变送器故障检测技术在乙烯装置SIS 中的应用

摘要: 主要介绍了变送器故障检测技术的实现方式及在康吉森TS3000 SIS 系统中的具体应用。分析了变送器故障信号的产生，康吉森TS3000 对变送器故障信号的检测及该信号在系统的“2oo3”( 三取二) 安全逻辑中的使用。同时引入了NAMUＲ NE43 推荐标准，对SIS 系统中所有的变送器进行了剖析，找出并改正变送器故障检测在系统应用的隐患，在满足联锁安全性的前提下，提高了联锁的可用性，保障乙烯装置“安稳长满优”运行。

        安全仪表系统( Safety instrumentation System，简称SIS) ，在石油化工生产装置的开车、停车、运行扰动以及维护操作期间，为人员健康、装置设备及环境提供安全保护。在《石油化工安全仪表系统设计规范》( SH/T 3018—2003) 中对石油化工安全仪表系统的设计进行了详细的要求。

        中国石油四川石化有限责任公司( 以下简称四川石化) 乙烯装置使用的是SIS 系统。根据工艺的特点，在设计阶段，该乙烯装置的安全系统逻辑结构大量采用2oo3 的逻辑结构，见图1。此逻辑结构既保证了联锁逻辑的安全性，也提高了联锁逻辑的可用性。

1、SIS 系统中变送器故障检测的实现及应用
        在逻辑结构中，有3 台感测器( 即变送器) 的信号输入进入康吉森SIS 系统。在硬件IO 模块中， IO 模块把变送器输入的模拟量电流值4 ～ 20mA 转换为对应的819 ～ 4 095 的数字量信号，然后送入SIS 系统软件的输入处理模块( AI2L /AI2H模块) ( 见图2) ，此模块把数字量转换为相应的工程量并可以通过与联锁值比较，输出高高或低低报警信号; 同时此模块可根据变送器的输入电流判断变送器是否故障。如果此模块检测到信号低于737( 输入电流值3． 6 mA) 或大于4 258( 输入电流值20． 8 mA) ，则认为变送器已经故障，该电流值无效，同时输出变送器故障报警信号INV，此INV 信号在SIS 逻辑中的“三取二”模块参与联锁。

        在“三取二”逻辑中，康吉森SIS 采用了V2oo3模块，见图3。此模块可以把AI2L /AI2H 输出得到的3 个低低或高高的报警信号输入该模块做三
        取二的表决输出。同时，为保证联锁可靠，在该模块中，康吉森SIS 设计引用了变送器故障报警信号INV。该模块功能参照了《石油化工安全仪表系统设计规范》( SH/T 3018—2003) 中“安全仪表逻辑结构图”的“2oo3”功能。当输入信号有1 个故障时，“2oo3”功能下降为“1oo2”; 当输入信号有2 个故障时，“1oo2”功能下降为“0oo0”，即如果同时有2 个信号故障，也会触发联锁。在逻辑结构上，从软件的角度，兼顾了联锁系统的可用性及安全性。

2、存在的问题
        在乙烯装置裂解炉岗位中，“裂解炉炉膛负压高高”参与了裂解炉SIS 系统的SD － 2 联锁: 当炉膛负压高于50 Pa 时，裂解炉SD － 2 停车。为提高联锁的安全性及可用性，该联锁逻辑采用了“2oo3”逻辑，在现场采用了3 台仕乐克仪表的EJA － 120A系列微差压变送器测量炉膛负压，变送器量程“－ 100 ～ 100 Pa”。在开车期间，由于工艺操作原因，炉膛负压达到了－ 110 Pa。由于EJA变送器默认设置为正常测量时，输出电流值3． 2 ～21． 6 mA( 变送器量程的－ 5% ～ 110%) 。虽然此时3 台变送器测量值低于量程的－ 5%，但会同时输出3． 2 mA 电流信号到SIS 系统。此时SIS 系统中的AI 模块( AI2H) 检测判断为这3 台变送器已经故障，同时产生变送器故障信号INV，在V2oo3模块中，由于模块检测到3 个变送器故障信号INV，“2oo3”功能下降为“0oo0”，继而触发联锁，裂解炉SD － 2 跳车。

        按照设计，在正常操作下，仅当炉膛负压高于50 Pa 时，才触发联锁。在开车过程中，工艺操作可能会使炉膛负压低于－ 110 Pa，因此不能联锁。同时虽然炉膛负压低于了变送器量程的－ 5%，但该变送器并未故障，属于正常测量，待工艺条件恢复后，变送器立即测量正常。

