HIMA系统在京唐球团厂焙烧项目中的应用

HIMA系统在京唐球团厂焙烧项目中的应用
【摘要】介绍了HIMA安全仪表系统在京唐球团厂焙烧项目中的应用，其中对工艺、自动化软硬件及网络配置作了简要概述，着重介绍了HIMA安全仪表系统的特点。

【关键词】安全仪表系统（SIS）；配置；控制系统
0 前言
首钢京唐球团厂焙烧机工程采用德国Outotec公司制造的有效面积为504 m2的带式焙烧机，烧嘴系统硬件采用德国HIMA公司生产的安全可编程逻辑控制器（PES）H51q系统。

与普通类型的PLC或DCS来实现烧嘴功能不同的是，本工程专门为安全应用场合设计，具有完善的故障检测功能并取得权威机构安全认证的HIMA安全控制系统作为烧嘴的控制装置，使保护系统具有更高的安全性、可靠性和可用性。

1 工艺概括
带式焙烧机焙烧球团矿时，生球干燥、预热、焙烧、均热及冷却都在同一台设备上完成。

而为焙烧机升温提供热源的就是烧嘴系统，它使生球干燥、预热、焙烧、均热这些工程得以实现。

燃料采用焦炉煤气，配备专用焦炉煤气烧嘴。

各烧嘴区被组织到控制区域内，两侧对称布置，每个控制区根据位置设有2至8个烧嘴。

设有五个2烧嘴区，一个6烧嘴区和两个8烧嘴区，总计8个区域，32个烧嘴。

每个烧嘴区装配一个热电偶，用于温度监测和自动调节。

煤气管道总管上设一套安全截止系统，配置煤气浓度检测报警装置，防止煤气泄漏。

每个烧嘴安装一个紫外线火焰监视器，用于检测火焰。

操作期间，监视器或火焰故障将导致烧嘴燃料被切断。

烧嘴工作之前，监视器或缺陷火焰检测故障会阻止烧嘴启动。

紫外线火焰监视器通过与监视器安装法兰连接的永久仪表空气气源冷却和清扫。

采用一台自动高压点火器点燃从烧嘴出来的空气/焦炉煤气混合气体。

点火程序开始之前，点火器立即自动插入到燃烧位置。

点火阶段，点火器将高能火花排放到烧嘴前，在点火程序完成之后，将点火器从燃烧室中抽出。

点火器由一次助燃空气管线供给的空气连续冷却。

2 硬件软件及网络配置
2.1 硬件配置
烧嘴系统的硬件设备主要由就地检测仪表、就地控制操作箱、控制设备以及PLC控制系统组成。

控制系统采用德国HIMA公司的H51q系统，并与焙烧机的过程控制系统DCS完成通信，在DCS操作站上完成整个系统的监视和控制。

H51q的电源模件和控制器模件都是冗余配置。

仪表安全系统具有完整的自诊断功能，可在一个扫描期内对系统的全部硬件和软件运行进行诊断，诊断率达99.99%。

CPU和I/O卡件的故障信息均可以4位字符显示显示在CU的信息窗以及系统的工作站上。

故障模件的位置可被显示出来，例如，机柜号、I/O卡件的机架号、I/O槽路号等。

系统的设计应是故障安全型的，系统内发生故障时，能按照故障安全的方式停机。

系统具有完善的硬件、软件故障诊断及自诊断功能，自动记录故障报警并能提示维护人员进行维护。

冗余设备能在线自诊断，排错报警，无差错切换。

仪表安全系统的I/O卡件均采用了低密度，通道间隔离、安全SIL3级认证的卡件，AI和DO采用8通道卡，DI采用16通道卡，无AO卡件。

2.2 网络配置
仪表安全控制系统（SIS）采用标准的工业Modbus协议进行数据通讯，提供冗余的以太网接口用于与DCS的通讯，将自身的相关数据传输给DCS系统，以便DCS系统对安全仪表系统的当前状态、动作条件、连锁结果等进行监视。

通过Rockwell公司的上位系统软件FactoryTalk View Site Edition (Network) v5.10 (CPR9)，简称SE，采用Server/Client的方式在人机界面中实现烧嘴的监视和控制。

2.3 软件配置
安全控制系统的软件操作系统都是以嵌入的方式直接集成到控制器中。

在运行过程中，操作系统除了以循环扫描的形式来处理用户程序外，还通过监视程序的代码版本号、运行版本号、数据版本号、区域代码号的更改来保证程序的安全性。

H51q系统的编程软件是ELOP—II，用户程序的创建和修改必须按照绑定的IEC61508、DIN标准来执行，同时软件中还集成了源代码比较器、目标代码比较器和经过认证的编译器。

