集散控制系统原理及其应用.ppt

第第第第8 8 8 8章章章章 紧急停车系统紧急停车系统紧急停车系统紧急停车系统第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统知识点：知识点：●掌握紧急停车系统的基本概念掌握紧急停车系统的基本概念●●了解紧急停车系统两种类型的技术特点了解紧急停车系统两种类型的技术特点●●了解国际主要通用安全标准了解国际主要通用安全标准●●了解安全系统的常用指标及术语了解安全系统的常用指标及术语●●了解安全系统的基本设计原则及适用场合了解安全系统的基本设计原则及适用场合●●了解了解HIMAHIMA冗余控制器的构成及工作原理冗余控制器的构成及工作原理●●结合实例理解结合实例理解HIMAHIMA紧急停车系统在生产装置中的应用紧急停车系统在生产装置中的应用 第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统技能点：●能能够够使使用用ELOPIIELOPII组组态态软软件件进进行行系系统统的的硬硬件件及及逻逻辑辑组组态态●●能能够够根根据据中中央央处处理理器器卡卡件件视视窗窗上上的的错错误误代代码码判判断断故故障原因障原因●●在在实实际际应应用用中中能能够够进进行行工工程程量量程程的的转转换换及及信信号号超超量量程值的切除程值的切除第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统8.1 紧急停车系统的基本概念紧急停车系统的基本概念8.1.1 8.1.1 紧急停车系统的类型和特点紧急停车系统的类型和特点➢➢装装置置在在运运行行过过程程中中，，安安全全仪仪表表系系统统时时刻刻监监视视工工艺艺过过程程的的状状态态，，判判断断危危险险条条件件，，并并在在危危险险出出现现时时适适当当动动作作，，以以防止危险的发生。

防止危险的发生➢➢当工艺过程某些变量发生异常时，由控制系统指令工艺过程紧当工艺过程某些变量发生异常时，由控制系统指令工艺过程紧急地安全地停止生产，以免造成巨大财产损失和人员伤亡事故急地安全地停止生产，以免造成巨大财产损失和人员伤亡事故第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统图图8-1 压缩机安全系统压缩机安全系统第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统1. 1. 紧急停车系统的类型紧急停车系统的类型 ➢➢紧紧急急停停车车系系统统按按照照结结构构来来分分，，可可分分为为双双重重化化冗冗余余和和三三重重化化冗余两种冗余两种中央处理中央处理器模件器模件通信模件通信模件存储器存储器模件模件看门狗看门狗模件模件垂直总线垂直总线驱动器驱动器电池与诊电池与诊断模件断模件电池供断电池供断模件模件 图图8.2 8.2 双重化冗余方式的双重化冗余方式的ESDESD系统系统第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统 图图8.2 三重化冗余方式的三重化冗余方式的ESD系统系统第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统(1)(1)系系统统的的最最终终目目标标都都是是为为了了确确保保工工艺艺生生产产的的安安全全，，保保护护生生产设备和操作人员不受伤害。

产设备和操作人员不受伤害2)(2)开开关关量量输输入入检检出出元元件件选选择择正正常常状状态态下下闭闭合合，，线线路路断断开开等等同于联锁动作，即系统为故障安全型同于联锁动作，即系统为故障安全型3)(3)输输出出电电磁磁阀阀或或继继电电器器选选择择为为正正常常励励磁磁，，只只有有当当输输出出线线路路发生故障时才产生动作发生故障时才产生动作4)(4)当当无无论论何何种种原原因因使使生生产产装装置置停停车车（（ShutdownShutdown））时时，，ESDESD系统所控制的目标元件所处的状态都要确保生产安全系统所控制的目标元件所处的状态都要确保生产安全2. 2. 紧急停车系统的特点紧急停车系统的特点第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统1.1.平均故障间隔时间平均故障间隔时间 平平均均故故障障间间隔隔时时间间指指各各次次故故障障间间隔隔时时间间titi的的平平均均值值，，即即各各段连续工作时间的平均值即段连续工作时间的平均值即 8.1.3 8.1.3 安全系统的常用指标安全系统的常用指标 MTBFMTBF是是一一个个经经过过多多次次采采样样检检测测，，长长期期统统计计后后求求出出的的平平均均数值。

