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摘 要：本文介紹了GE 智能平臺90-70 GMR系統在重慶紫光蛋氨酸有限責任公司1萬噸/年蛋氨酸項目中的應用，對蛋氨酸項目的工藝和GMR系統中輸入子系統、輸出子系統的硬件配置等進行了較為詳細的描述。
一、概述
隨著石油化工裝置的日趨大型化，工藝過程的不斷復雜化，生產過程中發生危險的可能性也呈增大趨勢，加之人們對產品的質量、設備、人身、環境的保護等因素的要求使得獨立于控制系統的安全聯鎖顯得十分必要，這種專用的安全保護系統就是——ESD緊急停車系統（Emergency Shutdown Device）。ESD適用于高溫、高壓、易燃、易爆等場合，可以對生產裝置可能發生的危險或不采取措施將繼續惡化的狀態進行及時響應和保護，使生產裝置進入一個預定義的安全停車工況，從而使危險降低到可以接受的最低程度，以保證人員、設備、生產裝置和環境的安全。在講究高效安全生產的石油化工行業，如今投入ESD系統已是眾多企業的選擇，并成為保證生產可靠性與安全性，提高經濟效益的必要手段之一。
重慶紫光蛋氨酸有限責任公司1萬噸/年蛋氨酸項目為該公司年產5萬噸蛋氨酸項目的一期工程。作為一個典型的精細化工裝置，反應溫度壓力高、易燃易爆且中間產物含劇毒易揮發，此外整個項目工藝流程復雜，中間環節眾多，任何一個環節出錯均會導致其他環節不能正常工作，甚至前功盡棄，因此要實現整個裝置的安全穩定連續生產，這就要求必須配置先進的、高可靠的設備，配置能充分滿足石油化工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智能平臺公司的90-70 GMR表決系統。GMR（Genius Modular Redundancy）控制系統是基于GE 智能平臺公司的90-70 PLC以及先進的智能化輸入/輸出模塊（Genius I/O）構成的三重化表決控制系統。
二、GMR系統結構
1、系統配置的選用
重慶紫光蛋氨酸項目的現場條件惡劣，系統要求較高。要求系統的冗余原則為：
a. 系統應具有完備的冗余和容錯技術，包括設備冗余和工作性能冗余。
b. 各級網絡通訊設備、部件和總線三重冗余。
c. 控制站處理器等功能卡冗余。
d. 所有電源設備和部件冗余。
e. 對要求冗余配置的I/O卡三重冗余。
要求系統的可用性為：
a.系統的可用率應不低于99.99%。
b.系統的設計應是故障安全型的，系統內發生故障時，應能按照故障安全的方式停機。
c.系統必須具有完善的硬件、軟件故障診斷及自診斷功能，自動記錄故障報警并能提示維護人員進行維護。
d.冗余設備具備在線自診斷，排錯報警，無差錯切換功能。
e.系統的各種插卡應支持熱插拔。
基于以上冗余原則及可用性的考慮，選用GMR系統中的雙重化配置，系統包含兩個獨立的90-70PLC以及運行在每個單獨系統中的診斷程序，每個PLC上各配置了3個總線控制器。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，兩個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。
2、工藝簡介和系統規模
重慶紫光蛋氨酸項目根據工藝劃分為七個單元，一單元是用甲烷和硫磺在高溫下反應生成二硫化碳和硫化氫，將反應生成的二硫化碳和硫化氫經分離后，獲得純凈的二硫化碳和硫化氫，其中二硫化碳作為產品送入貯罐，硫化氫送入三單元與甲醇在催化劑、一定溫度和壓力下反應生成甲硫醇和甲硫醚，經精餾純化后，甲硫醚繼續與硫化氫反應生成甲硫醇，而純凈的甲硫醇送入二單元與丙烯醛反應制取甲硫基代丙醛。其中丙烯醛是通過丙烯和空氣在催化劑作用下經過分離純化制取的。甲硫醇與丙烯醛反應制得甲硫基代丙醛，在四單元分離后，純甲硫基代丙醛與五單元的氰化鈉、氨水和二氧化碳反應生成海因，經水解后，送入六單元中和、結晶、過濾、干燥和包裝制得純品蛋氨酸。六單元產生的硫酸鈉副產品溶液送入七單元進行純化制得硫酸鈉副產品。
本項目ESD主要作用在二和三單元，二單元的丙烯與空氣反應是強放熱反應，并且反應原料之間的爆炸極限范圍寬，而原料的配比要在反應過程中一定要越過爆炸曲線，必須避免原料配比在爆炸曲線區域內進行。另外生成的產物丙烯醛也是重要危險品，具有強烈催淚作用，曾經還用于戰爭作為化學武器，泄露后其危險性極大，會造成嚴重的社會影響。三單元是用劇毒硫化氫純品和甲醇反應制取甲硫醇，反應的壓力和溫度較高，同時會產生副產物甲硫醚，以上三種物品均為重要的危險源，高濃度的硫化氫會使人閃電性死亡，微量的甲硫醇和甲硫醚具有強烈的惡臭味。這些危險源幾乎存在于生產車間的每個設備和管線內，絕不容許微量物質泄露到現場。這就對設備和控制系統提出了極高地要求。
系統具體配置如下表所示。
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重慶紫光1萬噸/年蛋氨酸項目
GE系統配置 |
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序號 |
項目描述 |
貨號 |
數量 |
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系統軟件 |
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1 |
GMR 系統配置軟件 |
IC641SWP745 |
1 |
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2 |
CIMPLICITY ME 軟件 |
IC646MPP101 |
1 |
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3 |
700 I/O HMI 開發軟件 |
IC646TDV700 |
2 |
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系統硬件 |
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4 |
手持式現場監測器，包括電纜和充電器 |
IC660HHM501 |
1 |
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5 |
總線終端阻抗適配器150hm ( 4) |
IC660BLM506 |
2 |
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6 |
GMR 冗余CPU，486，2K 三態(表決)I/O |
IC697CPM790 |
