ESD、SIS系統(tǒng)簡介.doc

ESD緊急停車系統(tǒng)ESD是英文Emergency Shutdown Device緊急停車系統(tǒng)的縮寫。這種專用的安全保護系統(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。ESD緊急停車系統(tǒng)按照安全獨立原則要求，獨立于DCS集散控制系統(tǒng)，其安全級別高于DCS。在正常情況下，ESD系統(tǒng)是處于靜態(tài)的，不需要人為干預。作為安全保護系統(tǒng)，凌駕于生產過程控制之上，實時在線監(jiān)測裝置的安全性。只有當生產裝置出現(xiàn)緊急情況時，不需要經過DCS系統(tǒng)，而直接由ESD發(fā)出保護聯(lián)鎖信號，對現(xiàn)場設備進行安全保護，避免危險擴散造成巨大損失。據(jù)有關資料，當人在危險時刻的判斷和操作往往是滯后的、不可靠的，當操作人員面臨生命危險時，要在60s內作出反應，錯誤決策的概率高達99.9%。因此設置獨立于控制系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖是十分有必要的，這是作好安全生產的重要準則。該動則動，不該動則不動，這是ESD系統(tǒng)的一個顯著特點。ESD控制系統(tǒng)CPU的掃描周期一般在幾十毫秒，根據(jù)控制系統(tǒng)所掃描的控制點的數(shù)量，一般在50ms左右，所以ESD的響應時間是極為迅速的，現(xiàn)在國內比較流行的主流ESD系統(tǒng)為美國TRICONEX（由中國自動化集團-康吉森自動化代理）。特點：為何要獨立設置ESD系統(tǒng)呢？當然一般安全聯(lián)鎖保護功能也可由DCS來實現(xiàn)。但是對于較大規(guī)模的緊急停車系統(tǒng)應按照安全獨立原則與DCS分開設置，這樣做主要有以下幾方面原因：（1）降低控制功能和安全功能同時失效的概率，當維護DCS部分故障時也不會危及安全保護系統(tǒng);（2）對于大型裝置或旋轉機械設備而言，緊急停車系統(tǒng)響應速度越快越好。這有利于保護設備，避免事故擴大；并有利于分辨事故原因記錄。而DCS處理大量過程監(jiān)測信息，因此其響應速度難以作得很快；（3）DCS系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)，是動態(tài)的，需要人工頻繁的干預，這有可能引起人為誤動作；而ESD是靜態(tài)的，不需要人為干預，這樣設置ESD可以避免人為誤動作。SIS是安全儀表系統(tǒng)，ESD是緊急停車系統(tǒng)，ESD屬于SIS的一部分。SIS包括現(xiàn)場儀表、邏輯解決器、執(zhí)行機構三部分，這三個部分都要是安全設計的，常規(guī)的ESD系統(tǒng)只是SIS的邏輯解決器這部分，當然也要是安全設計的。特點依然是PID控制，借助其強大的通訊功能，是整合工廠所有自動化設備的系統(tǒng)，SIS 比DCS 在可靠性、可用性上要求更嚴格，IEC61508、IEC61511等標準中，要求SIS與DCS硬件獨立設置。DCS系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)，是動態(tài)的，需要人工頻繁的干預，這有可能引起人為誤動作；而SIS（ESD）是靜態(tài)的，不需要人為干預，這樣設置可以避免人為誤動作。通常作為成套設備的控制方案，比如說真空、廢水、集裝、壓縮機等等自成一個體系的系統(tǒng)。他們的特點往往是不要求很多的模擬量控制，對數(shù)字量控制極為有效、方便、可靠、經濟。通常做為DCS的子站點，便于監(jiān)視。很顯然從下圖中我們看到SIS包括ESD、ITCC等，DCS下面有PLC、FCS等。PLC programmable logic controller,通常作為成套設備的控制方案，比如說真空、廢水、集裝、 壓縮機等等自成一個體系的系統(tǒng)。他們的特點往往是不要求很多的模擬量控制，對數(shù)字量控 制極為有效、方便、可靠、經濟。通常做為DCS的子站點，便于監(jiān)視。 ESD emergency shutdown system 緊急停車系統(tǒng)。 SIS safety interlocking system（safety instrument syetem）。安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，個人認為這是不同廠家對安全系統(tǒng)的叫法不同，還有的叫safety manager。