SIS与DCS集成的化工装置安全控制系统应用探索

2021-10-27张军伟

当代化工研究 2021年19期

＊张军伟

（潍坊育成安全教育培训有限公司山东 261500）

1.SIS与DCS的集成现状

(1)MODBUS通信协议

SIS与DCS的集成中，Modbus集成是其中的一大表现，这一集成就是利用控制器硬链接，来使得SIS与DCS系统之间可以通信集成，使得SIS数据可以在链接基础上快速被上传到DCS系统内。但这一集成目标的实现需要有Modbus协议的保障，该协议为电子控制器中的通用语言，在该协议的相关规定下，完全可以满足控制器与控制器之间、控制器与其他电子设备之间的通信需求，从本质来看，Modbus为请求/应答协议。事实上，在Modbus协议中明确定义了一个控制器，该控制器可以在通信过程中自动对通信信息结构加以识别，且在通信过程中对于通信网络结构的要求较低。整个通信过程中，Modbus协议使得控制器和其他网络设备在相互访问时可以存在一个认证机制，经由控制器对指令的接收与发送控制，不仅可以快速识别出相应的异常信息，更可以保持通信的正常进行[2]。此外，Modbus通信协议中还明确规定了SIS、DCS之间所存在的信息域格局与通信内容格式，通行集成性特征使得控制系统可以在人机界面下保持正常的通信状态。因为集成通信的特殊性，使得在整个控制系统的运行时，数据流呈现出SIS向DCS的传递状态，硬件性能是否达标，对数据传输效率、安全都有着直接的影响。SIS和DCS集成的安全控制系统下，集成方式从本质上来看属于异种分离，在化工行业的生产中，SIS与DCS集成需分别对两个控制网络加以实时监控。

(2)OPC通信

随着生产现代化概念的提出，越来越多的生产企业已经实现了DCS系统的应用，且该系统的应用范围逐步扩大。根据DCS系统的构成，其中存在有多种控制设备、多个子系统，在系统运行时，经由不同设备和子系统的相互配合，也就有效保障了DCS集散控制功能的实现。但就工业企业的生产而言，DCS中的多个控制设备和子系统可能存在着生产厂家的不同，也就使得设备的驱动程序有着明显的区别，系统运行时一旦缺乏统一的通信标准，DCS系统中的不同设备和子系统之间可能存在着一定的冲突，给通信和系统运行产生了巨大的干扰。而SIS与DCS集成中的OPC通信恰好可以解决这一问题，提升系统可靠性。本质来看，OPS集成具体指的是SIS与DCS经由面向过程控制的OPC技术，来保持系统和设备之间的正常通信。OPC属于一个工业标准的概念，其中含有整套接口、属性和方法的标准集合，在设备控制系统和工业自动化系统中的应用优势突出[3]。

OPC集成下，SIS与DCS之间通过OPC来达到通信目标，可以消除SIS或者DCS系统分开使用时在通用性方面的问题，系统和设备之间的通信更为可靠，SIS可以在该集成下直接利用DCS系统来获得相应的数据，进而最大化利用该数据来提高SIS系统的功能和性能。但这一集成特点下，对于硬件性能和功能的要求非常高，也需要使得服务器配置能够达到相应的标准，但这种情况下的投资较高。

(3)SIS系统与DCS系统的无缝集成

伴随着信息时代的到来，我国乃至世界的计算机技术、信息技术和通信技术等都得到了显著的发展，市场上逐步出现了集成SIS和DCS系统功能的电路板，在同一个企业的生产作业中，基本上也就克服了硬件匹配性不足的问题，保持了正常的通信。与一般的集成方式相比，这种无缝集成方式下的SIS和DCS在物理机型上实现了高度集成，但二者在逻辑方面却保持着相互的独立性，控制系统和安全程序也同样保持一定的独立性，互相之间不存在任何的干扰[4]。为使得SIS和DCS系统之间的集成效果最佳，需保障所采用的控制网络线路和组态工具完全相同，在不需要添加额外接口和驱动装置的前提下，就可以达到最为理想的集成状态。因在系统中的监测设备和操作平台配置相同，SIS和DCS系统之间的信息共享目标得以实现，不需要添加新的组态就可以达到良好的效果。因此，与其他的集成方式相比，无缝集成下的成本更低，且更具安全性和便捷性。无缝集成如图1所示。

