【正文】 故障自動(dòng)保險(xiǎn)，不能有導(dǎo)致不利于停車的誤動(dòng)作?；诰哂腥蒎e(cuò)能力的處理器的系統(tǒng)必須能準(zhǔn)確識別各部件的故障(即全面診斷)，并對任何故障能進(jìn)行補(bǔ)償，這可通過將故障部件的信號強(qiáng)制為指定狀態(tài)，并使用另一種不同的信號線(冗余)，這類似于傳統(tǒng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而那些不能被診斷出來的故障部件則被視為危險(xiǎn)故障。真正的容錯(cuò)還具有在不干擾系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，完全自動(dòng)恢復(fù)的功能。這種聯(lián)鎖系統(tǒng)必須達(dá)到100%可靠且始終嚴(yán)格按照指令運(yùn)行。但是對于任何一種聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，基于處理器或是傳統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如引起部分或整個(gè)控制失敗的故障是不可接受的，它將直接導(dǎo)致生產(chǎn)產(chǎn)量的下降或更嚴(yán)重的后果，如人員的傷亡等。傳統(tǒng)聯(lián)鎖系統(tǒng)由于具有多種結(jié)構(gòu)而使其擁有較大程度上的容錯(cuò)性。 容錯(cuò)控制與安全系統(tǒng)從20世紀(jì)70年代開始，基于處理器的聯(lián)鎖系統(tǒng)由于比傳統(tǒng)的繼電器或固態(tài)邏輯聯(lián)鎖系統(tǒng)更易于聯(lián)鎖邏輯的修改及再組態(tài)而被廣泛用于工業(yè)控制領(lǐng)域。 無源信號 有源信號圖36 無源、有源信號接線圖 數(shù)字量輸出:F3 DIO 20/8 01有8個(gè)數(shù)字量輸出，每個(gè)數(shù)字量輸出對應(yīng)一個(gè)狀態(tài)顯示燈，其中第4通道和第8通道能支持最大2A的負(fù)載，最好在每一個(gè)輸出通道增加一個(gè)二極管，如下圖的4通道。圖35 數(shù)字量輸出接線圖雖然每塊F30控制器有4個(gè)以太網(wǎng)口，但是它們只有一個(gè)IP地址，可以通過軟件對F30的IP地址和System ID(SRS)進(jìn)行更改，每個(gè)F30的出廠默認(rèn)設(shè)置為： Default value for IP address: Default value for SRS: HIMatrix F3 DIO 20/8 01 HIMatrix F3 DIO 20/8 01的外觀圖36 HIMatrix F3 DIO 20/8 01的外觀從外觀上看，F(xiàn)3有2個(gè)10/100Base T以太網(wǎng)口，它們具備同樣的功能，接口方式為RJ45，支持安全以太網(wǎng)，通過該以太網(wǎng)口可以對F3進(jìn)行編程和測試。無源信號 有源信號圖34 無源、有源信號接線圖 數(shù)字量輸出:F30控制器有8個(gè)數(shù)字量輸出，每個(gè)數(shù)字量輸出對應(yīng)一個(gè)狀態(tài)顯示燈，其中第4通道和第8通道能支持最大2A的負(fù)載，的負(fù)載，最好在每一個(gè)輸出通道增加一個(gè)二極管，如下圖的4通道。 圖32 Himatrix F30 ESD外觀其中FB1口支持RS485通訊，可也作為ProfibusDPSlave以及Modbus Slave，西氣東輸東段所用的軟件暫時(shí)還不支持Modbus協(xié)議，在西段將開發(fā)使用。1. HIMatrix F30. HIMatrix F30的外觀。圖31 站控流程圖在進(jìn)氣區(qū)有三個(gè)由ESD控制的閥門，其中一個(gè)為放空閥，一個(gè)氣液聯(lián)動(dòng)閥，一個(gè)電動(dòng)閥；在調(diào)壓區(qū)有一個(gè)ESD控制的調(diào)壓閥；在出站區(qū)有兩個(gè)ESD控制的閥門，分別是放空閥和出站電動(dòng)閥；一個(gè)ESD控制的越站閥。站內(nèi)設(shè)置自用氣橇1個(gè)，用于站內(nèi)自用氣的調(diào)壓和計(jì)量。進(jìn)、出站分別設(shè)置緊急切斷 和緊急放空，用于緊急情況下的全站關(guān)閉和放空。天然氣經(jīng)壓力監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)壓后出站，送往下游用戶地區(qū)。