這類系統(tǒng)往往用于石化等高危行業(yè)。一般涉及到的點不是很多，因為一旦動作就是全場停車，是犧牲生產效益，保障安全的最低防線。SM需要有SIS認證，石化行業(yè)通常等級為3。SIS與DCS之間的區(qū)別SIS與DCS在石油、石化生產過程中分別起著不同的作用，如下圖所示：生產裝置從安全角度來講，可分為3個層次：第一層為生產過程層，第二層為過程控制層，第三層為安全儀表系統(tǒng)停車保護層。SIS與ESD之間的區(qū)別SIS是系統(tǒng)化的概念，更關注整體性的概念，從命名就可以看出來，SIS關注回路，關注系統(tǒng)整體。安全型的現(xiàn)場檢測器件（變送器，儀表，傳感器）- 安全型 AI-安全型控制器-安全型的DO-安全型的現(xiàn)場執(zhí)行器件（安全關斷閥，泄壓閥，保護器等）。而ESD 通常是指，安全控制系統(tǒng)廠家生產的，安全型控制器，（CPU），IO，等純控制系統(tǒng)的概念。從本質上來講，SIS 的硬件系統(tǒng)不光包括，SIS控制器及IO（例如 Triconex，HIMA，西門子400FH）。還應包括所有跟控制器接口的其他輸入部件，例如獲得TUV SIL認證的傳感器，變送器，檢測裝置；還應該包括所有輸出部件，如獲得 TUV SIL認證的執(zhí)行器（液壓安全執(zhí)行器，氣動安全執(zhí)行器，電動型安全執(zhí)行器），還應該有獲得認證的現(xiàn)場設備。要求嚴格的現(xiàn)場，閥門本體也必須是有TUV 證書的。例如核電廠的安全閥不光是鍋爐與壓力容器質檢合格，還應該有核檢證書，還應該有 TUV的安規(guī)證書，明確標明是SIL幾等級。ESD是生產廠家的安全性控制器用在不同的場合，根據(jù)不同的用途，有著這些不同的叫法，從理論上說，只有ESD，“未必” 會是個完整的SIS控制系統(tǒng)。ESD僅僅是 SIS中的一環(huán)，而且是在實體硬件中，是最重要的一環(huán)。b S( 3 DCS與PLC之間的區(qū)別1、從發(fā)展的方面來說：DCS從傳統(tǒng)的儀表盤監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展而來。因此，DCS從先天性來說較為側重儀表的控制，比如我們使用的YOKOGAWA CS3000 DCS系統(tǒng)甚至沒有PID數(shù)量的限制（PID,比例微分積分算法，是調節(jié)閥、變頻器閉環(huán)控制的標準算法，通常PID的數(shù)量決定了可以使用的調節(jié)閥數(shù)量）。PLC從傳統(tǒng)的繼電器回路發(fā)展而來，最初的PLC甚至沒有模擬量的處理能力，因此，PLC從開始就強調的是邏輯運算能力。2、從系統(tǒng)的可擴展性和兼容性的方面來說：市場上控制類產品繁多，無論DCS還是PLC，均有很多廠商在生產和銷售。對于PLC系統(tǒng)來說，一般沒有或很少有擴展的需求，因為PLC系統(tǒng)一般針對于設備來使用。一般來講，PLC也很少有兼容性的要求，比如兩個或以上的系統(tǒng)要求資源共享，對PLC來講也是很困難的事。而且PLC一般都采用專用的網絡結構，比如西門子的MPI總線性網絡，甚至增加一臺操作員站都不容易或成本很高。DCS在發(fā)展的過程中也是各廠家自成體系，但大部分的DCS系統(tǒng)，比如橫河YOKOGAWA、霍尼維爾、ABB等等，雖說系統(tǒng)內部（過程級）的通訊協(xié)議不盡相同，但操作級的網絡平臺不約而同的選擇了以太網絡，采用標準或變形的TCP/IP協(xié)議。這樣就提供了很方便的可擴展能力。在這種網絡中，控制器、計算機均作為一個節(jié)點存在，只要網絡到達的地方，就可以隨意增減節(jié)點數(shù)量和布置節(jié)點位置。另外，基于windows系統(tǒng)的OPC、DDE等開放協(xié)議，各系統(tǒng)也可很方便的通訊，以實現(xiàn)資源共享。3、從數(shù)據(jù)庫來說：DCS一般都提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫。換句話說，在DCS系統(tǒng)中一旦一個數(shù)據(jù)存在于數(shù)據(jù)庫中，就可在任何情況下引用，比如在組態(tài)軟件中，在監(jiān)控軟件中，在趨勢圖中，在報表中而PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫通常都不是統(tǒng)一的，組態(tài)軟件和監(jiān)控軟件甚至歸檔軟件都有自己的數(shù)據(jù)庫。