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變送器故障檢測技術在乙烯裝置SIS 中的應用
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變送器故障檢測技術在乙烯裝置SIS 中的應用

時間:2016-08-01

摘要: 主要介紹了變送器故障檢測技術的實現方式及在康吉森TS3000 SIS 系統中的具體應用。分析了變送器故障信號的產生,康吉森TS3000 對變送器故障信號的檢測及該信號在系統的“2oo3”( 三取二) 安全邏輯中的使用。同時引入了NAMUR NE43 推薦標準,對SIS 系統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應用的隱患,在滿足聯鎖安全性的前提下,提高了聯鎖的可用性,保障乙烯裝置“安穩長滿優”運行。tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

        安全儀表系統( Safety instrumentation System,簡稱SIS) ,在石油化工生產裝置的開車、停車、運行擾動以及維護操作期間,為人員健康、裝置設備及環境提供安全保護。在《石油化工安全儀表系統設計規范》( SH/T 3018—2003) 中對石油化工安全儀表系統的設計進行了詳細的要求。tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

        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。根據工藝的特點,在設計階段,該乙烯裝置的安全系統邏輯結構大量采用2oo3 的邏輯結構,見圖1。此邏輯結構既保證了聯鎖邏輯的安全性,也提高了聯鎖邏輯的可用性。tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

2oo3 安全系統邏輯結構tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

1、SIS 系統中變送器故障檢測的實現及應用tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
        在邏輯結構中,有3 臺感測器( 即變送器) 的信號輸入進入康吉森SIS 系統。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 轉換為對應的819 ~ 4 095 的數字量信號,然后送入SIS 系統軟件的輸入處理模塊( AI2L /AI2H模塊) ( 見圖2) ,此模塊把數字量轉換為相應的工程量并可以通過與聯鎖值比較,輸出高高或低低報警信號; 同時此模塊可根據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”模塊參與聯鎖。tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

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康吉森TS3000 系統AI2L/AI2H 模擬量輸入模塊tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

        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tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
        取二的表決輸出。同時,為保證聯鎖可靠,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設計規范》( SH/T 3018—2003) 中“安全儀表邏輯結構圖”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,也會觸發聯鎖。在邏輯結構上,從軟件的角度,兼顧了聯鎖系統的可用性及安全性。tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

TS3000 系統V2oo3 模塊tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

2、存在的問題tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
        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 系統的SD - 2 聯鎖: 當爐膛負壓高于50 Pa 時,裂解爐SD - 2 停車。為提高聯鎖的安全性及可用性,該聯鎖邏輯采用了“2oo3”邏輯,在現場采用了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。此時SIS 系統中的AI 模塊( AI2H) 檢測判斷為這3 臺變送器已經故障,同時產生變送器故障信號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”,繼而觸發聯鎖,裂解爐SD - 2 跳車。tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

        按照設計,在正常操作下,僅當爐膛負壓高于50 Pa 時,才觸發聯鎖。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。tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

3、解決方案tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
        通過分析,問題的根源在于未對現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 系統檢測方式下的電流值進行有效的分配及劃分?导璖IS 系統中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的劃分,使康吉森SIS 能準確地把變送器的故障及正常工作狀態區分開來,防止誤聯鎖。tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

        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”制定的一項推薦標準。其對變送器在不同工作狀態下( 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。NAMUR NE43 對變送器輸出電流的具體劃分,見圖4。tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

NAMUR NE43 推薦標準的變送器輸出電流劃分tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

        由于NAMUR 的大力推廣,符合NE43 的現場變送器應用非常廣泛,只要選取適當的電流范圍值,就可以使參與聯鎖的變送器在故障與正常測量之間被康吉森SIS 系統準確區分開來。tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

        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”。tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

        為保證聯鎖的可靠性及安全性,經設計院確認,把測量裂解爐的爐膛負壓且參與聯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,工藝參數超出了變送器的測量范圍,只要未達到聯鎖值,SIS 系統也不會觸發聯鎖,工藝操作可以繼續進行。在此次修改以后,裂解爐再未出現由于爐膛負壓低于變送器測量范圍,而導致SIS 的系統誤聯鎖,裂解爐跳車的事故。tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

        儀表專業人員對SIS 系統中使用了變送器故障信號的聯鎖進行了剖析,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 系統的故障檢測電流范圍存在不統一的情況,并與乙烯裝置工藝和設計人員就各種聯鎖參與的工藝操作進行討論,對極端操作條件下,工藝參數可能超過變送器量程的情況進行確認。結合以上方法對存在的隱患進行逐一整改,非常后確認整改的內容為:tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

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) ,由于可能出現正負導壓管堵塞而引起高/低超量程,導致非正常聯鎖,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。tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

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超量程,導致非正常聯鎖,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。tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

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) ,由于可能出現正負導壓管堵塞而引起高/低超量程,導致非正常聯鎖,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。tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

4) 對于壓力變送器( 型號: 三暢儀表EJA430A差壓變送器) ( 共15 臺) ,由于可能出現管道高壓而引發超量程,導致非正常聯鎖,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。tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

4 結語tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
        在現在的SIS 系統中,為增加聯鎖的安全性,變送器故障信號越來越多地作為聯鎖信號引入到聯鎖中。同時,NANUR NE43 規范的廣泛使用,也使這種功能的實現非常容易。但在使用過程中,儀表專業人員必須熟悉在SIS 聯鎖中,變送器故障信號在SIS 系統中的作用,同時,熟悉現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 系統變送器的正常檢測電流范圍內,確認變送器的故障電流在SIS 系統的變送器故障電流范圍內,防止SIS 系統出現誤聯鎖,在不降低SIS 系統安全性的前提下,大幅增加聯鎖系統的可用性,保障裝置的安全、高效生產。tLZ壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

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