FSC系統在丙烯腈裝置上的應用

　　　
　　 圖5 CP對于I/O模件進行信息交換和控制的原理框圖3、FSC系統在丙烯腈裝置的組態
　　FSC系統組態的內容大致可分為以下四個部分：
　　系統組態：含系統參數的設置，硬件型號、數量的確定，位置的分配和通訊連接口的選區及設置；
　　軟件組態：主要是數據點的組態；
　　邏輯組態：邏輯圖組態。
　　●SOE組態：SOE實時紀錄表組態。
　　　　FSC系統使用的組態軟件為FSC Navigator（Release531），它提供了一個基于WINDOWS的用戶接口軟件包，可執行系統的組態和維護。其主要功能有：FSC系統組態、應用軟件的組態、生成應用軟件文檔、下裝軟件到FSC系統。另外該軟件在組態完成系統投入運行后，通過COM模件和PC機的連接還具有對FSC系統的監控功能：顯示FLD（Functional Logic Diagram）中應用程序的在線狀態、顯示各過程變量的狀態、強制I/O信號和FSC系統變量的狀態、顯示并保存系統診斷信息和向系統下裝更新后的應用程序。　　
　　3.1、系統組態
　　①、硬件組態：它含硬件型號、數量的確定和位置的分配等；
　　②、通訊設置：主要是FSC機柜兩個CP之間及其同PC機和DCS系統UCN網之間的通訊連接的設置。
　　●兩CP之間的通訊連接：其通訊連接口在系統集成時固定為兩CP中的COM1模件的A口，用戶不能修改；
　　●FSC與PC機的通訊連接：系統中PC機的主要任務是作為組態、維護、監控的工程師站及SOE實時記錄、歷史記錄的SOE站。我們用一臺PC機來完成上述任務，因此組態中定義其連接接口為：FSC機柜中的兩CP中的COM1模件的B口和PC機的COM1口相連，用于工程師站與FSC系統的通訊連接；FSC機柜中的兩CP中的COM2模件的A口和PC機的COM2口相連，用于SOE站與FSC系統的通訊連接。我們用另一臺PC機作為操作員站，安裝了FIX軟件，并對其進行組態為可操作的、操作人員比較熟悉的流程圖等畫面。其連接接口為：FSC機柜中的兩CP中的COM2模件的B口與PC機的COM1口相連，用于該操作員站與FSC系統的通訊連接。
　　③系統參數設置：在系統組臺中有一些為滿足系統特別需要的個性化參數需要設定。系統參數可分為基礎應用組態參數和FSC機柜物理結構組態兩部分組成。有關物理結構組態主要是：機柜數量、應用卡籠數和CP卡籠的位置等；基礎應用組態參數則主要有：
　　●設備安全等級（Requirement Class）：它有AK4、AK5和AK6等級別的安全協議，當系統選用AK5、AK6等安全協議時，其中央控制單元必須是冗余的。同時安全協議的級別不同，系統提供的組態項目和診斷信息的內容也不同。
　　●過程安全時間（Process Safety Time）:它是現場出現不正常信號開始到事故發生的最短時間，其系統缺省值為1秒，一般系統組態不予改變。為保證在安全時間內程序運行兩遍以上，確保系統信號的準確性，程序的執行周期應小于過程安全時間的1/3即100∽330ms。在每一個程序執行周期中，系統將分別完成一次DI卡件的自檢、數據采集、邏輯處理、運算和數據輸出等工作。若程序的執行周期大禹過程安全時間的1/3，程序編譯時將出錯。若CP卡件故障則直接將該CP停下來。
　　●在線修改要求（On-line Modification Wanted）:若選用“YES”，則在系統進行硬件變更（卡件增減）或程序中的變量名等修改下裝后，其相應的內存位置將出現BLOCKED,而不能被新的內容所替代，它只能裝到內存的后面空位上。要消除BLOCKED，只能在系統運行后選用On-line Rebuild或Rebuild對兩個CP逐個進行內存整理才行。一般在系統調試階段不選用在線修改即選“NO”，則可以根據需要任意修改組態程序，將系統的兩個CP停下來了冷卻后下裝新的組態程序，重新啟動系統。由于系統不可能兩個CP同時停電冷卻，所以只能選用在線修改模式即選“YES”。