图1 SIS与DCS无缝集成应用

2.SIS和DCS集成控制的工程设计

检测输入、执行机构与逻辑运算单元是SIS系统中的重要构成，为使得SIS与DCS系统之间可以保持高度集成，检测输入、执行机构与逻辑运算单元都应该遵循相应的设计规则。

(1)检测输入的工程设计

检测输入中包含了现场变送器检测所获得的AI、DI等各种类型的信号，如果针对的是二级的安全系统，最好应配置单独的检测器，保持该检测器与过程系统完全独立。但就当下的一些生产项目，因为存在着设备和投资等的限制，往往存在检测器共用的情况，在共用检测器的条件下，仅仅在机柜之间将不同系统实施了信号分配，由以下几种方式来实现：

①SIS作为信号的转接和输出平台

以某化工企业的气化炉项目为例，气化炉进料和加热炉中的很多检测系统需进入到SIS和DCS系统内。检测信号应根据SIS系统的设计标准使得其能够顺利接入到该系统中，但因为该系统内安装有多种信号中来的IO卡件，且这些卡件的输入/输出点均选用的硬接线，相应参数以三取二表决为主，信号分别接入到三个不同的输入卡中，SIS、电气设备和电磁阀之间的信号要利用中间继电器来实现隔离处理，以避免相互之间的干扰。

②一入二出的信号分配

这一信号分配方式具体指的是现场变送器信号在现场机柜室内经由安全栅、隔离器、报警器等各种设备的安装来将原先一路现场信号分配为两路，并将该两路信号分别送至DCS和SIS系统中。根据相应的设计规范，在安全等级为二级的情况下，一入二出的信号分配方法并不适用，但如果与SIS转接相比，一入二出的信号分配方案下SIS信号到DCS的AO或者DO卡件相对较少，具有安装实施的便捷性。但为提升集成效果，在利用这一信号分配方式下，需注意以下方面：严格以现场信号的类型来选择高性能的信号分配器；将信号分配器安装在SIS机柜中，由该系统供电。

(2)系统输出的工程设计

执行器机构包含了多种的方式，根据发展情况，在最为早期的阶段，主要是通过继电器的使用来实现对DCS与SIS的共同操作，随后在此基础上出现了DCS操作工艺阀门、SIS控制阀门气源电磁阀方案；SIS为操作平台且负责DCSDN所有阀位操作的方式。

3.SIS和DCS集成的化工装置安全控制系统应用

对一些化工企业而言，在氨区存储罐区就可以充分利用SIS、DCS集成控制系统，因为氨产品的存储过程，一般是利用球罐体装的，但因为球罐体控制系统的构成极为复杂，如果在生产的过程中出现控制失误，将会引起严重的生产事故。球罐体控制系统运行中，对球罐体压力的控制尤为关键，一旦该压力值超出了设计标准，DCS系统会立即经由现场测量装置将所采集到的相关信息传输到SIS系统内。而SIS系统则可以根据事先设定的程序值自动启动联锁装置来实现自动控制，这一控制模式下，有效对液氨进入罐体实现了控制，避免了罐体内液氨容量过多所引起的生产事故。因此，在这一生产条件下，DCS和SIS集成使得整个系统处于相对安全的条件下，可以给生产作业提供保障。液氨水产品在正常条件下一般利用罐体来存储，上方的氮气密封在很大程度上避免了储罐内的氨气溢出。生产作业进行中，将罐体内注入一定量的氨气可以使得氨气量注入多少的控制将罐体压力保持在正常条件下，因为SIS和DCS集成性特征使得控制更具自动化特点，一旦操作压力超出了设计限值，液氨水储槽顶部的呼吸阀就会立即打开，一旦呼吸阀放散不及时或者存在故障，罐体压力可能呈现出持续增长的状态，此种条件下，当压力值达到第二个规定值以后，氨封阀同样会立即打开实现泄压。