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中控監測壓力變送器數據異常預警的優化

作時間:2019-02-27  來源:  作者:
   

         摘 要:油气生产现场變送器主要用于实时监控现场液位、温度、压力等,通常同一监测点安装 2 台變送器,其中一台變送器数据实时传送至过程控制系统,用于控制调节阀动作使容器压力、温度、液位等参数在合理设定范围;另一台變送器数据实时传送至紧急关断系统,如数值达到高高、低低设定值则触发安全联锁,切断放空流程或关停现场设备,保证人员设备安全。针对现场实际生产过程中,變送器因自身故障或受工作环境影响导致测量值异常引发关停的情况,提出了通过利用同一点设置的 2 台變送器数据进行差值比较,差值异常时输出报警,对變送器故障起到预警的解决方案,进而介绍了该方案的实施途径。

 
引 言
        油气化工生产现场的中控系统一般由过程控制系统、紧急关断系统组成。紧急关断系统的作用是出现异常不可控因素时,可实现对设备或流程的隔离泄压,以确保人员、设备的安全。紧急关断系统控制层面独立于过程控制系统,但可通过数据采集与监视控制系统(SCADA)与过程控制系统实现通信,在过程控制系统上位机上对监测数据与报警信息进行显示。油气化工生产现场在流程关键部位设置 2 台變送器,其中一台用于紧急关断系统数据监测,另一台用于过程控制系统数据监测。若传送至过程控制系统的壓力變送器出现异常,调节阀则会异常开大或关小,直接导致容器压力下降或升高。此时的压力异常下降或升高被处于正常工作状态的壓力變送器监测将数据传送至紧急关断系统,导致生产异常关停;若传送至紧急关断系统壓力變送器出现异常,当真实压力异常下降或升高已经达到高高、低低设定值时却不能实现关断,流程异常该关断时却不能实现关断保护,安全环保风险极高。
 
1 解决思路
        为解决上述在生产过程中发生过的變送器监测数据异常问题,保证流程安全稳定运行,技术人员结
合现场设备实际情况,从不增加新设备的成本支出出发,提出了解决思路,利用變送器自身数据循环对比或 2 台變送器之间数据差值比较,设定相应的报警值输出报警,达到预警的目的。针对 2 种解决方案,进行对比分析。
 
1.1 数据循环对比
        流程稳定运行,變送器无异常时,监测流程参数的波动处于一定范围之内,即单位时间内参数的变化幅度不会过大。因现场实际监测数据是在一定范围内波动的,正常时亦不存在数据固定不变。基于此现象,现场技术人员利用系统本身运算能力,单个数据监测点数据自身循环比较,如以 10 s 为单位,计算變送器回传数据 10 s 内增量,若该增量异常高或低时触发报警,提示值班人员对现场變送器进行检查核对,起到预警作用。
 
1.2 差值变化监测
        變送器在正常工作的情况下,同一监测点位的 2 台變送器数据几乎相同或者变化趋势完全一致 (图 1),即数据趋势同时上升或同时下降;当其中一个變送器出现问题时,则会出现 2 台變送器数据差值扩大,趋势不能实现同时上升或下降(图 2)。据此利用同一监测点的 2 台變送器差值超过某一正常值后输出报警,提示值班人员及时告知技术人员进行故障排查,从而提前预防相关高风险事件发生。这样就可以建立變送器自身故障预警系统,有效防范事态扩大。
變送器正常时差值恒定變送器异常时差值扩大
1.3 方案对比
        通过分析 2 个方案进行对比。方案 1 中数值循环比较,需针对单个点进行逻辑组态,工作量较大,对服务器的负荷增加较大,并且在紧急关断系统中进行该功能组态,与其静态、安全的设计原则有所相悖;方案 2 中的差值对比法,2 组變送器为 1 组,降低了组态工作量,且差值运算逻辑可以通过过程控制系统实现,对紧急关断系统不进行控制层面的修改,不影响其安全性。综上认为,方案 2 更适用于生产现场。
 