　　●故障間的內部時間（Interval Time Between Faults）:在組態時有兩個選擇“NOT USED”或給定一個計時時間數據（單位：min）。若選“NOT USED”，系統將在第一個故障出現時不計時，等到第二個故障產生即自動停止與故障相關FSC系統或設備；若一個時間數據（其范圍是：0∽32767min，一般選用4320min），則在第一個故障出現時開始計時，到給定的時間后如果故障沒有被及時處理好，不管有無第二個故障產生都將停止相關FSC系統或設備的工作。值得注意的是，在我們所選的AK5安全級別下系統計時器只在一個內部通訊故障（如一個CP停）或安全相關的輸出模件壞時才啟動；當計時器到時或第二個故障產生后，動作的結果是停FSC系統或整塊DO卡；對于冗余系統單個I/O卡故障不會導致系統停，但與之相關的輸入/輸出信號將被置“OFF”。若CP卡件故障則直接將該CP停下來。
　　●系統溫度（System Temperature）:它是在DBM模件組態時設置的，一般地在系統溫度低于5℃或高于55℃時系統診斷將發出報警信息，若低于0℃或60℃則以安全見直接停止整個系統的工作。
　　●啟動模式（Startup Mode）：FSC系統有兩種啟動模式：
　　 ◆冷啟動(Cold-start)：此時，FSC系統初始化所有參數到系統組態定義的系統啟動后FLD控制程序第一次運行前系統組態定義的數據狀態；
　　 ◆熱啟動(Warm-start)：應用控制處理器在最近一次停車瞬間保存的參數狀態數據啟動系統并繼續執行FLD控制程序。
　　　　對于FSC控制處理器而言，應用新的控制程序（如修改組態后重裝系統的第一次啟動）和系統因核心卡件故障停車后的第一次啟動均自動采用冷啟動。只是在兩個冗余控制器都停車后可提供熱啟動模式，如果一個控制其正常運行時啟動另一個，啟動后在開始第一次執行FSC控制程序前將自動以系統正確的狀態數據進行同步化。同時，若將啟動模式組態為熱啟動，在系統停車時，后停的控制處理器必須先啟動才能保證系統以接近最好的工作狀態。因此，為保證系統的穩定運行我們組態啟動模式組態為冷啟動。
　　
　　3.2、軟件組態
　　　　其主要任務是過程數據點和系統點組態。過程數據點含數字量輸入（DI）點、數字量輸出（DO）點和模擬量輸入（AI）點等三種類型；系統點含作數據比較的通訊（COM）點、占用輸入卡槽的系統診斷點和不占用輸入卡槽的系統診斷點等三種。
　　
　　數據點的主要組態參數：組態軟件提供的數據點組態類型有I(Digital Input：數字量輸入)、AI(Analog Input：模擬量輸入)、BI(Binary Input：二進制輸入)、XI( Multiplexes Input：乘法輸入)、O(Digital Output：數字量輸出)、AO(Analog Output：模擬量輸出)、BO(Binary Output：二進制輸出)、XO( Multiplexes Output：乘法輸出)、M(Marker：標志點)、C(Counter：計數點)、T(Timer：計時器)、R(Register：登記點)、P(PIDs：PID控制點)和A(Alarm：報警點)等。對于占用I/O通道的點來說，除有RACK(卡籠)、POSITION(模件號)和CHANNEL(通道)，AI點還有三Signal type(信號類型：4∽20mA)、Trm.alarm step.low(信號報警下限)、Trm.alarm step.high(信號報警上限)、量程等外，還有一些共同的參數需要了解一下：
　　●安全相關選擇（safety-related）:若選 “YES”，則數據點被置為安全相關，即在外部和FTA的回路正常時處于帶電狀態，系統不檢測回路是否連通；反之選“NO”，數據點被置為非安全相關，正常時不帶電，系統要隨時檢測回路是否連通，檢測手段為向回路輸出微弱的電信號。為安全起見此FSC系統中的有關過程點全置為安全相關。
