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GE智能平台ESD系统在1万吨/年蛋氨酸项目中的应用

摘 要：本文介绍了GE 智能平台 GMR系统在重庆紫光蛋氨酸有限公司1万吨/年蛋氨酸项目中的应用，对蛋氨酸项目的工艺和GMR系统中输入子系统、输出子系统的硬件配置等进行了较为详细的描述。

一、概述

随着石油化工装置的日趋大型化，工艺过程的不断复杂化，生产过程中发生危险的可能性也呈增大趋势，加之人们对产品的质量、设备、人身、环境的保护等因素的要求使得独立于控制系统的安全联锁显得十分必要，这种专用的安全保护系统就是——ESD紧急停车系统（Emergency Shutdown Device）。ESD适用于高温、高压、易燃、易爆等场合，可以对生产装置可能发生的危险或不采取措施将继续恶化的状态进行及时响应和保护，使生产装置进入一个预定义的安全停车工况，从而使危险降低到可以接受的最低程度，以保证人员、设备、生产装置和环境的安全。在讲究高效安全生产的石油化工行业，如今投入ESD系统已是众多企业的选择，并成为保证生产可靠性与安全性，提高经济效益的必要手段之一。

重庆紫光蛋氨酸有限公司1万吨/年蛋氨酸项目为该公司年产5万吨蛋氨酸项目的一期工程。作为一个典型的精细化工装置，反应温度压力高、易燃易爆且中间产物含剧毒易挥发，此外整个项目工艺流程复杂，中间环节众多，任何一个环节出错均会导致其他环节不能正常工作，甚至前功尽弃，因此要实现整个装置的安全稳定连续生产，这就要求必须配置先进的、高可靠的设备，配置能充分满足石油化工装置及机组的紧急停车和安全联锁的ESD系统。基于此考虑，其选用了GE智能平台公司的 GMR表决系统。GMR（Genius Modular Redundancy）控制系统是基于GE 智能平台公司的 PLC以及先进的智能化输入/输出模块（Genius I/O）构成的三重化表决控制系统。

二、GMR系统结构

1、系统配置的选用

重庆紫光蛋氨酸项目的现场条件恶劣，系统要求较高。要求系统的冗余原则为：

a. 系统应具有完备的冗余和容错技术，包括设备冗余和工作性能冗余。

b. 各级络通讯设备、部件和总线三重冗余。

c. 控制站处理器等功能卡冗余。

d. 所有电源设备和部件冗余。

e. 对要求冗余配置的I/O卡三重冗余。

要求系统的可用性为：

a.系统的可用率应不低于99.99%。

b.系统的设计应是故障安全型的，系统内发生故障时，应能按照故障安全的方式停机。

c.系统必须具有完善的硬件、软件故障诊断及自诊断功能，自动记录故障报警并能提示维护人员进行维护。

d.冗余设备具备自诊断，排错报警，无差错切换功能。

e.系统的各种插卡应支持热插拔。

基于以上冗余原则及可用性的考虑，选用GMR系统中的双重化配置，系统包含两个独立的PLC以及运行在每个单独系统中的诊断程序，每个PLC上各配置了3个总线控制器。通过三选二的表决，系统为用户提供了高可靠性和无误差操作。还包含了输入子系统及输出子系统。输入输出子系统由智能的、可组态的Genius I/O模块组成，驴肉干每个模块都有微处理器并提供通讯诊断功能，同时对输出和输入通道有电子保护功能，而且模拟量、开关量等所有模块都可以用在同一总线中。传感器信号被引入到隔离的Genius输入模块，设置在独立机架中，各自独立的CPU从每条Genius总线上接受这些输入信号并对这些信号进行表决，然后，两个CPU中的每一个CPU通过三重化的Genius I/O总线将逻辑状态结果送至输出子系统，Genius输出模块对三重化的输出数据进行表决，然后送至自行车锁负载。

2、工艺简介和系统规模

重庆紫光蛋氨酸项目根据工艺划分为七个单元，一单元是用甲烷和硫磺在高温下反应生成二硫化碳和硫化氢，将反应生成的二硫化碳和硫化氢经分离后，获得纯净的二硫化碳和硫化氢，其中二硫化碳作为产品送入贮罐，硫化氢送入三单元与甲醇在催化剂、一定温度和压力下反应生成甲硫醇和甲硫醚，经精馏纯化后，甲硫醚继续与硫化氢反应生成甲硫醇，而纯净的甲硫醇送入二单元与丙烯醛反应制取甲硫基代丙醛。其中丙烯醛是通过丙烯和空气在催化剂作用下经过分离纯化制取的。甲硫醇与丙烯醛反应制得甲硫基代丙醛以新1代信息技术为代表的新技术对传统产业的影响，在四单元分离后，纯甲硫基代丙醛与五单元的氰化钠、氨水和二氧化碳反应生成海因，经水解后，送入六单元中和、结晶、过滤、干燥和包装制得纯品蛋氨酸。六单元产生的硫酸钠副产品溶液送入七单元进行纯化制得硫酸钠副产品。

本项目ESD主要作用在二和三单元，二单元的丙烯与空气反应是强放热反应，并且反应原料之间的爆炸极限范围宽，而原料的配比要在反应过程中一定要越过爆炸曲线，必须避免原料配比在爆炸曲线区域内进行。另外生成的产物丙烯醛也是重要危险品，具有强烈催泪作用，曾经还用于战争作为化学武器，泄露后其危险性极大，会造成严重的社会影响。三单元是用剧毒硫化氢纯品和甲醇反应制取甲硫醇，反应的压力和温度较高，同时会产生副产物甲硫醚，以上三种物品均为重要的危险源，高浓度的硫化氢会使人闪电性死亡，微量的甲硫醇和甲硫醚具有强烈的恶臭味。这些危险源几乎存在于生产车间的每个设备和管线内，绝不容许微量物质泄露到现场。这就对设备和控制系统提出了极高地要求。

