平遥增压站ESD系统的研究与改进

迟百川， 宿彦通， 余志， 屈大鹏， 沈卫凯

(中石化天然气榆济管道分公司 平遥增压站，山西 晋中 031100)

平遥增压站ESD系统的研究与改进

迟百川， 宿彦通， 余志， 屈大鹏， 沈卫凯

(中石化天然气榆济管道分公司 平遥增压站，山西 晋中 031100)

针对平遥增压站紧急停车系统(ESD)在复位失效导致无法触发ESD命令的问题，借助数据选择器(MUX)，设计了一种基于MUX的ESD系统改进方案。通过MUX，并以10 s延迟为基准，根据复位是否失效，选择ESD的触发电路(RS/SR触发电路)，很好地解决了平遥增压站ESD系统在实际应用中的问题。

紧急停车系统(ESD);数据选择器(MUX);复位失效;RS触发器;SR触发器

0 引 言

随着石化行业向规模化、集约化、连续性的方向发展，紧急停车系统(Emergency Shutdown Device, 简称ESD)对石化装置和系统的保护作用日益重要[1]。作为安全保护系统，ESD系统凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性，避免危险扩散造成巨大损失。然而，当ESD系统在装置出现故障或潜在危险不动作、误操作时，生产设备及人员安全将会受到威胁[2-3]。因此，在实际应用中，确保ESD系统的有效性至关重要。

平遥增压站的ESD系统采用德国HIMA H51q系列产品[4]，利用RS触发器复位优先，但复位失效时将无法触发ESD系统。如果利用SR触发器进行置位优先，即使ESD系统复位失效，也能确保紧急情况下触发ESD系统。但任意情况下触发ESD系统，将使场站造成不必要的损失。如果将两种方案有效地结合起来，根据具体的情况选择不同操作方式，其安全性和灵活性会得到很大提升。

因此，本文从以上两个角度展开研究。首先对平遥增压站ESD-1(ESD一级关断)的部分逻辑图进行分析，讨论采用RS/SR触发器对ESD系统的影响；然后在此基础上提出了一种基于MUX的ESD系统改进方案；最后对所研究内容进行归纳总结，并指出下一步研究工作。

1 RS/SR触发器对ESD系统的影响

触发器是时序电路的基本单元，其广泛应用在数字信号的产生、变换、存储、控制等方面。按结构和工作方式不同，可分为：RS触发器、SR触发器、D型触发器、JK触发器、单稳态触发器和施密特触发器等[5]53。

1.1 RS触发器对ESD系统的影响

表1 RS触发器真值表

图1 RS触发器电路符号

以榆济线平遥增压站ESD-1为例，其部分逻辑图如图2所示。其中：YJX00C010SDOR=“1”表示站控室ESD系统处于休眠状态；YJX00C010CDOR=“1”表示调控中心ESD系统处于休眠状态；RS2.Q1=“0”表示复位正常；RS3.Q1=“1”表示复位失败；YJX00C010HSO04=“1”表示站控室手操台复位按钮失效；现场的执行机构动作时接收的信号为“0”。

图2 平遥增压站ESD-1部分逻辑图

如图2所示：如果调控中心或站控室触发ESD系统，在复位正常的情况下，RS触发器S端信号为“1”，R1端信号为“0”，即输出端Q1为“1”，而此时，当YJX00C010SDOR=“1”或YJX00C010CDOR=“1”，将导致与门的输入端为“0”，ESD系统触发失败，现场的执行机构不动作。如果站控室、调控中心ESD系统均处于非休眠状态，当YJX00C010HSO04=“1”，此时，调控中心、站控、ESD紧急按钮都无法触发ESD系统。

这种以RS触发器为基础的ESD系统，即平遥增压站目前采用方式，虽在一定程度上使场站的设备和人员免受威胁，但复位失效时将无法触发ESD系统，其保护作用失去效果。

1.2 SR触发器对ESD系统的影响

SR触发器与RS触发器结构大体一样，但SR触发器为置位优先。其电路符号如图3所示，表2为其真值表。

表2 SR触发器真值表

图3 SR触发器电路符号

通过表2可以看出，当SR触发器的输入端S1为“1”时，另一个输入端R不管为“0”还是“1”，其输出端Q1都为“1”，即在系统没有休眠的情况下，不管ESD系统复位失效与否，只要发出ESD指令，就会使现场的相关执行机构动作。显然该方式很好的补充了上述方式所存在的弊端，使ESD系统的安全性得到提高，其部分逻辑图如图4所示。但如果ESD系统失效，而SR触发器又是置位优先，这将会影响场站正常的生产运行，同时泄压放空也会导致不必要的损失。

图4 基于SR触发器的ESD-1部分逻辑图

2 基于数据选择器的ESD系统

通过以上分析得知，不管应用哪种触发器，ESD系统都存在一定的缺陷，如果将两者的优点进行有效的结合，将会提升ESD系统的实用性，而数据选择器[8](Multiplexer, 简称MUX)就是一个很好的选择。为此，本节提出了一种基于MUX的ESD系统改进方案。