　　●故障反應(Fault reaction):該參數僅能在非安全相關時修改。它定義的是故障時數據點的數據狀態。若數據點是安全相關的，該參數將被自動置為“LOW”，不能手動修改；若為非安全相關，它可以在“Scan”和“Hold”之間選擇。“Scan”即數據點的數值狀態將保留其故障前最后一次掃描的結果，甚至是錯誤的數據；“Hold”則是保留故障前最后一個合法值。
　　●SOE功能選擇(SER enable):若選“YES”，該數據點則具備了進行SOE實時記錄的功能，此時系統將自動彈出一個在組態SOE接口時定義的地址范圍內的順序數據。也可以用“”和“”鍵來手動設置；選“NO”則不能進行SOE實時記錄。
　　●變送器故障安全(sensor is fail safe):它定義變送器故障時數據點的狀態，這一功能僅在數據電是安全相關時可以使用。
　　
　　3.3邏輯組態
　　　　邏輯組態即FSC控制程序設計。FSC的控制功能主要是通過邏輯聯所控制設計的控制程序來完成的，其主要功能有：數據獲取、數據處理、控制算法、數據傳遞和與FSC系統連接的外部設備之間的數據交換。因此邏輯圖組態才是上述所有工作的目的所在，周密的工藝控制方案、準確和完善的邏輯組態是FSC系統達到設計要求，實現安全控制目的的前提和保障。
　　
　　3.3.1、工藝邏輯控制程序組態
　　　　在分析了丙烯腈裝置的工藝原理和生產特性的基礎上，我們以壓縮機和制冷機為中心建立了如下三個邏輯聯鎖系統以及一些模擬量輸入處理系統。
　　●丙烯腈裝置停車聯鎖系統-----反應器的停車聯鎖
　　FC-1103L：壓縮空氣流量低聯鎖停車
　　FF1111H：氧烯比高聯鎖停車
　　FF1112L：氨烯比低聯鎖停車
　　P102S、P109S、P107S、PV1211、TV1310、P135A/S等聯鎖控制。
　　●104＃機組聯鎖系統
　　主要是監控壓縮機組上的溫度、壓力、流量、軸振動、軸位移等信號的異常情況，一旦發現即將壓縮機組聯鎖停車，以保護機組的設備安全。
　　啟動電機M105的開車控制。
　　P143、P145等與104＃機組有關的泵聯鎖。
　　●401＃機組聯鎖系統
　　主要是監控制冷機組上的溫度、壓力、流量、軸振動、軸位移等信號的異常情況，一旦發現即將制冷機組聯鎖停車，以保護機組的設備安全。
　　　　P405S、P407S、PV4105、P402、P406、SV035/703等與401＃機組有關的泵聯鎖。
　　　　以上三個邏輯聯鎖系統可由FSC的FLDs組態，以與門、或門、非門、延時器和RS觸發器等邏輯門和觸發器的有機連接來實現聯鎖功能，其邏輯結構（略）。
　　　　在整個FLDs組態過程中，除了直接應用以上邏輯功能外，我們根據實際需要設置了第一聯鎖點監控系統，即當發生聯鎖停車事故時，可以直接從FSC的SOE上發現是哪一個聯鎖點出現故障引起的停車。因為當發生停車事故時，往往一個聯鎖點聯鎖后，其它工藝參數也跟著發生變化從而達到聯鎖值。這樣以來，無法發現哪一個點是引起停車的最初點。我們在FLDs的最后用邏輯控制將此問題解決。而且將這些第一聯鎖點通訊到操作員站的FIX畫面中。具體邏輯圖在此省略。
　　　　需要特別說明的是，為了將模擬量信號輸出給上位機，需要在FLDs組態中加入模擬量轉換和通訊信息。通過FSC的信號處理后與上位機的FIX軟件進行通訊，以便在上位機中通過FIX軟件組態成各種畫面，供操作人員監視用。具體FLDs在此省略。
　　
　　3.3.2、系統自診斷邏輯控制程序組態