經(jīng)匯管H2后至橇裝渦輪流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)，渦輪計(jì)量橇為2路計(jì)量管路，工作方式為1用1備。第3章 系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì) 站控系統(tǒng)流程整個(gè)站控系統(tǒng)的流程示意圖如圖31所示，來自上游的天然氣進(jìn)入?yún)R管H1后，經(jīng)過濾分離器過濾分離后進(jìn)入?yún)R管H2。 本章小結(jié)站控安全儀表系統(tǒng)SIS的ESD將完成當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)意外波動(dòng)或緊急情況需要采取某些動(dòng)作或停車時(shí)，該系統(tǒng)能精確監(jiān)測，并及時(shí)、準(zhǔn)確地做出響應(yīng)，使裝置停在一定的安全水平上，確保裝置和人身的安全。其主要功能為：數(shù)據(jù)采集和處理功能(可接受模擬和開關(guān)量信號)；輸出模擬量和開關(guān)量控制信號；數(shù)學(xué)運(yùn)算功能；邏輯運(yùn)算功能；自診斷功能；故障報(bào)警功能；執(zhí)行SCADA系統(tǒng)調(diào)度中心發(fā)送的指令，向調(diào)度控制中心發(fā)送帶時(shí)間標(biāo)志的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。 遠(yuǎn)程終端裝置RTURTU遠(yuǎn)程終端裝置應(yīng)能夠采集現(xiàn)場壓力、溫度、均速管流量計(jì)的差壓、閥位開關(guān)狀態(tài)和火災(zāi)的儀表信號等檢測信號通過硬線連接到ESD的I/O通道中，ESD實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，將數(shù)據(jù)通過通信鏈路上傳到調(diào)度控制中心。他們之間的通訊采用MODBUS RTU協(xié)議，連接方式RS232或RS485，同PLC之間的連接方式為以太網(wǎng)。而DCS處理大量過程監(jiān)測信息，因此其響應(yīng)速度難以作得很快； （3）DCS系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)，是動(dòng)態(tài)的，需要人工頻繁的干預(yù)，這有可能引起人為誤動(dòng)作；而ESD是靜態(tài)的，不需要人為干預(yù)，這樣設(shè)置ESD可以避免人為誤動(dòng)作。 （2）對于大型裝置或旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備而言，緊急停車系統(tǒng)響應(yīng)速度越快越好。當(dāng)然一般安全聯(lián)鎖保護(hù)功能也可由DCS來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)意外波動(dòng)或緊急情況需要采取某些動(dòng)作或停車時(shí)，該系統(tǒng)能精確監(jiān)測，并及時(shí)、準(zhǔn)確地做出響應(yīng)，使裝置停在一定的安全水平上，確保裝置和人身的安全。 站控ESD系統(tǒng)ESD用于檢測工藝過程的壓力、溫度、可燃?xì)怏w濃度等信息，并對可控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。此外，工作站集成兩個(gè)RJ45的接口，兩個(gè)接口配置了不同的IP地址，使其連接在站控系統(tǒng)冗余的網(wǎng)絡(luò)中，如果其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中斷不會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。操作員工作站從通訊服務(wù)器RCI中讀取數(shù)據(jù)。成為整個(gè)完整的SCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分。站控系統(tǒng)SCS采用以PLC系統(tǒng)為硬件基礎(chǔ)組成控制系統(tǒng)，可以獨(dú)立完成本站內(nèi)所有監(jiān)控對象和控制設(shè)備的本地控制，由本地PLC控制器實(shí)現(xiàn)邏輯和算法的運(yùn)算，形成一個(gè)功能完整的控制系統(tǒng)。配置打印機(jī)打印報(bào)警、生產(chǎn)報(bào)表和曲線等。