施耐德安全PLC在某化工罐区的应用

唐虹，王波，郑健

(中自控自动化技术有限公司，北京 100026)

施耐德安全PLC在某化工罐区的应用

唐虹，王波，郑健

(中自控自动化技术有限公司，北京 100026)

摘要：介绍了施耐德安全PLC在化工罐区的应用。罐区存储丙烯，是易燃低毒物品，若泄漏将会对水体，土壤和大气造成污染。为了提高罐区的安全系数，CPU采用施耐德安全PLC昆腾系列，构架采用CPU热备和IO热备，达到安全SIL3级别；同时系统增加了SOE功能，使操作人员能实时监控数据，提高安全性。重点描述施耐德安全PLC的特点、系统架构、实现的功能以及系统中SOE记录功能的实现。

关键词：化工罐区；安全可编程控制器； 施耐德； 热备； SOE

Schneider Safety PLC Application in Chemical Tank Farm

TANG Hong，WANG Bo，ZHENG Jian

(CACS Automation Engineering Limited Company，Beijing 100026,China)

Abstract:The paper maily introduces Schneider safety PLC application in chemical tank farm. The propylene of tank storage is a flammable and low toxic substance. If it leaks in water, soil and atmosphere, they are polluted. In order to improve the safety coefficient of the tank, Schneider Quantum PLC is applied to CPU of this system and CPU and IO with standby heat are used in the frane to reach SIL3 level security. At the same time, SOE function is added to the system, so that the operator can monitor real-time data to improve its safety. This paper describes the characteristics of Schneider PLC system, its structure and functions and implementation of SOE in this system.

Keywords:chemical tank farm; safety PLC; schneider; standby heat; SOE

0引言

工业事故能严重导致人员伤亡、财产损失和环境污染，在化工罐区尤为突出。随着化工罐区不断发展，安全隐患也是当前亟待解决的问题。安全PLC凭借其高稳定性，高安全性等方面的优点,被越来越多的应用于各自动化领域。一套安全可靠的自动化系统对于罐区来说，是提升其安全可靠的必要保障。

化工罐区包含4个球罐，主要用于储存丙烯。丙烯作为石油化工基本原料之一，其易燃特性决定了这套控制系统的重要性。

1施耐德安全PLC介绍及特点

a) 施耐德的安全PLC是Modicon Quantum系列的PLC产品，其经过了TÜV Rheinland Group认证，符合IEC 61508标准，安全等级能达到SIL3的级别。施耐德安全PLC还符合以下标准[1]：

1) IEC 61131

2) 锅炉保护

3) 欧洲标准：EN 50156

4) 美国标准：NFPA 85 和 NFPA 866

5) EN 54-2：火灾检测和火灾报警系统

6) EN298：气体燃烧自动控制系统 (带或不带风机)

7) 机器安全：IEC 62061 和 EN ISO 13849

b) 施耐德安全CPU采用了“1oo2”结构，该结构兼顾可用性和经济效益，是 “1oo2”架构的核心。整个结构独立于常规过程控制，从I/O到监控系统，整个功能冗余体系都可以承受多个故障，同时保证所需的功能安全，因此具有如下特点 ：

1) 一旦出现故障，系统将立即起用，使系统处于安全状态。

2) PLC安全逻辑和上位组态简单，仅用于关闭系统并进入安全状态。

3) 安全PLC不参与过程控制，其过程与过程控制分开，简化认证。

施耐德Quantum安全PLC的安全回路包括3部分组件：传感器、Quantum 安全PLC、执行器，整个控制回路如图1所示。

图1　控制回路

安全 PLC 产品主要有表1所示的卡件。

表1　安全卡件

安全开关量输出为正常励磁型，故障时处失励状态。执行元件在气源或电源故障时处于安全位置。安全PLC 卡件具有短路保护功能，对输入输出电路进行保护，任何外部的短路都可被诊断出来。Quantum 系列安全PLC系统的各种插卡均能在线插拔、更换。设备能在线自诊断，并排错报警和无差错切换。

2系统构成

整套系统硬件由安全PLC模块和非干扰PLC模块组成。其中 CPU模块为CPU 140 CPU 671 60S，离散量输入模块为140 SDI 953 00S，离散量输出模块为140 SDO 953 00S，模拟量输入模块为140 SAI 940 00S，电源模块为140 CPS 124 20，远程IO适配器为140 CRP 932 00和140 CRA 932 00，通讯模块为140 NOE 771 11。非干扰模块不直接用于控制安全功能，因此整个系统仍达到SIL3等级。

系统中采用的CPU、电源设备和部件、通讯IO卡件均为1∶1热备结构。此系统在运行时，两个冗余的硬件同时运行，这样可以保证当主控制件出现故障时将被切除，备用控件能自动提供不间断控制，无差错切换，系统仍然能达到SIL3安全等级。同时系统没有故障修复时间限制，确保系统安全持续运行。整个系统构架如图2所示。 图2中，阴影部分为安全模块，其他为无干扰模块。

图2　系统结构图

CPU站有电源模块，CPU，远程IO模块，通讯模块，电源模块。每个主站配备2块电源模块，提供电源不间断服务；远程IO模块为2通道，保证一个通道与远程IO通讯出现问题，另一通道能无缝衔接。2个远程IO站完全相同，均为1∶1冗余，两个远程IO站均采用双电源工作。

