摘要:
本文介紹了GE 90-70 GMR系統在達州市大竹玖源化工有限公司40萬噸/年合成氨、45萬噸/年尿素項目一期工程中的應用，具體就GMR系統中輸入子系統、輸出子系統的硬件配置，以及GMR系統在大化肥主要工段中的應用進行了描述。
一. 項目背景
大化肥行業具有工藝流程長、復雜，且屬易燃、易爆危險裝置，對安全要求極高的特點。安全聯鎖采用獨立于控制系統的ESD系統顯得十分必要。ESD系統是適用于高溫、高壓、易燃、易爆等連續性生產裝置的安全保護系統。當生產裝置出現緊急情況時，不需要經過DCS系統，而直接由ESD發出保護聯鎖信號，對現場設備進行安全保護，避免危險擴散造成巨大損失。
達州市大竹玖源化工有限公司40萬噸/年合成氨、45萬噸/年尿素項目以天然氣為原料，采用蒸汽轉化法生產合成氨技術。合成氨裝置由Farmland工廠天然氣轉化部分和Cytec工廠合成氨裝置的其他部分組合而成。兩廠均采用Kellogg工藝技術。項目工藝裝置均為易燃易爆、高度危險、連續生產的重要化工裝置，這就要求必須配置先進的、高可靠的設備，配置能充分滿足大化肥裝置及機組的緊急停車和安全聯鎖的ESD系統。基于此考慮，其選用了GE公司的 90-70 GMR表決系統。
二.GE的90-70 GMR解決方案簡介
美國GE FANUC公司的GMR（Genius Modular Redundancy）三重化冗余控制系統是基于GE Fanuc公司的90-70PLC以及先進的智能化輸入/輸出模塊（Genius I/O）構成的具有國際先進水平的三重化表決控制系統。此系統包含三個獨立的90-70PLC以及運行在每個單獨系統中的診斷程序。通過三選二的表決，系統為用戶提供了高可靠性和無誤差操作。還包含了輸入子系統及輸出子系統。輸入輸出子系統由智能的、可組態的Genius I/O模塊組成，每個模塊都有微處理器并提供通訊診斷功能，同時對輸出和輸入通道有電子保護功能，而且模擬量、開關量等所有模塊都可以用在同一總線中。傳感器信號被引入到隔離的Genius輸入模塊，設置在獨立機架中，各自獨立的CPU從每條Genius總線上接受這些輸入信號并對這些信號進行表決，然后，三個CPU中的每一個CPU通過三重化的Genius I/O總線將邏輯狀態結果送至輸出子系統，Genius輸出模塊對三重化的輸出數據進行表決，然后送至負載。
該系統具有如下特點：
- 容錯功能（Fault Tolerant）
- 失敗安全（Fail Safe）
- 高等級自檢及診斷檢測
- 應用靈活性，可組態逐點冗余使之可以根據指定的應用要求配置自己的硬件系統
- Genius I/O加速系統的開車進程，不須長距離拉線
- 支持中央控制和分布控制系統
- 消除保險，減低了平均修復時間（MTTR）
- 故障識別到點級，進一步降低了平均修復時間（MTTR）
- 基于20ms的掃描時間
- 支持三選二、二選二、二選一以及單機系統配置
1、 輸入子系統的配置
由于輸入子系統可以靈活配置，工藝信號的引入可以是單信號、雙信號或是三個信號。信號可以引入單個輸入模塊也可以到三個模塊，供PLC CPU主機進行表決，表決結果送給輸出模塊組再表決后輸出。在該項目的設計中采用了兩重化輸入方式，一個現場輸入信號通過端子排分配到兩個獨立的輸入模塊IC660BBD020，每個模塊連接到單獨的 Genius 總線BELDEN9182。
2、輸出子系統的配置
GE GMR輸出子系統包括四模塊“H”型、二模塊“I”型和二模塊“T”型的模塊組配置，可根據項目成本、項目規模等綜合考慮選用輸出子系統的配置。輸出模塊組對從CPU來的輸出進行表決，將表決結果輸出到負載。基于所有設備的可靠性和可用性 ，采用了“T”型輸出配置。每一個現場輸出是由兩個源型（Source）模塊IC660BRD020并聯接在負載的一端，負載的另一端接地。這種結構即是失敗安全（Fail Safe）的又是容錯(Fault Tolerant)的。配置如下圖所示。
3、Genius 總線BELDEN9182
整個系統的配置中，共有兩條Genius總線BELDEN9182貫穿所有的DI/DO模塊，每條總線的具體接線如下圖所示。
4、外配成套部分
根據信號傳輸、隔離、轉換、分離的需要, 而且，現場儀表信號電纜需先經過過渡端子柜后再接到SIS系統的I/O卡上，因此對于上述系統，還需設置一定的輔助柜SIS1-SIS4(4個輔助柜)，其中，SIS1柜為系統電源柜和90-70PLC機架柜，配置2個9槽機架。SIS2-SIS4為Genius DI、DO模塊配置柜，另外，還有3臺特制操作臺，用于安裝選擇開關、按鈕、閃光報警器等。
三.基于合成氨、尿素工藝的控制方案
在化肥廠的中／大型化肥生產裝置中，壓縮機組作為大型的轉動設備得到了大量應用。并且作為核心裝置，是生產的關鍵裝置。所以透平壓縮機組的聯鎖控制，是保證整個化肥裝置安全生產運行的關鍵。此項目中壓縮機控制包括了天然氣壓縮機聯鎖、空氣壓縮機101-J聯鎖、合成氣壓縮機103-J聯鎖、氨壓縮機105-J聯鎖、CO2壓縮機C-101聯鎖。
其他工段控制方案包括了：
- 高低溫變換工段聯鎖
- 脫碳工段聯鎖
- 甲烷化工段聯鎖
- 工藝空氣停車系統聯鎖
- 引風機聯鎖
- 送風機聯鎖
- 一段爐燃料安全系統聯鎖
- 輔鍋燃料安全系統聯鎖
- 開工加熱爐燃燒安全聯鎖
- 原料氣停車系統聯鎖
- 廠級事故停車聯鎖
其中廠級事故聯鎖停車作為整條工藝流程安全生產的保障，顯的尤為重要。
四.總結與展望
ESD系統作為整個化肥生產工藝裝置安全聯鎖的核心控制系統，其可靠性和穩定性直接影響著全廠的生產安全。 GE 90-70 GMR系統提供從輸入到CPU控制器以及輸出的各種組合，符合IEC61508標準并可達到和獲得TÜV AK1~AK6/IEC SIL1~SIL3等級認證。其在達州玖源4045大化肥項目裝置上成功應用，對現場設備進行安全保護，避免危險擴散造成巨大損失，為工廠安全生產保駕護航。
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