摘要: 主要介紹了變送器故障檢測技術的實現(xiàn)方式及在康吉森TS3000 SIS 系統(tǒng)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(tǒng)的“2oo3”( 三取二) 安全邏輯中的使用。同時引入了NAMUＲ NE43 tuijian標準，對SIS 系統(tǒng)中所有的變送器進行了剖析，找出并改正變送器故障檢測在系統(tǒng)應用的隱患，在滿足聯(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(wěn)長滿優(yōu)”運行。
安全儀表系統(tǒng)( Safety instrumentation System，簡稱SIS) ，在石油化工生產(chǎn)裝置的開車、停車、運行擾動以及維護操作期間，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(tǒng)設計規(guī)范》( SH/T 3018—2003) 中對石油化工安全儀表系統(tǒng)的設計進行了詳細的要求。
中國石油四川石化有限責任公司( 以下簡稱四川石化) 乙烯裝置使用的是SIS 系統(tǒng)。根據(jù)工藝的特點，在設計階段，該乙烯裝置的安全系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)大量采用2oo3 的邏輯結(jié)構(gòu)，見圖1。此邏輯結(jié)構(gòu)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(tǒng)中變送器故障檢測的實現(xiàn)及應用
在邏輯結(jié)構(gòu)中，有3 臺感測器( 即變送器) 的信號輸入進入康吉森SIS 系統(tǒng)。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(zhuǎn)換為對應的819 ～ 4 095 的數(shù)字量信號，然后送入SIS 系統(tǒng)軟件的輸入處理模塊( AI2L /AI2H模塊) ( 見圖2) ，此模塊把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應的工程量并可以通過與聯(lián)鎖值比較，輸出高高或低低報警信號; 同時此模塊可根據(jù)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，該電流值無效，同時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，見圖3。此模塊可以把AI2L /AI2H 輸出得到的3 個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，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(tǒng)設計規(guī)范》( SH/T 3018—2003) 中“安全儀表邏輯結(jié)構(gòu)圖”的“2oo3”功能。當輸入信號有1 個故障時，“2oo3”功能下降為“1oo2”; 當輸入信號有2 個故障時，“1oo2”功能下降為“0oo0”，即如果同時有2 個信號故障，也會觸發(fā)聯(lián)鎖。在邏輯結(jié)構(gòu)上，從軟件的角度，兼顧了聯(lián)鎖系統(tǒng)的可用性及安全性。
2、存在的問題
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(tǒng)的SD － 2 聯(lián)鎖: 當爐膛負壓高于50 Pa 時，裂解爐SD － 2 停車。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(xiàn)場采用了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”。在開車期間，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，輸出電流值3． 2 ～21． 6 mA( 變送器量程的－ 5% ～ 110%) 。雖然此時3 臺變送器測量值低于量程的－ 5%，但會同時輸出3． 2 mA 電流信號到SIS 系統(tǒng)。此時SIS 系統(tǒng)中的AI 模塊( AI2H) 檢測判斷為這3 臺變送器已經(jīng)故障，同時產(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。
按照設計，在正常操作下，僅當爐膛負壓高于50 Pa 時，才觸發(fā)聯(lián)鎖。在開車過程中，工藝操作可能會使爐膛負壓低于－ 110 Pa，因此不能聯(lián)鎖。同時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
通過分析，問題的根源在于未對現(xiàn)場變送器正常工作時( 包含儀表雖超量程，但儀表整體運行時正常的情況) 的輸出電流值、變送器故障時的輸出電流值與康吉森SIS 系統(tǒng)檢測方式下的電流值進行有效的分配及劃分�？导璖IS 系統(tǒng)中AI2L /AI2H 模塊，會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行適當?shù)膭澐�，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(qū)分開來，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”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) 的輸出電流進行范圍劃分，使電流的接收端可以通過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，見圖4。
由于NAMUＲ 的大力推廣，符合NE43 的現(xiàn)場變送器應用非常廣泛，只要選取適當?shù)碾娏鞣秶�，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(tǒng)準確區(qū)分開來。
通過與三暢儀表廠家討論確認，EJA 系列壓力、差壓變送器，符合NE43 標準，默認出廠設置為: 在正常測量時，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，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，變送器僅能輸出4 ～ 20 mA 的電流值。即使當實際測量值低于或高于儀表量程時，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，根據(jù)設置，輸出電流為21． 6 mA。通過此方法，即使在某些極端操作條件下，工藝參數(shù)超出了變送器的測量范圍，只要未達到聯(lián)鎖值，SIS 系統(tǒng)也不會觸發(fā)聯(lián)鎖，工藝操作可以繼續(xù)進行。在此次修改以后，裂解爐再未出現(xiàn)由于爐膛負壓低于變送器測量范圍，而導致SIS 的系統(tǒng)誤聯(lián)鎖，裂解爐跳車的事故。
儀表專業(yè)人員對SIS 系統(tǒng)中使用了變送器故障信號的聯(lián)鎖進行了剖析，進一步對相關的變送器的故障電流值范圍及正常測量電流值范圍進行了核實，查看是否與康吉森SIS 系統(tǒng)的故障檢測電流范圍存在不統(tǒng)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行討論，對極端操作條件下，工藝參數(shù)可能超過變送器量程的情況進行確認。結(jié)合以上方法對存在的隱患進行逐一整改，#后確認整改的內(nèi)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(xiàn)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，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(xiàn)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，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(xiàn)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，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(xiàn)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，輸出電流為21． 6 mA。
4 結(jié)語
在現(xiàn)在的SIS 系統(tǒng)中，為增加聯(lián)鎖的安全性，變送器故障信號越來越多地作為聯(lián)鎖信號引入到聯(lián)鎖中。同時，NANUＲ NE43 規(guī)范的廣泛使用，也使這種功能的實現(xiàn)非常容易。但在使用過程中，儀表專業(yè)人員必須熟悉在SIS 聯(lián)鎖中，變送器故障信號在SIS 系統(tǒng)中的作用，同時，熟悉現(xiàn)場變送器輸出電流的設置( 不同廠家的變送器，雖然都符合NE 43 標準，但具體的出廠默認設置不一樣) 。確認設置變送器的正常輸出電流在SIS 系統(tǒng)變送器的正常檢測電流范圍內(nèi)，確認變送器的故障電流在SIS 系統(tǒng)的變送器故障電流范圍內(nèi)，防止SIS 系統(tǒng)出現(xiàn)誤聯(lián)鎖，在不降低SIS 系統(tǒng)安全性的前提下，大幅增加聯(lián)鎖系統(tǒng)的可用性，保障裝置的安全、高效生產(chǎn)。
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