　　　　FSC 系統本身具有強大的自診斷功能，在其電源卡PSU、空氣開關卡籠、機柜、I/O模件和系統內部通訊連接處都設有狀態或溫度檢測觸點，同時還有專門用于系統漏地檢測的ELD卡。在應用以上信號組態相應的系統數據點的基礎上，組態了兩幅邏輯控制圖（詳細邏輯圖略），而且將這些自診斷信息組態成通訊節點進行輸出，以便上位機的FIX軟件在組態流程圖畫面時調用（參加3.5節中FIX畫面的內容）。
　　
　　3.4、組態軟件編譯、下裝和SOE組態
　　 ①、軟件編譯、下裝：至此，FSC系統的組態工作已基本完成，在仔細檢查后可進行程序編譯。若出現編譯錯誤，可根據編譯產生的錯誤信息對軟件進行相應的修正；編譯通過后即可進行程序下裝并啟動系統。
　　 ②、SOE組態：其組態相對來說比較簡單，大致分為三個步驟：
　　●進入“SOE-Basic 130”選中“ADD”，填入要組態的SOE名稱；
　　●進入“Properties”選定通訊協議RS-232和通訊端口COM2,給定容許采集權限即可；
　　●選“Process Variable”填入要求采集事件的數據點或參數名及相關參數即可。
　　
　　3.5、FSC系統上位機
　　　　我們設置了兩臺PC機作為FSC的上位機，一臺FSC用戶站（即工程師站）含有FSC專業用戶軟件和SOE監控軟件，主要進行系統組態、控制程序設計（用FLDs邏輯功能圖）、事故記錄和查詢、系統維護等工作：
　　● 組態FSC參數及其屬性定義；
　　● 應用FLDs建立控制程序；
　　● 下裝組態和編譯完成的控制程序到FSC-SM；
　　● 監視系統狀態；
　　● 強制FSC參數，切斷控制回路，以便進行現場設備維護；
　　● SOE是基于WINDOWS 95/98應用程序，他將檢測到的過程事件記錄下來。這些事件從相連的FSC系統中檢索出來后用于在線查看，或存儲到磁盤上日后分析。安裝SOE軟件后，可以很方便找出引起的第一故障并進行分析，最大限度的減少停車時間，提高生產效益。
　　　　另一臺作為操作員站，我們安裝了FIX軟件，以便對模擬量信號進行檢測和控制，對于一些在FSC系統和SOE中無法實際的操作也移到FIX下進行操作，例如，聯鎖的摘除和投入，個別控制回路等均在該上位機上運行。
　　　　該上位機上共組態了12幅主畫面：104＃機組油路流程圖、104＃機組氣路流程圖、401＃機組油路流程圖、401＃機組氣路流程圖、401＃機組丙烯制冷流程圖、泵開關控制圖、旁路開關控制圖、模擬量棒圖、歷史趨勢記錄、報警總貌畫面、登陸頁面等。
　　
　　我們把這些畫面分成五類：
　　
　　第一類為流程圖。包括104＃機組油路流程圖、104＃機組氣路流程圖、401＃機組油路流程圖、401＃機組氣路流程圖、401＃機組丙烯制冷流程圖。這5幅流程圖中，被監視的點在圖中相應位置以位號進行標記。其中布爾量點在報警時位號會變為紅色，模擬量點在位號的下面顯示實時數據，在達到設置的報警限時，該數據也會變為紅色或者黃色，以便提醒操作人員注意。
　　
　　第二類為開關控制畫面。這些畫面用于泵和聯鎖信號的投用和切除。
　　
　　第三類為棒圖顯示畫面。這些畫面為按照位號排列的棒圖，每一個位號棒圖均詳細的顯示了各位號的各種工藝參數。這些工藝參數均有棒圖和數值兩種顯示。對于有報警限的位號，當數值達到報警限時，棒圖顏色會相應的變為黃色或者紅色。
　　
　　第四類為歷史趨勢畫面。歷史趨勢畫面被分成了21個組，共有6類：
　　● 進入聯鎖的模擬量輸入信號的歷史趨勢；
　　● 未進入聯鎖的模擬量輸入信號的歷史趨勢；
　　● 模擬量輸出點歷史趨勢；
　　● 進入聯鎖的布爾量輸入信號歷史趨勢；
　　● 未進入聯鎖的布爾量輸入信號歷史趨勢。
　　
　　第五類為報警畫面。報警畫面也有四類：
　　● 聯鎖點報警畫面；
　　● 非聯鎖點報警畫面；
　　● FSC系統報警畫面。這幅畫面比較詳細的顯示了FSC系統各個位置的故障信息。例如，FSC RACK開關斷路、FSC輸入輸出漏電、FSC直流電源故障、FSC機柜溫度超限、FSC CP停、FSC 輸入故障、FSC輸出故障、FSC SOE/FIX通訊故障、FSC CP溫度超限等。當FSC系統的某個方面有不正常狀態時，其相應的描述框就會變成紅色。