数值i=1，2，3，…，n （8-1）第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统2.平均故障修复时间平均故障修复时间 平平均均故故障障修修复复时时间间是是指指设设备备或或系系统统经经过过维维修修，，恢恢复复功功能并投入正常运行所需要的平均时间，即能并投入正常运行所需要的平均时间，即 式中式中 ⊿ ⊿ti————每次维修所花费的时间每次维修所花费的时间 MTTRMTTR也也是是一一个个统统计计值值，，它它远远小小于于MTBFMTBFMTBFMTBF越越大大，，MTTRMTTR越小的系统可靠性越高越小的系统可靠性越高i=1，2，3，…，n （8-2）第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统3.3.平均失效时间平均失效时间 平平均均失失效效时时间间（（MTTF））是是指指大大宗宗相相同同部部件件（（或或系系统统））中该部件（或系统）期望发生故障的时间中该部件（或系统）期望发生故障的时间4.4.可用性可用性 可可用用性性（（A A））是是一一个个概概率率，，指指系系统统在在任任何何情情况况下下都都可使用的工作期，用百分数计算。

可使用的工作期，用百分数计算即即（8-3）第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统（8-4）5.可靠性可靠性可靠性（可靠性（R）是一个概率，指系统在规定时间间隔（）是一个概率，指系统在规定时间间隔（t）内发生）内发生故障的概率故障的概率即即 表表决决（（VotingVoting））是是指指系系统统中中用用多多数数原原则则将将每每个个支支路路的的数数据据进进行行比比较较和和修修正正的的一一种种机机理理如如1 1 OO OO 2 2（（1 1 OUT OUT OF OF 2 2））表表示示2 2取取1 1表表决决，，2 2 OO OO 2 2（（2 2 OUT OUT OF OF 2 2））表表示示2 2取取2 2表表决决，，2 2 OO OO 3 3（（2 2 OUT OUT OF 3OF 3）表示）表示3 3取取2 2表决等6.容错容错 容错容错(Fault Tolerance)是指对失效的控制系统元件进行认识是指对失效的控制系统元件进行认识和补偿，并允许在继续完成分配的任务、不中断过程的情况下进行和补偿，并允许在继续完成分配的任务、不中断过程的情况下进行修复的能力容错是通过冗余和故障屏蔽的结合来实现。

修复的能力容错是通过冗余和故障屏蔽的结合来实现7.表决表决第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统 安安全全完完整整性性级级别别（（Safety Safety Integrity Integrity LevelLevel，，SILSIL））是是指指定定性性分分析析ESDESD系系统统故故障障对对生生产产装装置置和和周周围围的的人人员员的的伤伤害害程度根据程度根据IEC61508IEC61508标准划分为标准划分为4 4级8.故障安全故障安全 故障安全是指故障安全是指ESD系统发生故障时，被控过程能做到系统发生故障时，被控过程能做到安全停车安全停车9.安全完整性级别安全完整性级别 正常工况时处于励磁状态，故障工况时处于非励磁状态正常工况时处于励磁状态，故障工况时处于非励磁状态 SIL1SIL1级级适适用用于于财财产产和和产产品品的的一一般般保保护护；；SIL2SIL2级级适适用用于于主主要要财财产产和和产产品品保保护护，，有有可可能能造造成成人人身身伤伤害害；；SIL3SIL3级级适适用用于保护人员；于保护人员；SIL4SIL4级适用于灾难性伤害。

级适用于灾难性伤害 第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统8.1.4 8.1.4 安全系统应用的场合安全系统应用的场合1 1．对检测元件的要求．对检测元件的要求➢➢检检测测元元件件（（传传感感器器））分分开开独独立立设设置置，，指指采采用用多多台台检检测测仪仪表表将将控控制制功功能能与与安安全全联联锁锁功功能能隔隔离离，，即即安安全全仪仪表表系系统统与过程控制系统的实体分离与过程控制系统的实体分离➢➢传传感感器器冗冗余余设设置置，，指指采采用用多多台台仪仪表表完完成成相相同同的的功功能能，，通通过过冗冗余余提提高高系系统统的的安安全全性性不不宜宜采采用用信信号号分分配配器器，，将将模模拟拟信信号号分分别别接接到到安安全全仪仪表表系系统统和和过过程程控控制制系系统统安安全全仪仪表表系系统统和和过过程程控控制制系系统统共共用用一一个个传传感感器器时时，，宜宜采采用用安安全仪表系统供电全仪表系统供电 第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统 图图8.3 8.3 双重化冗余方式的双重化冗余方式的ESDESD系统系统第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统2 2．对最终执行元件的要求．对最终执行元件的要求➢➢最最终终执执行行元元件件（（切切断断阀阀，，电电磁磁阀阀））是是安安全全仪仪表表系系统统中中可可靠靠性性低低的的设设备备。

