SIS與DCS集成的化工裝置安全控制研究

SIS系統(tǒng)被普遍用于工業(yè)安全控制體系中，可以說(shuō)是保證危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)安全運(yùn)行的最后一道防線。實(shí)現(xiàn)SIS系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)集成化，共用一個(gè)操作系統(tǒng)，相同的組態(tài)軟件等條件便于人工操作和發(fā)揮其優(yōu)越的通信條件，從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性方面都將收到良好的效果。未來(lái)，面向基于SIS與DCS集成的化工裝置安全控制研究必然成為安全儀表系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1、SIS系統(tǒng)

安全儀表系統(tǒng)（SIS，Safety Instrumented System）基本組成包括邏輯控制器、現(xiàn)場(chǎng)傳感器、執(zhí)行器，一般兼?zhèn)浠馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)、氣體安全防護(hù)系統(tǒng)等功能。一旦安全生產(chǎn)系統(tǒng)有異常情況發(fā)生時(shí)，SIS系統(tǒng)會(huì)第一時(shí)間發(fā)出預(yù)警信息，按照程序設(shè)定有序控制相關(guān)安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，從而切斷引發(fā)事態(tài)擴(kuò)大的因素，將損失降到最小。SIS系統(tǒng)在整個(gè)安全生產(chǎn)應(yīng)急處置中處于十分重要的地位。

化工廠安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)和分級(jí)管理系統(tǒng)

SIS系統(tǒng)與DCS過(guò)程控制系統(tǒng)的運(yùn)行和設(shè)置是分離的，二者相互獨(dú)立。生產(chǎn)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行時(shí)，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)不會(huì)被外界因素觸發(fā)，通常系統(tǒng)會(huì)處在靜默狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生危及安全生產(chǎn)事故時(shí)，聯(lián)鎖條件被觸發(fā)，SIS系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)及時(shí)控制事故源，切斷引起事故擴(kuò)大的因素，讓生產(chǎn)裝置局部或全部停機(jī)或者處于事先設(shè)定的安全狀態(tài)。SIS系統(tǒng)可降低煤化工生產(chǎn)裝置的安全風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、維護(hù)管理也得到更多的重視和研究。

2、SIS與DCS的集成通信

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，DCS系統(tǒng)的功能主要在于過(guò)程控制。但就實(shí)際使用來(lái)看，DCS的可靠性和響應(yīng)速度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到安全系統(tǒng)的要求。因此在對(duì)安全要求級(jí)別較高的化工行業(yè)而言，SIS系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)通常是分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造安裝的。

近年來(lái)DCS系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)處理速度有了很大改觀，DCS系統(tǒng)在發(fā)展過(guò)程中不斷吸收SIS系統(tǒng)的許多功能模塊，其部分性能也越來(lái)越接近SIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一定的安全性能。DCS和SIS在集成方面均具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)前二者的集成融合在通信和軟件等方面還存在一定的問(wèn)題。

MODBUS 通信協(xié)議

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)該協(xié)議，控制器與控制器之間通信或控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和其它電子設(shè)備之間進(jìn)行通信，其本質(zhì)就是一個(gè)請(qǐng)求/應(yīng)答協(xié)議。

Modbus協(xié)議規(guī)定了SIS與DCS之間信息域格局和通信內(nèi)容的格式。SIS和DCS可以通過(guò)這種集成方式在控制系統(tǒng)的人機(jī)界面下實(shí)現(xiàn)通信，可以說(shuō)這種通信鏈接方式屬于硬鏈接。這種集成通信方式下，數(shù)據(jù)流方向主要偏向于SIS向DCS傳遞，且數(shù)據(jù)傳輸收到硬件設(shè)備的性能影響較大。

因?yàn)镾IS和DCS都具備成熟的操作軟件，各自都擁有自身的一套組態(tài)工具，人機(jī)界面控制系統(tǒng)，甚至控制網(wǎng)絡(luò)都大不相同。采用這種集成方式需要組織人員分別對(duì)兩種控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控，控制線路比較復(fù)雜，故障率較高。這就導(dǎo)致企業(yè)成本大幅增加，不利于在石油化工行業(yè)中推廣應(yīng)用。

OPC 通信

OPC是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)際組織OPC基金會(huì)管理。世界上主要的自動(dòng)化控制系統(tǒng)、儀器儀表及過(guò)程控制系統(tǒng)的產(chǎn)品均使用該標(biāo)準(zhǔn)。OPC具有整套的接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集合，主要用于設(shè)備過(guò)程控制系統(tǒng)和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。OPC標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)提供一套標(biāo)準(zhǔn)的OLE/COM接口，在此平臺(tái)上各個(gè)控制器可以與設(shè)備及時(shí)無(wú)阻礙的進(jìn)行信息交流和傳遞。

SIS和DCS通過(guò)OPC進(jìn)行通信，可以有效避免不同軟件在同一系統(tǒng)中運(yùn)行的沖突，使SIS系統(tǒng)可以順利地利用DCS提供的必要數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)功能。但這種集成方式對(duì)于硬件的要求比較高，服務(wù)器配置高，大都需要進(jìn)口，價(jià)格也比較高，對(duì)于化工領(lǐng)域內(nèi)的中小企業(yè)會(huì)產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