　　● 報警信息一覽畫面。在該報警信息一覽畫面中，新的信息被排在最前面，在被確認之前會不停的閃爍。報警的確認可以單個報警進行確認，方法是雙擊要確認的報警信息，也可以一次確認一屏，方法是點擊右上角的“確認報警”按鈕。
　　第六類為登陸畫面。不同的用戶擁有不同的權限，登陸必須填寫正確的用戶名和密碼。
　　
　　4、系統組態和維護的注意事項
　　● FIX軟件只是對系統運行進行監視，一般不介入系統的過程控制。所以，除在FIX運行的PID控制之類的過程控制塊外，FIX的運行與否并不會影響到下位機（即FSC系統）的運行。因此，如果FIX死機，重新開機啟動即可。唯一要注意的是，流量累計的數值會重新開始，此時需要把以前的數值記錄下來并填入“輸入偏差值”欄中。
　　● 登陸管理員帳戶，可以進行系統組態的修改和泵開關控制、旁路開關控制的操作。在操作完成后，需要離開有關開關的畫面，并重新以操作員的身份登陸，以防止他人對這些畫面進行誤操作。
　　● 監視軟件：在系統正常運行時，組態內容只能瀏覽，不能有任何更改操作，即使改動后立即恢復也不行，更不能隨意編譯程序。否則會使程序版本改變，導致邏輯畫面和監視信息無法調出。
　　● 停車原因：若出現系統停車事故，由于系統在停車時先做診斷，SOE將記錄所有引起FSC系統工作的改變，所以非常容易從報警信息中找到引起系統停車的第一原因，以便我們采取相應措施處理故障以及避免類似情況的發生。
　　● FTA測量電阻：在系統運行中切忌使用萬用表測量輸入或輸出端的電阻，否則將可能使測量端出現短接，改變信號狀態導致系統誤動作。
　　● 卡件插拔：在系統運行中，冗余的DI卡可以帶電插拔；拔DO卡應仔細，否則會導致對應的CP停；CP卡件嚴禁帶電插拔。
　　● 邏輯運算狀態：在邏輯運算組態時，應注意杜絕a÷b，但b＝0；或根號下為零等初等數學范疇的非法運算。因為一旦出現此類非法運算系統將自動停止工作。
　　
　　5、技術說明
　　● 本系統采用1002D雙重化冗余冗錯故障安全型控制系統，符合IEC61508標準規定的SIL3級和TUV AK5級。
　　● 系統用于控制的I/O模件及中央處理器均采用冗余配置，部分I/O模件采用非冗余配置。
　　● 系統I/O模件及中央處理器全部經過高低溫老化試驗，系統具有大于99.9％的自診斷覆蓋面。
　　● 設備技術性能滿足詢價書的要求，允許模塊在線插拔更換、維修旁路、在線修改下裝，允許同時運行多個獨立的子程序。
　　● 系統平均無故障時間（MTBF）及平均維修時間（MTBR）完全達到SIL3級安全標準。
　　● 系統操作具有多級密碼及鍵鎖保護方式，保證系統操作的安全性。
　　● 系統預留超過15％的I/O卡空間，電源負荷、CPU負荷及通訊負荷均小于60％，能滿足擴展要求。
　　● 系統組態軟件基于WINDOWS98環境，采用FLD功能邏輯塊編程方法，符合IEC1131標準。
　　
　　結束語：
　　　　本文比較詳細的介紹了FSC系統在我廠丙烯腈裝置聯鎖系統中的應用。對一些FSC系統能夠實現的功能也做了說明，只是對具體的組態內容做了省略，一是避免長篇大論，二是為了保密要求。希望讀者見諒！
　　　　其實，FSC的與DCS的通訊功能也非常強大，由于我們這次改造的投資限制和我們DCS很快要進行更新，所以，我們此次改造沒有涉及到這方面的內容。當我們對DCS進行更新時，要充分利用好這個功能，使我們的投資發揮最大效益。還可以將實時數據上傳到我廠的局域網中供領導及時查看現場的生產狀況，以便為領導決策發揮其應有的作用。此次改造大大改善了我廠聯鎖系統的技術水平，使整個系統的穩定性和可靠性大大加強。運行至今，沒有發生因該系統故障引起停車的事故發生。