由由于于安安全全仪仪表表系系统统在在正正常常工工况况时时是是静静态态的的，，被被动动的的，，系系统统输输出出不不变变，，最最终终执执行行元元件件一一直直保保持持在在原原有有的的状态，很难确认最终执行元件是否有危险故障状态，很难确认最终执行元件是否有危险故障➢➢在在正正常常工工况况时时过过程程控控制制系系统统是是动动态态的的，，主主动动的的，，控控制制阀阀动动作作是是随随控控制制信信号号的的变变化化而而变变化化，，不不会会长长期期停停留留在在某某一一位位置置因因此此，，当当符符合合安安全全度度等等级级要要求求时时，，可可采采用用控控制制阀阀及及配配套的电磁阀作为安全仪表系统的最终执行元件套的电磁阀作为安全仪表系统的最终执行元件第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统3 3．对．对ESDESD逻辑控制器结构选择要求逻辑控制器结构选择要求➢➢安安全全仪仪表表系系统统故故障障有有两两种种：：显显性性故故障障（（安安全全故故障障））和和隐性故障（危险故障隐性故障（危险故障）➢➢当当系系统统出出现现显显性性故故障障时时，，可可立立即即检检测测出出来来，，系系统统产产生生动作进入安全状态动作进入安全状态。

➢➢当当系系统统出出现现隐隐性性故故障障时时，，只只能能通通过过自自动动测测试试程程序序检检测测出来，系统不能产生动作进入安全状态出来，系统不能产生动作进入安全状态➢➢因因此此通通过过对对逻逻辑辑控控制制器器结结构构的的选选择择，，克克服服隐隐性性故故障障系系统统安安全全性性的的影影响响，，通通常常选选择择2OO32OO3（（三三取取二二））或或者者2OO4D2OO4D（四取二，带诊断功能）结构四取二，带诊断功能）结构第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统8.2.1 8.2.1 冗余控制器的构成冗余控制器的构成8.2 冗余控制器冗余控制器图图8.5 8.5 两个微处理器构成的两个微处理器构成的1 OO 21 OO 2系统系统 来自现场检测元件（或传感器）的信号，来自现场检测元件（或传感器）的信号，通过输入模件分别进入两个微处理器单通过输入模件分别进入两个微处理器单元，在元，在CU1内进行诊断其结果从输出模内进行诊断其结果从输出模件输送到现场的执行元件件输送到现场的执行元件.第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统图图8.6 8.6 两个两个1oo 21oo 2系统构成四重化（系统构成四重化（QMRQMR）系统）系统 ➢➢来自现场检测元件（或传感器）来自现场检测元件（或传感器）的信号，通过两套输入模件分别的信号，通过两套输入模件分别进入两个进入两个CU单元，其结果从两套单元，其结果从两套输出模件输送到现场的执行元件。

输出模件输送到现场的执行元件➢➢采用双采用双1oo2D结构，即结构，即2oo4D结构，其容错功能使系统中任何结构，其容错功能使系统中任何一个部件发生故障时，均不影响一个部件发生故障时，均不影响系统的正常运行系统的正常运行第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统8.2.2 8.2.2 冗余控制器的工作原理冗余控制器的工作原理➢➢ H41q/H51qH41q/H51q系系统统对对程程序序的的处处理理过过程程是是周周期期性性循循环环的的首首先先读读取取过过程程输输入入信信号号，，再再按按预预定定的的逻逻辑辑功功能能进进行行处处理理，，然然后依次输出处理结果一个循环扫描过程由七个骤步完成后依次输出处理结果一个循环扫描过程由七个骤步完成1)(1)周周期期性性自自检检 周周期期性性自自检检包包括括硬硬件件检检测测和和软软件件检检测测，，这个过程是根据这个过程是根据CUCU发出的连续测试信号进行的发出的连续测试信号进行的2)(2)数数据据接接收收 检检测测并并读读取取输输入入信信号号（（也也包包括括安安全全以以太太网网来的信号），完成过程变量对应数据的接收来的信号），完成过程变量对应数据的接收。

3)(3)数数据据传传送送 将将系系统统接接收收的的数数据据传传送送到到另另一一个个中中央央处处理理单元第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统(4)输入数据处理输入数据处理 把输入变量的测量值赋予内部变量，用户程序把输入变量的测量值赋予内部变量，用户程序则会对内部变量进行处理处理的结果送到输出单元（需要以则会对内部变量进行处理处理的结果送到输出单元（需要以太网传送的数据则被传送到以太网卡），并在系统内存中进行太网传送的数据则被传送到以太网卡），并在系统内存中进行双双CPU的点对点比较，如有错误则将这对的点对点比较，如有错误则将这对CPU切除5)输出交换比较输出交换比较 将两个将两个CU的输出交换并进行比较的输出交换并进行比较6)结果输出结果输出 主主CU通过通过I/O BUS输出处理结果输出处理结果➢➢冗冗余余的的中中央央处处理理单单元元在在每每个个过过程程循循环环完完后后都都进进行行一一次次时时钟钟同同步步，，而而通通过过串串行行通通讯讯和和有有自自检检功功能能的的部部分分完完成成检检测测不不依赖于一个过程循环依赖于一个过程循环 (7)结果回读结果回读 从从CU中把输出结果回读，与下一个周期的正中把输出结果回读，与下一个周期的正确逻辑输出比较。