RCI用于收集PLC、ESD和第三方智能設(shè)備（流量計(jì)算機(jī)、色譜分析儀、電力設(shè)備等）的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳操作員工作站和調(diào)度中心。圖21典型站控系統(tǒng)配置圖典型站控系統(tǒng)由操作員工作站、RCI、PLC、ESD控制系統(tǒng)、交換機(jī)、路由器、打印機(jī)等設(shè)備組成站控局域網(wǎng)。同時(shí)，站控系統(tǒng)SCS還要與調(diào)度中心進(jìn)行通訊，向調(diào)度中心提供本站內(nèi)的工藝設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，并接受調(diào)度控制中心的調(diào)度指令和參數(shù)設(shè)置。根據(jù)輸氣管道壓氣站場工藝流程控制要求，完成壓氣站場主要工藝參數(shù)的采集和工藝設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)典型流程切換邏輯程序開發(fā)。本論文將結(jié)合“西氣東輸工程”壓氣站場和德國Himatrix公司F30控制器，設(shè)計(jì)鄭州站的由進(jìn)站到鄭州城市燃?xì)庵Ь€這部分的ESD控制系統(tǒng)。同時(shí)現(xiàn)場具備就地手動(dòng)控制功能[13]。系統(tǒng)投產(chǎn)后，操作人員在調(diào)度控制中心通過SCADA系統(tǒng)可完成對管道的監(jiān)控和運(yùn)行管理，達(dá)到“有人值守，無人操作”的運(yùn)行管理水平。調(diào)度控制中心的主要任務(wù)是通過各站的站控系統(tǒng)（SCS）或遠(yuǎn)程終端裝置（RTU）對該管道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)管道模擬、輸送計(jì)劃、泄漏檢測及定位、設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化、計(jì)量管理、模擬培訓(xùn)等任務(wù)。SCS和RTU作為SCADA系統(tǒng)的遠(yuǎn)方控制單元，不但能獨(dú)立完成對所在工藝站場的數(shù)據(jù)采集和控制，而且能將有關(guān)信息傳送給操作區(qū)管理處和調(diào)度控制中心并接受調(diào)度控制中心下達(dá)的命令。 工程簡介西氣東輸管道工程橫貫中國東西部，起點(diǎn)是新疆塔里木的輪南，終點(diǎn)是上海市西郊的白鶴鎮(zhèn)，全長3900公里，管道全線設(shè)有工藝站場35座（其中壓氣站10座、分輸站17座、獨(dú)立的中間清管站8座）、遠(yuǎn)控線路截?cái)嚅y室138座、操作區(qū)管理處6座（新疆、甘肅、陜寧、山西、豫皖和蘇浙滬）和調(diào)度控制中心2座（上海調(diào)度控制中心1座和北京后備控制中心1座）。因此設(shè)置獨(dú)立于控制系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖是十分有必要的，這是作好安全生產(chǎn)的重要準(zhǔn)則。只有當(dāng)生產(chǎn)裝置出現(xiàn)緊急情況時(shí)，不需要經(jīng)過DCS系統(tǒng)，而直接由ESD發(fā)出保護(hù)聯(lián)鎖信號，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)，避免危險(xiǎn)擴(kuò)散造成巨大損失。在正常情況下，ESD系統(tǒng)是處于靜態(tài)的，不需要人為干預(yù)。 這種專用的安全保護(hù)系統(tǒng)是90年代發(fā)展起來的，以它的高可靠性和靈活性而受到一致好評。全線各站的工藝操作以站控系統(tǒng)為主，控制中心主要完成全線的災(zāi)害保護(hù)和全線聯(lián)合運(yùn)行的調(diào)控，在站控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)也可以利用就地操作按鈕或手柄、手輪等對泵、閥等設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)的操作[3,4,11]。全線的壓力和流量控制由調(diào)度控制中心根據(jù)輸送計(jì)劃和模擬計(jì)算，通過通信信道將壓力或流量設(shè)定點(diǎn)和相關(guān)指令傳送給有關(guān)的站控系統(tǒng)執(zhí)行。當(dāng)進(jìn)行設(shè)備檢修或緊急停車時(shí)，可就地控制?？刂茩?quán)限由調(diào)度控制中心確定，經(jīng)調(diào)度控制中心授權(quán)后，才允許操作人員通過站控系統(tǒng)對各站進(jìn)行授權(quán)范圍內(nèi)的工作。