當一個控制系統或某些工藝裝置發生故障，使工藝指標發生不正常的變化，而且有超過安全容許的風險時，需要設置一套安全聯鎖的防護體系，立即采取措施，適時打開或關上閥門，避免發生突發事件。然而，在平時的工作中，如果儀表出現“干擾信號”，或者儀表斷線、短路等情況，使控制系統模組的通信線路遭到損壞，就不會出現生產所需的連鎖故障。為了解決以上問題，本課題擬開展面向石化企業流程局部聯鎖防護的結構優化研究，以提高系統的穩定性和精準程度。
1、工藝過程聯鎖的分級管理
工藝過程聯鎖是保證設備平穩運行的一種保護措施。一旦裝置運行的溫度、壓力、液位、流量等參數超過安全界限后，就能對設備進行過溫或過壓的防護，確保生產設施及人員的安全，避免發生意外。根據其在安全生產中的重要程度，工藝過程聯鎖分為A級和B級，并按照級別進行管理。工藝聯鎖分為主要工藝聯鎖回路(A類)與常用工藝聯鎖回路(B類)兩種級別。
1.1 A類過程聯鎖
直接觸發某個流程系統或某個重要設備的聯鎖，使其發生應急停機；一種可以直接觸發某一生產設備聯鎖的應急停機，并使其發生意外停機。大致有：
①生產過程互鎖，包括整個生產或大規模停機。
②關鍵工序間的聯鎖操作。
③生產過程聯鎖，涉及人員安全及產品的質量。
④關于設備儀表的氣源，供電干線的過程互鎖回路。
1.2 B級過程聯鎖
除了A類外，所有過程互鎖都屬于B級。只發生一種系統或一種設備的互鎖，而不會導致機組或設備的停機，使整個系統能快速地恢復正常運轉。
2、聯鎖程序中存在的問題剖析
在化工生產中，一般包括傳送帶互鎖、工藝互鎖、釜間安全互鎖、風機互鎖、回轉裝置互鎖等。在反應爐中的安全聯鎖，常用的參數有溫度、壓強、液面；風扇聯動、大旋轉裝置聯鎖，常用的主要參數有機油壓力、軸承溫升、電機定子的溫度、振動、排量、機油油溫等。聯鎖程序的設計是否準確和全面，保護動作是否正確性和可靠性，將對整個裝置的安全云心產生重要的影響。
2.1 虛假信息和干擾信息問題
測量溫度、壓力、流速、液面等；采用標準電流信息，4-20mA。在某些情況下，由于受電磁環境及設備接地等因素的影響，生成“虛假信息”與“干擾信息”。如果出現的時間太長，其信號強度超出了聯鎖的臨界值，則會造成設備或釜類設備的異常或停車。
2.2 儀表斷線和短路
因設備使用年限，安裝位置不符合標準，周邊環境振動較大；因附近道路運輸等原因，造成儀表信號中斷或短路，這在操作中時常發生。安裝前檢查，實時監控，定期維修和更換，可以降低一定的安全隱患，但是不能確保不出現意外事故。
2.3 中間鏈路失效的原因
中間鏈路，包括聯鎖控制體系的信號處理部分、感溫變送部分和信號轉換部分。當中間鏈路發生故障時，既可以對某個儀器的測點產生影響，也可以對同類多個測點產生影響。終端控制系統所接收到的信息，存在著直接引發聯鎖中斷的危險，從而導致設備的停車。
2.4 聯鎖計量儀表的設計
在反應釜、鼓風機和汽輪機等一些大型旋轉裝置中，存在著許多儀表上的測量數據，如軸承座、定子的溫度；機油壓力、軸向位移、軸震動、釜壓、液面高度等大多數聯鎖儀表的測點處均為一種，即當某一臺儀表上的測點處于正?；虍惓顟B時，其上的各點均處于聯鎖狀態。那么，連鎖系統自動開啟，做出最正確的防護措施。
3、聯鎖保護程序的設計方案與編制
當前運行儀表聯鎖保護控制程序發現問題，是在石化裝置運行中，反復發生的概率非常高，其中的任何一項都將嚴重影響到生產、設備和運行單元的穩定運行。本文在對現有故障進行分析的基礎上，對原有的設計進行優化和改進，并引入預防設計的思想，可減少無計劃停機的發生，為裝置生產的連續性、穩定性和可靠性提供新的思路。
3.1 從軟件角度設計聯鎖計算機程序
有些露天環境下，傳感器等設備輸入到AI單元中的電流存在波動起伏、脈沖干預等情況，CPU無法直接利用AI單元收集到的數值，需要再進行濾波處理，消除掉各種波動和干擾等。常用的濾波辦法有：延遲方法、求平均濾波的方法等多種軟濾波，以及把一個電容器并聯到一個輸入口上的硬件過濾法。如果使用平均濾波方法，則會導致收集的速率變慢，并且在大量的資料和數據需要修改的情況下，將導致軟件的執行時間超過CPU允許的最大掃描時間，從而造成CPU系統崩潰。
