢(xún)下來(lái)時(shí)間將達(dá)到毫秒級(jí)，記錄的事件包括各個(gè)數(shù)字量通道的變化，高液位報(bào)警以及聯(lián)鎖的發(fā)生、復(fù)位等信息，最終通過(guò)上位軟件寫(xiě)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便事故查詢(xún)分析。

e) 通訊功能

整個(gè)系統(tǒng)無(wú)論從上位，還是下位均采用通訊冗余，具有良好的容錯(cuò)能力，支持多種接口協(xié)議，包括RS485串行通訊、TCP/IP、OPC等?？梢耘c第三方設(shè)備無(wú)痕鏈接。

4結(jié)語(yǔ)

文中所論述的施耐德安全PLC系統(tǒng)已經(jīng)在某化工罐區(qū)得到驗(yàn)證，用戶可以通過(guò)上位軟件對(duì)罐區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)查詢(xún)。

參考文獻(xiàn):

[1] Alynda Brown, Graeme Sutton, Anthony Wong, Ken Holder. Vijeo Citect 設(shè)置課程[M]. 上海：施耐德電氣有限公司，2008.

[2] unty pro操作手冊(cè)[M]. 上海：施耐德電氣有限公司，2008.

[3] unty pro 語(yǔ)言和程序結(jié)構(gòu)參考手冊(cè)手冊(cè)[M]. 上海：施耐德電氣有限公司，2005.

收稿日期：2014-03-03

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)04-0202-03

作者簡(jiǎn)介：唐虹(1981-)，女，山東煙臺(tái)人，工程師，碩士，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化系統(tǒng)集成。