2 |
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7 |
系列90-70 總線控制器 |
IC697BEM731 |
6 |
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8 |
以太網通訊組件 |
IC697CMM742 |
4 |
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9 |
通訊協處理器模塊 |
IC697CMM711 |
2 |
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10 |
電源，120/240 Vac，125VDC，100W |
IC697PWR711 |
2 |
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11 |
空插槽( 6) |
IC697ACC720 |
1 |
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12 |
機架，9 插槽，后面板安裝 |
IC697CHS790 |
2 |
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13 |
Genius總線 |
BELDEN9182 |
100 |
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14 |
32點I/O源模塊 |
IC660BBD024 |
28 |
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15 |
32點I/O漏模塊 |
IC660BBD025 |
18 |
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16 |
VersaMax電源模塊 |
IC200PWR102 |
6 |
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17 |
Genius網絡接口單元 |
IC200GBI001 |
6 |
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18 |
VersaMax底座模塊 |
IC200CHS022 |
21 |
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19 |
15點0~10VDC AI |
IC200ALG265 |
21 |
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20 |
VersaMax站配置電纜 |
IC200CBL002 |
1 |
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21 |
接線端子板(中控供） |
TB564 |
12 |
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，個別信號還要經過一入二出的信號分配器分出一路接到DCS上，因此對于上述系統，還需設置一定的輔助柜SIS01-SIS07(7個輔助柜)，其中，SIS01柜為90-70PLC機架柜，配置3個9槽機架。SIS02-SIS07為Genius AI、DI、DO模塊配置柜，另外，還有2臺特制操作臺，用于安裝選擇開關、按鈕、閃光報警器等。
三、I/O的具體配置方式
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。在重慶紫光蛋氨酸項目的設計中，每個PLC都含有3條總線，如下圖1所示；AI采用了三重化輸入方式，一個現場輸入信號通過端子排分配到三個獨立的輸入模塊IC200ALG265，這3個模塊分別連接在3條Genius總線ELDEN9182上，如下圖2所示；DI采用了冗余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IC660BBD024，這兩個模塊連接在任意兩條不同的Genius總線ELDEN9182上，如下圖3所示。
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。由于重慶紫光蛋氨酸項目，要求配備的SIS系統必須是成熟的、經過實際應用考驗的系統，必須充分滿足石油化工裝置及機組的緊急停車和安全聯鎖的需要，要求配備的SIS系統必須具有完備的冗余容錯技術，所有設備和部件必須為2oo3方式的三重冗余、容錯結構，于是，本項目設計中，基于所有設備的可靠性 ，采用了“H”型輸出配置。配置如下圖所示。
每一個現場輸出是由兩個源型（Source）模塊IC660BBD024并聯接在負載的一端，另外兩個漏型（Sink）模塊IC660BBD025并聯接在負載的另一端，所有模塊都從三個獨立的CPU得到輸出，該配置中同樣使用三條Genius 總線BELDEN9182，每個模塊都連接到單獨的 Genius 總線上，這種結構即是失敗安全（Fail Safe）的又是容錯(Fault Tolerant)的。
在此次設計中，基于實踐嘗試，由于電路工作環境的不確定性,現場環境的復雜性，在本配置中，在回路中添加了由兩個肖特基二極管及一個電容組成的電子電路的保護模塊，，以保證輸出系統的可靠性。
3、Genius 總線BELDEN9182
整個系統的配置中，所有的I/O模塊都接在Genius總線BELDEN9182上，但是每個模塊只能接在一條總線上，且同一條總線上不同的模塊必須設定不同的地址，否則系統會檢測到沖突，每條總線兩頭需加裝終端電阻，其具體接線如下圖所示。
四、結束語
GMR系統可以描述為多模塊高度整合且靈活強大的子系統，子系統的數量和參數因系統不同，GMR系統通過靈活運用業界認可的90－70PLC，GENIUS輸入、輸出模塊，VERSAMAX模塊及FIELD CONTROL模塊，可以組合成單、雙、三CPU冗余系統，可以在苛刻環境下選擇三重化系統，或者在通常情況下選擇單重化或雙重化。這種強大的功能和靈活的配置組合廣泛應用于在各個工業領域，特別是在緊急剎車上具有獨特的優勢。在河北省大港石化有限公司 催化裝置、東莞九豐能源有限公司 罐區系統、中國石化股份有限公司北京燕山分公司造粒機組國產化裝置等多個項目的ESD系統中都有較好的應用。
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