若结果不相等则将输出模块切除，扫描过确逻辑输出比较若结果不相等则将输出模块切除，扫描过程跳到第程跳到第(5)步第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统8.2.3 8.2.3 冗余控制器的特点冗余控制器的特点2.2.一体化安全停车功能一体化安全停车功能1.强大的自诊断功能强大的自诊断功能第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统8.3 ESD在工业生产装置上的应用在工业生产装置上的应用8.3.1 8.3.1 工艺简介工艺简介 1010号号单单元元为为原原料料预预热热单单元元，，是是将将界界区区外外的的不不同同原原料料经经过过缓冲罐脱除水和杂质，以便降低原料变化对下游生产的影响缓冲罐脱除水和杂质，以便降低原料变化对下游生产的影响 20 20号单元为裂解炉单元号单元为裂解炉单元➢➢乙烯装置可分为七个单元乙烯装置可分为七个单元 裂裂解解炉炉区区共共有有5 5台台裂裂解解炉炉，，在在不不同同通通道道都都可可以以同同时时裂裂解解两两种种原原料料，，并并且且裂裂解解炉炉的的每每一一通通道道在在其其他他组组进进行行裂裂解解操操作作时时都都可以进行蒸汽清焦，具有裂解原料分配灵活性的特点。

可以进行蒸汽清焦，具有裂解原料分配灵活性的特点第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统但在开车时烃的进料量为零，此时不能触发联锁停车系统但在开车时烃的进料量为零，此时不能触发联锁停车系统➢➢乙烯装置共有五台裂解炉，联锁控制逻辑比较复杂乙烯装置共有五台裂解炉，联锁控制逻辑比较复杂主要介绍开车时烃加料量为零旁通联锁的逻辑及组态方法主要介绍开车时烃加料量为零旁通联锁的逻辑及组态方法 主主要要的的联联锁锁条条件件有有烃烃进进料料流流量量低低低低值值联联锁锁停停车车、、稀稀释释蒸蒸汽汽流流量量低低低低值值联联锁锁停停车车、、高高压压汽汽包包液液位位高高高高值值、、低低低低值值联联锁锁停车、燃料气压力高高值、低低值联锁停车等停车、燃料气压力高高值、低低值联锁停车等第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统8.3.2 8.3.2 系统配置系统配置图图8.7 8.7 乙烯装置乙烯装置ESDESD系统配置图系统配置图 第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统8.3.3 8.3.3 主要控制方案及其组态主要控制方案及其组态1.1.主要控制方案主要控制方案2.2.实际应用中几个具体问题的处理实际应用中几个具体问题的处理(1)(1)工程量程之间的转换工程量程之间的转换 (2)(2)超量程值的切除超量程值的切除 第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统本章小节本章小节➢➢本本章章以以HIMAHIMA的的ESDESD系系统统为为例例，，主主要要介介绍绍了了设设置置ESDESD系系统统的的目目的的和和作作用用，，对对主主要要的的控控制制器器冗冗余余结结构构进进行行了了重重点点描描述述，，并并结结合合乙乙烯烯装装置置的的应应用用，，叙叙述述了了ESDESD系系统统硬硬件件、、软软件件组组态态，，介绍了主要的控制方案。

介绍了主要的控制方案 第第8章章 紧急停车系统紧急停车系统思考题与习题思考题与习题1.1.紧急停车系统的定义是什么？紧急停车系统的定义是什么？2.2.试比较两类紧急停车系统的优劣试比较两类紧急停车系统的优劣3.3.紧急停车系统有哪些特点？紧急停车系统有哪些特点？4.4.简述简述ESDESD系统主要的通用安全标准，并进行比较系统主要的通用安全标准，并进行比较5.5.试说明试说明“3-2-1-03-2-1-0”和和“3-2-03-2-0”的含义？的含义？6.6.安全仪表系统有哪些设计原则？安全仪表系统有哪些设计原则？7.7.以以HIMA HIMA ESDESD系系统统为为例例，，说说明明中中央央处处理理器器单单元元的的冗冗余余结结构构和和工工作原理8.8.简简述述HIMA HIMA ESDESD系系统统工工作作站站的的功功能能特特性性，，说说明明HIMA HIMA ESDESD系系统统的的主要的主要的I/OI/O卡件及性能卡件及性能。