調(diào)度和操作人員在調(diào)度控制中心通過計(jì)算系統(tǒng)完成對全線的監(jiān)視、操作和管理。同時(shí)現(xiàn)場具備就地手動(dòng)控制功能。根據(jù)目前SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，管道SCADA系統(tǒng)的控制層次通常分為三級：控制中心級、站控級和設(shè)備控制級，該結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了集中管理、分散控制的現(xiàn)代系統(tǒng)控制原則，特別適用于長輸管道這種分散性大、跨地域廣、功能相似系統(tǒng)的運(yùn)行管理和控制。該系統(tǒng)的主要特征是采用Internet技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及JAVA技術(shù)等技術(shù)，繼續(xù)擴(kuò)大SCADA系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的集成，綜合安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及商業(yè)化運(yùn)營的需要。這一階段也是我國如電力自動(dòng)化研究院為華北電網(wǎng)開發(fā)的SD176系統(tǒng)以及在日本日立公司為我國鐵道電氣化遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的H80M系統(tǒng)；第二代是80年代基于通用計(jì)算機(jī)的SCADA系統(tǒng)，在第二代中，廣泛采用VAX等其它計(jì)算機(jī)以及其它通用工作站，操作系統(tǒng)一般是通用的UNIX操作系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)發(fā)展到今天已經(jīng)經(jīng)歷了三代，第四代已具雛形。SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，它可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域[5]。 SCADA系統(tǒng)的發(fā)展SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，全名為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。隨著我國長輸管道大型項(xiàng)目的不斷建設(shè)以及通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，管道的自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。我國的天然氣管道發(fā)展比較晚，在20世紀(jì)90年代我國天然氣管道自動(dòng)化方面才有了較快的發(fā)展，西氣東輸代表了當(dāng)時(shí)我國天然氣管道工程的最高水平，運(yùn)營管理采用了SCADA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控，并通過采用微波、衛(wèi)星和租用地方郵網(wǎng)方式進(jìn)行通信。 國內(nèi)外的發(fā)展和意義國外長輸天然氣管道自動(dòng)化發(fā)展比較早，從20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)就開始了長輸天然氣管道的建設(shè)，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，國外(以美國和西方國家為代表)天然氣管道自動(dòng)化工程有了很大發(fā)展。所以，TMR技術(shù)已被人們認(rèn)識并廣泛應(yīng)用在石油化工、天然氣、電力系統(tǒng)等工業(yè)領(lǐng)域。TMR技術(shù)保證了安全系統(tǒng)的連續(xù)性和可預(yù)測性，從而在本質(zhì)上可以提高石油化工生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)行水平，并最大限度地消除誤停車事故的發(fā)生。TMR技術(shù)，早在20世紀(jì)80年代中期便由美國宇航專利技術(shù)開發(fā)出來，并從80年代末期被用于工業(yè)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上。而傳統(tǒng)的DCS、