為什么常說西門子的S7 400要到了414以上才稱為DCS？因為西門子的PCS7系統(tǒng)才使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，而PCS7要求控制器起碼到S7 414-3以上的型號。4、從時間調度上來說：PLC的程序一般不能按事先設定的循環(huán)周期運行。PLC程序是從頭到尾執(zhí)行一次后又從頭開始執(zhí)行。（現(xiàn)在一些新型PLC有所改進，不過對任務周期的數(shù)量還是有限制）而DCS可以設定任務周期。比如，快速任務等。同樣是傳感器的采樣，壓力傳感器的變化時間很短，我們可以用200ms的任務周期采樣，而溫度傳感器的滯后時間很大，我們可以用2s的任務周期采樣。這樣，DCS可以合理的調度控制器的資源。5、從網絡結構發(fā)面來說：一般來講，DCS慣常使用兩層網絡結構，一層為過程級網絡，大部分DCS使用自己的總線協(xié)議，比如橫河的Modbus、西門子和ABB的Profibus、ABB的 CAN bus等，這些協(xié)議均建立在標準串口傳輸協(xié)議RS232或RS485協(xié)議的基礎上?，F(xiàn)場IO模塊，特別是模擬量的采樣數(shù)據(jù)（機器代碼，213/掃描周期）十分龐大，同時現(xiàn)場干擾因素較多，因此應該采用數(shù)據(jù)吞吐量大、抗干擾能力強的網絡標準?；赗S485串口異步通訊方式的總線結構，符合現(xiàn)場通訊的要求。IO的采樣數(shù)據(jù)經CPU轉換后變?yōu)檎螖?shù)據(jù)或實形數(shù)據(jù)，在操作級網絡（第二層網絡）上傳輸。因此操作級網絡可以采用數(shù)據(jù)吞吐量適中、傳輸速度快、連接方便的網絡標準，同時因操作級網絡一般布置在控制室內，對抗干擾的要求相對較低。因此采用標準以太網是最佳選擇。TCP/IP協(xié)議是一種標準以太網協(xié)議，一般我們采用100Mbit/s的通訊速度。PLC系統(tǒng)的工作任務相對簡單，因此需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量一般不會太大，所以常見的PLC系統(tǒng)為一層網絡結構。過程級網絡和操作級網絡要么合并在一起，要不過程級網絡簡化成模件之間的內部連接。PLC不會或很少使用以太網。6、從應用對象的規(guī)模上來說：PLC一般應用在小型自控場所，比如設備的控制或少量的模擬量的控制及聯(lián)鎖，而大型的應用一般都是DCS。當然，這個概念不太準確，但很直觀，習慣上我們把大于600點的系統(tǒng)稱為DCS，小于這個規(guī)模叫做PLC。我們的熱泵及QCS、橫向產品配套的控制系統(tǒng)一般就是稱為PLC。說了這么多PLC與DCS的區(qū)別，但我們應該認識到，PLC與DCS發(fā)展到今天，事實上都在向彼此靠攏，嚴格的說，現(xiàn)在的PLC與DCS已經不能一刀切開，很多時候之間的概念已經模糊了?，F(xiàn)在，我們來討論一下彼此的相同（似）之處。1、從功能來說：PLC已經具備了模擬量的控制功能，有的PLC系統(tǒng)模擬量處理能力甚至還相當強大，比如橫河FA-MA3、西門子的S7 400、ABB 的ControlLogix 和施耐德的Quantum系統(tǒng)。而DCS也具備相當強勁的邏輯處理能力，比如我們在CS3000上實現(xiàn)了一切我們可能使用的工藝聯(lián)鎖和設備的聯(lián)動啟停。2、從系統(tǒng)結構來說:PLC與DCS的基本結構是一樣的。PLC發(fā)展到今天，已經全面移植到計算機系統(tǒng)控制上了，傳統(tǒng)的編程器早就被淘汰。小型應用的PLC一般使用觸摸屏，大規(guī)模應用的PLC全面使用計算機系統(tǒng)。和DCS一樣，控制器與IO站使用現(xiàn)場總線（一般都是基于RS485或RS232異步串口通訊協(xié)議的總線方式），控制器與計算機之間如果沒有擴展的要求，也就是說只使用一臺計算機的情況下，也會使用這個總線通訊。但如果有不止一臺的計算機使用，系統(tǒng)結構就會和DCS一樣，上位機平臺使用以太網結構。這是PLC大型化后和DCS概念模糊的原因之一。3、PLC和DCS的發(fā)展方向:小型化的PLC將向更專業(yè)化的使用角度發(fā)展，比如功能更加有針對性、對應用的環(huán)境更有針對性等等。大型