為了消除突發性脈沖干擾對信號的壓制，在設計時，將信號通過延時計時模塊，屏蔽干擾和異常信號，也就是不能啟動聯鎖保護。開啟-延遲定時器描述如表1所示。
表1 計時器引腳的描述
計時器的作用是：在輸入從False到True時，觸發TON的啟動時間，并在Q時間上輸出TRUE。如果計時時間還沒有到達，從“真”改變為“假”，計時器被復位。
在聯鎖保護方案中，對輸入信號的品質進行判定。質量判定程序，即對控制系統模組中的模擬量通道信號失效進行辨識，即儀器發生損毀、信號線失效、模組某個通路失效等。例如，浙大中控TCS-900，其AI信道是0～28480，對應的是4～20mA的信號。將當前周期信號值和前一個周期信號值進行比較，如果在兩個操作周期中，該值超出該區間，則將其視為“壞”，并維持前一個循環的數字，且給出一個告警，但未設置互鎖。詳細的設計思想如圖1所示中的“信號品質判定程序”。
以上所述就是TRICON HOLLiAS MACSV6.5.3系統的“速率限制”功能模塊。其自身的功能模塊可以將輸入信號的一階增減變化限制在一個給定的范圍之內，適用于需要防止跳變的控制。如圖2所示顯示這些功能模塊。
圖1 輸入信號品質判定程式
圖2 速率限制函數框
RATLIM(速率限制)功能模塊比較目前的輸入信號IN與上循環的OUT值，并基于二者之差與RATPOS及RATNEG之間的關系來確定該操作循環OUT的值相對于前一操作循環的變化程度。因此，以各操作時段的功能塊輸出OUT的變動值處于某一設置范圍之內的方式，限制輸入IN的變動速率。速率限制計算方法如表2所示，操作程序如圖3所示。
表2 速率限制計算方法
圖3 操作程序示意圖
在此基礎上，通過對上述時延濾波與輸入信號品質判別，對聯鎖保護方案進行優化，從而有效地解決假、干擾、儀器斷、短路、模塊通路等多個環節失效等問題。該方法在軟件上進行了優化，使項目的前期設計工作量大大增加，而對項目的投資卻不大，是今后控制系統升級和優化時可以借鑒的。
3.2 計算機聯鎖控制系統的硬件構成
在不計工程投資費用的情況下，凡是與聯鎖保護有關的儀表測點，都可以用兩點法或多點法進行測量。從編程角度看，采用“一選一”的邏輯投票方式，其安全性、有效性都不高。在對安全要求較高的情況下，可以采取二選一的方案。此方案的安全性能好，但有效性不高，也就是使用兩個現場傳感器，互鎖信號只能選擇一個；在對高可用度有較高需求的情況下，采用二選二的方案，此方案的安全性能最差，但是可用性最好。
當安全性和可用性都有保障時，可以采用3個現場傳感器聯鎖2個電信號，從而具有更好的安全性和實效性；即當某一種設備出現異常時，僅在同一檢測點處才能進行報警，但不會觸發聯鎖；當兩個通道的測試結果吻合后，開始連鎖報警。但是，為了減小組件故障對儀表造成的沖擊，需要將儀表的輸入信號單獨與各組件相連。通過本項目的實施，可以解決儀表、模塊和中間連接的失效問題，提高了聯鎖保護的穩妥度和安全系數。
4、結語
在石化領域的危險高危裝置、反應釜的運轉、大型儀器儀表設備的生產操作等方面，存在諸多的安全風險與問題。在實際的操作和應用過程中，要根據工藝的要求，合理地選取安全保護聯鎖的形式，對安全聯鎖的設備進行必要的調控，根據實際需求進行研究和設計，從而減少安全事故的發生。通過對自動控制系統中儀器聯鎖的設計和程序進行詳細的剖析和探討，目的是不斷提高現代化企業的自動自動控制水平，增強過程的安全控制，從而為實現石化企業中的自動聯鎖安全管理提出一種新的思路。
作者：許晶萍(大慶石化公司設備維修中心)
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