下位编程采用Unity Pro XLS V7.0 ，此版本经过TÜV认证，可用于安全PLC编程。编程时，除了遵循 IEC 61508 和 IEC 61511标准外，还要遵循安全手册中所有规则，例如必须有密码保护等，这些规则都经过 TÜV检测和认证。[2]上位软件采用Vijeo Citect7.2进行组态。上、下位有效结合保证整个系统安全可靠的运行。

3系统功能

a) 诊断功能

施耐德Quantum 系列安全PLC的自诊断技术可以在一个扫描循环期内对系统的全部硬件和软件运行状态进行诊断。系统自诊断功能至少包括：在过程安全时间间隔内的自诊断、执行时间监视、所有I/O点的检测、程序和数据存储器管理检测、内部数据传输检测、所有的通讯检测、中央处理器(CPU)和内存的监测等。自检发现故障可通过输出报警信号。因此像CPU和I/O卡件的故障信息均可以4位字符显示在上位上，也可以将故障卡件的位置显示出来。例如：机柜号、I/O卡件的机架号、I/O卡件槽号等。[3]

这些诊断通过上位软件显示，操作人员能及时发现问题，对故障卡件进行替换，使系统能实时满足热备功能，提高系统的安全性和可靠性。图3是IO各个通道状态，以下为脱离实际PLC状态，所以均显示故障。点击相应通道会出现弹出对话框，显示不同通道由于各种原因产生的故障说明，这些故障说明能使操作人员更加方便快捷找到故障的所在，提高系统维护效率。

图3　IO卡件通道诊断

b) 紧急停车逻辑处理功能

系统有强大的逻辑处理能力，能够对离散的过程信号进行实时监控，快速执行逻辑运算，正确发出控制指令，以保证人员和生产装置、大型设备的安全。

系统检测储罐液位由伺服液位计和雷达液位计两种检测方式检测，与液位开关联合形成高液位联锁功能。当其中两个条件触发时，将关闭罐根阀门，防止爆罐。发生联锁后，会关闭相应储罐的罐根阀门，且无法远程打开阀门，直至联锁解除。联锁画面如图4所示。

图4　联锁画面

c) 报警功能

1) 外部供电检测。如果电源不能完成供电时，系统会发出报警。如液位开关供电异常报警。液位开关参与联锁在整个系统中至关重要，确保其供电是必不可少的。

2) 备用CPU状态检测。若备用CPU处于“停止”或“离线”状态时，系统将不具备热备功能。此时系统报警。

3) 液位偏差检测。系统具有IO热备功能，一个信号有两个通道进行采集，若采集同一液位的两通道数值偏差过大，则表示通道相关硬件故障，系统报警。

4) 雷达液位与伺服液位偏差检测。系统中储罐的液位有两种仪表进行采集，并且液位参与联锁。当这两种采集结果偏差过大时，表示至少有一种仪表出现故障，系统报警。

5) 开关阀门时间检测。系统控制的阀为罐根阀，当出现危险时应及时关闭阀门，实时监测阀门状态是系统安全运行的关键。如果阀门打开关闭的时间超长，代表阀门本身可能存在故障，此时系统报警。

系统对报警进行分级，对于级别高的报警，会有提示框显示，同时报警声音会不断进行提示直至报警消失。对于级别稍微低的报警将声音提示一段时间；而级别最低的报警声音提示一下即可。所有报警在每个页面的最下方都会有显示。图5为弹出报警和报警页面。

图5　报警显示

所有报警功能的设置确保系统能在冗余的正常状态在运行，使系统安全系数得到提高。

d) SOE功能

SOE及时间顺序记录,是sequence of events 的缩写。作为SOE系统其输入信号都是数字量信号，它以高分辨率记录各个信号变化的先后次序，帮助操作人员在发生事故情况时能分辨事故发生的原因，找出首次故障。因此SOE成为分析事故的主要记录手段。

在施耐德产品中专门用于SOE记录功能的卡件为非安全型模块，没有得到TÜV认证，因此在安全系统中为了达到SOE的功能采用编程的方式实现，对于每个数字量的信息进行记录，每个轮询进行比较，将不同的数字量进行记录，以实现时间顺序记录功能。

系统程序较少，因此一个轮询下来时间将达到毫秒级，记录的事件包括各个数字量通道的变化，高液位报警以及联锁的发生、复位等信息，最终通过上位软件写入到数据库中，以便事故查询分析。

e) 通讯功能

整个系统无论从上位，还是下位均采用通讯冗余，具有良好的容错能力，支持多种接口协议，包括RS485串行通讯、TCP/IP、OPC等。可以与第三方设备无痕链接。

4结语

文中所论述的施耐德安全PLC系统已经在某化工罐区得到验证，用户可以通过上位软件对罐区进行实时监控和数据查询。

参考文献:

[1] Alynda Brown, Graeme Sutton, Anthony Wong, Ken Holder. Vijeo Citect 设置课程[M]. 上海：施耐德电气有限公司，2008.

[2] unty pro操作手册[M]. 上海：施耐德电气有限公司，2008.

[3] unty pro 语言和程序结构参考手册手册[M]. 上海：施耐德电气有限公司，2005.

收稿日期：2014-03-03

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)04-0202-03

作者简介：唐虹(1981-)，女，山东烟台人，工程师，硕士，研究方向为自动化系统集成。