3、解决方案
        通过分析，问题的根源在于未对现场变送器正常工作时( 包含仪表虽超量程，但仪表整体运行时正常的情况) 的输出电流值、变送器故障时的输出电流值与康吉森SIS 系统检测方式下的电流值进行有效的分配及划分。康吉森SIS 系统中AI2L /AI2H 模块，会误把正常工作但超量程测量的变送器认为故障。所以必须对变送器输出电流进行适当的划分，使康吉森SIS 能准确地把变送器的故障及正常工作状态区分开来，防止误联锁。

        NAMUＲ NE43，“Standardization of the SignalLevel for the Failure Information of Digital Transmitters”，是“德国测量与控制标准委员会”制定的一项推荐标准。其对变送器在不同工作状态下( 正常工作，故障工作) 的输出电流进行范围划分，使电流的接收端可以通过电流值判断变送器的工作状态。NAMUＲ NE43 对变送器输出电流的具体划分，见图4。

        由于NAMUＲ 的大力推广，符合NE43 的现场变送器应用非常广泛，只要选取适当的电流范围值，就可以使参与联锁的变送器在故障与正常测量之间被康吉森SIS 系统准确区分开来。

        通过与仕乐克仪表厂家讨论确认，EJA 系列压力、差压变送器，符合NE43 标准，默认出厂设置为: 在正常测量时，仪表默认电流输出范围为－ 5% ～ 110% ( 3． 2 ～ 21． 6 mA) ，此输出范围可修改; 当变送器CPU 或硬件故障时，可选择输出“小于3． 2 mA”或“大于21． 6 mA”。

        为保证联锁的可靠性及安全性，经设计院确认，把测量裂解炉的炉膛负压且参与联锁的变送器的正常输出电流值由3． 2 ～ 21． 6 mA 改为4 ～ 20mA。即在变送器正常测量时，变送器仅能输出4 ～ 20 mA 的电流值。即使当实际测量值低于或高于仪表量程时，变送器也只能输出对应的4 mA或20 mA 信号。在变送器故障时，根据设置，输出电流为21． 6 mA。通过此方法，即使在某些极端操作条件下，工艺参数超出了变送器的测量范围，只要未达到联锁值，SIS 系统也不会触发联锁，工艺操作可以继续进行。在此次修改以后，裂解炉再未出现由于炉膛负压低于变送器测量范围，而导致SIS 的系统误联锁，裂解炉跳车的事故。

        仪表专业人员对SIS 系统中使用了变送器故障信号的联锁进行了剖析，进一步对相关的变送器的故障电流值范围及正常测量电流值范围进行了核实，查看是否与康吉森SIS 系统的故障检测电流范围存在不统一的情况，并与乙烯装置工艺和设计人员就各种联锁参与的工艺操作进行讨论，对极端操作条件下，工艺参数可能超过变送器量程的情况进行确认。结合以上方法对存在的隐患进行逐一整改，最后确认整改的内容为:

1) 对于差压流量变送器( 型号: 仕乐克仪表EJA110A/120A 差压变送器) ( 共232 台) ，由于可能出现正负导压管堵塞而引起高/低超量程，导致非正常联锁，故将变送器正常输出高低限钳制在4 ～ 20 mA。在变送器故障时，输出电流为21． 6mA。

2) 对于小量程的温度变送器( 型号: 仕乐克仪表YTA 系列温度变送器) ( 共30 台) ，可能在极端负温下出现超量程，导致非正常联锁，故将变送器正常输出钳制在3． 68 ～ 20． 8 mA。在变送器故障时，输出电流为21． 6 mA。

3) 对于差压液位变送器( 型号: 仕乐克仪表EJA110A 差压变送器) ( 共9 台) ，由于可能出现正负导压管堵塞而引起高/低超量程，导致非正常联锁，故将变送器正常输出高低限钳制在4 ～ 20mA。在变送器故障时，输出电流为21． 6 mA。

4) 对于压力变送器( 型号: 仕乐克仪表EJA430A差压变送器) ( 共15 台) ，由于可能出现管道高压而引发超量程，导致非正常联锁，故将变送器正常输出高低限钳制在4 ～ 20 mA。在变送器故障时，输出电流为21． 6 mA。

4 结语
        在现在的SIS 系统中，为增加联锁的安全性，变送器故障信号越来越多地作为联锁信号引入到联锁中。同时，NANUＲ NE43 规范的广泛使用，也使这种功能的实现非常容易。但在使用过程中，仪表专业人员必须熟悉在SIS 联锁中，变送器故障信号在SIS 系统中的作用，同时，熟悉现场变送器输出电流的设置( 不同厂家的变送器，虽然都符合NE 43 标准，但具体的出厂默认设置不一样) 。确认设置变送器的正常输出电流在SIS 系统变送器的正常检测电流范围内，确认变送器的故障电流在SIS 系统的变送器故障电流范围内，防止SIS 系统出现误联锁，在不降低SIS 系统安全性的前提下，大幅增加联锁系统的可用性，保障装置的安全、高效生产。

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