图5 位通道选择信号

图6 数据选择器原理图

MUX是指经过选择，把多个通道的数据传送到唯一的公共数据通道上，实现数据选择功能的逻辑电路[9]。它的作用相当于多个输入的单刀多掷开关，如图5所示。而它的逻辑功能是在地址选择信号的控制下，从多路数据中选择一路数据作为输出信号，图6为二选一数据选择器的原理图，a、b为输入端，SEL为控制端，OUT为输出端。

仍以榆济线平遥增压站ESD-1为例，加入MUX后，其部分逻辑图如图7所示。

图7 MUX在ESD系统中的应用

由图7可知，RS2.Q1=“0”时，MUX的控制端SEL选择MUX0通道，当RS的输出端Q1=“1”时，MUX的输出端为“1”，在调控中心和站控室ESD系统没有休眠的情况下，ESD系统触发，现场的执行机构动作。

RS3.Q1=“1”时，MUX控制端SEL在延迟器作用下，10 s后选择MUX1通道，当SR的输出端Q1=“1”时，MUX的输出端为“1”，在调控中心和站控室ESD系统没有休眠的情况下，ESD系统触发，现场执行机构动作。

在MUX前端加入延迟器可判断ESD系统的触发方式。而选择延迟10 s是为了在不影响触发ESD系统的情况下，对出现的问题进行临时的判断处理。延迟器的工作流程图如图8所示。

图8 延迟器工作流程图

这种基于MUX的ESD系统不管复位成功与否，都能触发ESD系统，这样既解决了RS触发方式的失效问题，也保证了SR触发方式的合理有效，使ESD的灵活性、安全性得到提升。

3 结束语

作为生产过程中的设备、生产以及人身安全保障的一道重要屏障，ESD系统在石化行业生产中起着十分重要的作用[10]。本文以平遥增压站的ESD系统为例，介绍了RS/SR触发器，通过平遥增压站ESD-1逻辑图，分析两种触发器应用在ESD系统中的优缺点。并在此基础上提出一种基于MUX的ESD系统改进方案，该方案很好的将RS/SR触发器两者结合起来，解决了ESD系统触发问题，使得ESD系统的安全性能得到很大提高。将其运用到实际生产中，并考虑ESD与复位同时失效情况下的解决办法，将是我们下一步的研究内容。

[1] 何伏生, 刘研, 夏明举. ESD紧急停车系统在化工装置中的实现[J]. 辽宁化工, 2010, 39(2): 219-220.

[2] 荆胜南, 张继, 王洪元. 紧急停车系统ESD的实现[J]. 计算机与应用化学, 2010, 27(8): 1123-1126.

[3] 郭英才. 紧急停车系统ESD[J]. 石油化工建设, 2015，37(2): 81-83.

[4] 刘建伟, 李志圆. HIMA H51q ESD 系统在氯碱装置中的应用[J]. 工业控制计算机, 2014, 27(9): 57-58.

[5] 朴慧京. 触发器的种类及特点(上)[J]. 家电检修技术， 2008(4): 53-54.

[6] 李荣. 两种RS触发器的共性[J]. 兰州石化职业技术学院学报, 2003, 3(4): 15-16.

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[8] 任骏原, 张凤云, 李弋. 数据选择器逻辑功能的通用性[J]. 锦州师范学院学报(自然科学版), 2003, 24(4): 1-5.

[9] 邢南亮. 运用数据选择器实现组合逻辑电路设计方法[J]. 现代电子技术, 2007, 30(10): 182-184.

[10] 任艺靖, 唐海元. ESD系统安全完整性等级评估问题探讨[J]. 化工管理, 2015,28(10): 93-94.

Research and Improvementof the ESD System at Pingyao Boosting Station

Chi Baichuan, Xiu Yantong, Yu Zhi, Qu Dapeng, Shen Weikai

(Pingyao Boosting Station, Yulin to Jinan Gas Pipeline Subsidiary of SINOPEC, Jinzhong Shanxi 031100, China)

As ESD (Emergency Shutdown Device) commands cannot be triggered after reset failure in the ESD system of Pingyao Boosting Station, this paper uses MUX (multiplexer) to design a MUX-based ESD improvement scheme. With the help of MUX and based on standard 10 s delay, it selects an ESD trigger circuit (RS or SR), depending on whether the reset is invalid, thus solving the problems of practical application of the ESD system at Pingyao Boosting Station.

Emergency Shutdown Device (ESD);multiplexer (MUX); reset failure;RS trigger;SR trigger

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.022

TP202

A

1000-3886(2016)06-0070-03

迟百川(1990-)，男，辽宁人，助理工程师，专业：控制理论与控制工程。 宿彦通(1988-)，男，河北人，助理工程师，专业：测控技术与仪器。 余志(1987-)，男，四川人，助理工程师，专业：油气储运。 屈大鹏(1988-)，男，山东人，输气工高级，专业：电气自动化技术。 沈卫凯(1987-)，男，山东人，工程师，专业：动力工程及工程热物理。

定稿日期: 2016-07-04