系统具体配置如下表所示。

重庆紫光1万吨/年蛋氨酸项目 GE系统配置

序号 项目描述 货号 数万能材料实验机也叫万能拉力机或电子拉力机量

系统软件

1 GMR 系游戏机套统配置软件 IC641SWP745 1

2 CIMPLICITY ME 软件 IC646MPP101 1

3 700 I/O HMI 开发软件 IC646TDV700 2

系统硬件

1切的根本工作完成4 手持式现场监测器，包括电缆和充电器 IC660HHM501 1

5 总线终端阻抗适配器150hm ( 4) IC660BLM506 2

6 GMR 冗余CPU，486，2K 三态(表决)I/O IC697CPM790 2

7 系列 总线控制器 IC697BEM731 6

8 以太通讯组件 IC697CMM742 4

9 通讯协处理器模块 IC697CMM711 2

10 电源，120/240 Vac，125VDC，100W IC697PWR711 2

11 空插槽( 6) IC697ACC720 1

12 机架，9 插槽，后面板安装 IC697CHS790 2

13 Genius总线 BELDEN9182 100

14 32点I/O源模块 IC660BBD024 28

15 32点I/O漏模块 IC660BBD025 流程泵18

16 VersaMax电源模块 IC200PWR102 6

17 Genius络接口单元 IC200GBI001 6

18 VersaMax底座模块 IC200CHS022 21

19 15点0~10VDC AI IC200ALG265 21

20 VersaMax站配置电缆 IC200CBL002 1

21 接线端子板(中控供） TB564 12

根据信号传输、隔离、转换、分离的需要, 而且，现场仪表信号电缆需先也就是不可再生能源经过过渡端子柜后再接到SIS系统的I/O卡上，个别信号还要经过一入二出的信号分配器分出一路接到DCS上，因此对于上述系统，还需设置一定的辅助柜SIS01-SIS07(7个辅助柜)，其中，SIS01柜为PLC机架柜，配置3个9槽机架。SIS02-SIS07为Genius AI、DI、DO模块配置柜，另外，还有2台特制操作台，用于安装选择开关、按钮、闪光报警器等。

三、I/O的具体配置方式

1、 输入子系统的配置

由于输入子系统可以灵活配置，工艺信号的引入可以是单信号、双信号或是三个信号。信号可以引入单个输入模块也可以到三个模块，供PLC CPU主机进行表决，表决结果送给输出模块组再表决后输出。在重庆紫光蛋氨酸项目的设计中，每个PLC都含有3条总线，如下图1所示；AI采用了三重化输入方式，一个现场输入信号通过端子排分配到三个独立的输入模块IC200ALG265，这3个模块分别连接在3条Genius总线ELDEN9182上，如下图2所示；DI采用了冗余输入方式一个现场输入信号通过端子排分配到两个独立的输入模块IC660BBD024，这两个模块连接在任意两条不同的Genius总线ELDEN9182上，如下图3所示。

2、输出子系统的配置

GE GMR输出子系统包括四模块“H”型、二模块“I”型和二模块“T”型的模块组配置，可根据项目成本、项目规模等综合考虑选用输出子系统的配置。输出模块组对从CPU来的输出进行表决，将表决结果输出到负载。由于重庆紫光蛋氨酸项目，要求配备的SIS系统必须是成熟的、经过实际应用考验的系统，必须充分满足石油化工装置及机组的紧急停车和安全联锁的需要，要求配备的SIS系统必须具有完备的冗余容错技术，所有设备和部件必须为2oo3方式的三重冗余、容错结构，于是，本项目设计中，基于所有设备的可靠性 ，采用了“H”型输出配置。配置如下图所示。

每一个现场输出是由两个源型（Source）模块IC660BBD024并联接在负载的一端，另外两个漏型（Sink）模块IC660BBD025并联接在负载的另一端，所有模块都从三个独立的CPU得到输出，该配置中同样使用三条Genius 总线BELDEN9182，每个模块都连接到单独的 Genius 总线上，这种结构即是失败安全（Fail Safe）的又是容错(Fault Tolerant)的。

在此次设计中，基于实践尝试，由于电路工作环境的不确定性,现场环境的复杂性，在本配置中，在回路中添加了由两个肖特基二极管及一个电容组成的电子电路的保护模块，，以保证输出系统的可靠性。

3、Genius 总线BELDEN9182

整个系统的配置中，所有的I/O模块都接在Genius总线BELDEN9182上，但是每个模块只能接在一条总线上，且同一条总线上不同的模块必须设定不同的地址，否则系统会检测到冲突，每条总线两头需加装终端电阻，其具体接线如下图所示。

四、结束语

GMR系统可以描述为多模块高度整合且灵活强大的子系统，子系统的数量和参数因系统不同，GMR系统通过灵活运用业界认可的90－70PLC，GENIUS输入、输出模块，VERSAMAX模块及FIELD CONTROL模块，可以组合成单、双、三CPU冗余系统，可以在苛刻环境下选择三重化系统，或者在通常情况下选择单重化或双重化。这种强大的功能和灵活的配置组合广泛应用于在各个工业领域，特别是在紧急刹车上具有独特的优势。在河北省大港石化有限公司 催化装置、东莞九丰能源有限公司 罐区系统、中国石化股份有限公司北京燕山分公司造粒机组国产化装置等多个项目的ESD系统中都有较好的应用。(end)