2 可行性研究
2.1 差值运算
        下文以某油田现 场所使用的过程控制系统(Honeywell Process Knowledge System,下文简称PKS 系 统 ) 与紧急关断系统 (Honeywell Safety Manger,下文简称 SM 系统)为例进行阐述。 PKS 系统组态软件为 Configure studio,对其组态功能进行确认,是否能够实现差值运算。因差值监测为两變送器实时数据的差值,实际工况中,A-B 有可能出现负值,故需要组态功能能够实现取绝对值运算。如图 3 所示,进入 control builder 界面,确认AUXCALA 模块能够实现数值运算,并且能够执行取绝对值运算。确认 PKS 系统满足预警功能并实现需求的运算功能。
PKS系统中逻辑运算模块
2.2 数据通信
 为了实现差值预警,需要将 SM 系统实时数据引入 PKS 系统中的控制层面,实现数值运算与逻辑组态。技术人员发现 OPC 协议可以解决不同系统间的数据通信问题。OPC 全称是 Object Linking and Embedding(OLE)for Process Control,它可以为不同厂家、不同类型的控制应用建立通信桥梁,所使用的过程知识系统(PKS)中的 Experion OPC Integrator 功能即可实现数据在两个系统之间进行传输。另外,针对该功能,资料提示不可使用该功能传输安全或关键任务信息,差值报警为预警功能,不属于建议不使用的范畴。
 
2.3 系统负荷
 利用 OPC Integrator 功能进行数据通讯,会在一定程度上增加服务器运行负荷。对增加差值预警需求的点位进行统计,共 20 组。技术人员确认,该数量点位通信对服务器负荷增加较小,在许可范围内。
 
2.4 主要风险
        修改后逻辑在下装至控制器时存在一定风险。如下装过程中如出现错误、下装失败,现场调节阀失去控制、无法调节,流程将出现无法控制的现象,存在安全风险。
 
        针对上述风险,制定相应风险控制措施。下装过程中现场工艺人员值守,中控人员加密关注流程参数,及时沟通现场进行手动调节,保证流程稳定。技术人员做好组态并交叉检查,调整好作业窗口,减少流程手动控制时间。另外做好下装时出错失败的应急措施:如出现下装失败、无法控制的现象,立即删除所有新增模块后保存修改,再次重新下装,恢复系统修改前状态,保证系统能够正常调节控制。主要作业风险体现在下装过程中,针对该风险制定相应预控措施后,风险在可控范围内。
 
 如上分析所得,利用 OPC Integrator 功能将紧急关断系统数据引至过程控制系统,与同一监测位置过程控制系统数据进行差值比较,实现中控系统监测数据异常预警方案可行。
 
3 方案实施
3.1 OPC通信组态
 在 PKS 系统中建立 OPC 通信组,将 SM 系统中的数据引入 PKS 系统(图 4)。
OPC通信组态
3.2 差值报警逻辑组态
 在 PKS 系统中利用组态软件对變送器差值运算逻辑进行组态,并组态报警输出(图 5)。
差值运算与报警组态
3.3 功能测试
 对组态完成的模块进行下装并激活。下装后测试报警功能正常实现,ALARMS SUMMARY 有报警记录显示(图 6)。至此,中控监测数据异常预警功能实现。
上位机显示差值报警
4 总 结
 中控系统监测数据异常预警功能的实现,在流程关键点位监测设备(壓力變送器、液位變送器)出现故障或工况异常时,能够即时触发报警并显示详细报警信息,提醒值班人员通知相关技术人员进行检查处理,可有效规避仪控元件故障而引发的生产损失、设备损坏或者安全生产事故。另外,OPC 技术在油气化工生产控制系统中应用较为广泛,本文成果为變送器故障预警提供了有效的解决方案。
 
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