SIS與DCS的無(wú)縫集成

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種集成SIS系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)功能的電路板，這樣就避免了硬件不匹配的問(wèn)題，通信無(wú)障礙。該集成方式將兩者在物理上的機(jī)型進(jìn)行集成，但在邏輯上相互分開(kāi)，使得控制程序以及安全程序是相互獨(dú)立的，互不影響，同時(shí)執(zhí)行。

SIS與DCS無(wú)縫集成示意圖

這種特殊的集成方式使用相同的控制網(wǎng)絡(luò)線路和組態(tài)工具，數(shù)據(jù)的通信過(guò)程非常方便，不需要添加額外的接口和驅(qū)動(dòng)裝置。由于應(yīng)用了相同的監(jiān)測(cè)設(shè)備以及操作平臺(tái)，所以在具體的操作和通信過(guò)程中會(huì)更加便利迅捷。SIS系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)可以同時(shí)使用控制系統(tǒng)的具體位號(hào)的信息，二者共享現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量信息，無(wú)需添加新的組態(tài)。無(wú)縫集成方法節(jié)省人力，節(jié)約成本，通信安全迅捷，優(yōu)勢(shì)明顯。

3、SIS 系統(tǒng)在氨區(qū)存儲(chǔ)罐區(qū)的應(yīng)用

液氨產(chǎn)品存儲(chǔ)通常用球灌裝，但球罐體控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，控制出現(xiàn)不當(dāng)極易出現(xiàn)災(zāi)難性事故。球罐體壓力是一項(xiàng)重要的控制參數(shù)，當(dāng)球罐體壓力超過(guò)了設(shè)定值時(shí)，DCS系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置將實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)值回傳至SIS系統(tǒng)。SIS系統(tǒng)則根據(jù)事先程序設(shè)定值將自動(dòng)啟動(dòng)聯(lián)鎖裝置，切斷液氨繼續(xù)進(jìn)入罐體，使罐體不會(huì)因?yàn)橐喊背萘孔⑷攵l(fā)的危險(xiǎn)事故。

濃氨水產(chǎn)品通常采用罐體存儲(chǔ)，上方采用氮?dú)饷芊?，防止氨氣溢出?chǔ)罐污染大氣，給人緣和環(huán)境帶來(lái)危險(xiǎn)。向罐體內(nèi)注入氮?dú)獾囊粋€(gè)重要目的是可以通過(guò)注入氮?dú)饬康亩嗌倏刂乒摅w壓力，當(dāng)操作壓力到達(dá)規(guī)定的值的時(shí)候，濃氨水儲(chǔ)槽頂部的呼吸閥就會(huì)打開(kāi)。如果呼吸閥放散不及時(shí)或者出現(xiàn)故障時(shí)罐體壓力會(huì)繼續(xù)上升，壓力達(dá)到第二個(gè)規(guī)定值時(shí)氮封閥會(huì)自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)行泄壓。

如果呼吸閥放散和氮封閥出現(xiàn)故障或者泄壓速度慢，罐體壓力依然上升，達(dá)到罐體設(shè)定的最高值時(shí)，觸發(fā)聯(lián)鎖使通往濃氨水儲(chǔ)槽管道上的氮?dú)怆姶砰y會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，切斷氮?dú)獾倪M(jìn)入由氮封閥和呼吸閥進(jìn)行泄壓。當(dāng)緊急情況發(fā)生的時(shí)候也可以通過(guò)人工泄壓。此外，還放置了壓力極高聯(lián)鎖系統(tǒng)，如果罐體壓力到達(dá)極高聯(lián)鎖設(shè)定值的時(shí)候，通過(guò)聯(lián)鎖使進(jìn)料閥自動(dòng)緊急切斷，從而保障罐內(nèi)壓力平穩(wěn)、罐體不被破壞。

4、SIS系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

為滿足SIS系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的挑選應(yīng)盡量選擇自身具有危險(xiǎn)診斷功能和故障率較低的儀表測(cè)量設(shè)備。對(duì)于液氨球罐和濃氨水儲(chǔ)罐的安全儀表系統(tǒng)安裝，針對(duì)其液位測(cè)量和壓力測(cè)量應(yīng)選擇冗余配置，實(shí)現(xiàn)多選一功能。

針對(duì)緊急切斷功能，切斷閥應(yīng)盡量選擇電磁閥，并盡量使用常開(kāi)點(diǎn)，電磁切斷閥采用串聯(lián)冗余配置，并與過(guò)程控制系統(tǒng)分離控制，在出現(xiàn)故障時(shí)提高其可靠性。另外，SIS系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，軟件一直在運(yùn)行，并對(duì)程序控制測(cè)點(diǎn)進(jìn)行不斷的數(shù)據(jù)交換，準(zhǔn)確的對(duì)聯(lián)鎖數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和干預(yù)，保證SIS系統(tǒng)在安全生產(chǎn)中穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)效性，安全性。