这些工具在创建、下载和修改用户程序过程中分别对源代码和目标代码进行测试并标识出来。

只有经过测试的应用程序才允许被下载到控制器中。

3 系统特点
3.1 处理器冗余结构
HIMA的H51q系统为CPU四重化结构（QMR-Quadruple Modular Redundant），即系统的中央控制单元共有四个微处理器，每二个微处理器集成在一块CU模件上，再由两块同样的CU模件构成中央控制单元。

一块CU 模件即构成1oo2D结构，HIMA的1oo2D结构产品满足AK6/SIL3的安全标准。

为了向
用户提供最大的可利用性，采用双1oo2D结构，即2oo4D结构。

在冗余结构的情况下，高速双重RAM接口（DPR）使两个中央单元通倍，从而解决了无故障修复时间限制的难题。

其容错功能使系统中的任何一个部件发生故障，均不影响系统的正常运行。

与传统的三重化结构相比，它的容错功能更加完善。

图1：控制器结构图
3.2 工作原理
系统具有两个中央模块，通过公用总线与输入、输出模块相连。

两个中央单元从输入模块接收相同的输入信号，执行相同的用户程序。

每个工作循环分7个阶段，即并列工作。

一个循环扫描过程由以下七个步骤组成：1）周期性自检；2）数据接收；3）数据传送；4）输入数据处理；5）输出交换比较；6）结果输出；7）结果回读。

每个阶段完成后，两个中央单元通过高速数据通信链进行同步操作，相互比较运算并交换其输入、输出状态和必要的数据。

在一个工作循环中，两个中央单元分别执行不同的工作任务，一个中央单元执行读入数据和测试功能，另一个中央单元执行比较功能。

以工作循环为单位，交替更换其角色。

在下一工作循环，执行读入数据和测试功能的中央单元转为执行比较功能；而执行比较功能的中央单元转为执行读入和测试功能。

以此工作方式使两个中央单元拥有相同的数据。

通过综合测试可检查中央单元是否发生故障。

若测试发现其中之一出现故障，则立刻将其与系统隔离；另一中央单元可在一定时间内维持运行，直至将有缺陷的模块进行更换修复后再投入使用。

在控制器中有一个“看门狗（Watchdog）”电路，实际上是一个特殊的定时器，其功能是当程序运行发生故障并经设定延时后，产生1个非屏蔽中断，使系统复位。

在2oo4D结构中，任意控制器模块的一个微处理器在正常存储数据的存储器下运行，而另一个则在数据以取反的方式存储的存储器下运行，它们同步运行执行同一用户程序，通过硬件比较器监视比较，两存储器内数据应刚好相反，否则触发“看门狗”，但这并不影响另外一个控制器的正常运行。

故障控制器经过“看门狗”复位后使其回到安全状态，可通过DPR接受正常运行控制器的全部运行参数和中间变量，继续同步执行同一用户程序。

这种2oo4 D结构保证了系统的可靠性，同时也具有很高的可用性。

Watchdog信号不仅可以实现控制器故障时的切换，而且Watchdog信号还在主机架的背板输出并连接到其他I/O机架，使每个机架内的输出模件都可以引入“看门狗”计时器信号，当CPU 内部故障时令所有输出模件各通道切换到关状态，与安全相关的工艺设备被快速关断，保证了系统的安全。

Watchdog信号的存在以及被引入到每一个I/O 机架这一形式是HIMA安全控制系统与普通PLC的重要区别之一。

4 结束语
HIMA的安全控制系统是根据相应安全标准研制开发的专门用于安全保护系统的控制设备，具有完善的测试手段，当检测到系统故障尤其是危险故障时能使系统回到安全状态，从而最大限度地保证了系统的可靠性和可用性。

但在目前的工业设计中，往往都采用DCS来完成SIS的功能。

虽然这种一体化的方式有着接口简单、减少备品备件品种、降低维修费用和节省总投资等优越性，但那些与安全相关的系统和功能由普通的DCS控制器来实现，显然与越来越高的工业运行可靠性和安全性的要求不相符。

所以采用符合国际标准的HIMA安全控制系统来实现烧嘴的保护功能将有力地保证焙烧机设备和人身安全，进一步提高球团厂的利用率和竞争力。

自投产以来，烧嘴控制系统运行稳定，为安全生产打下了坚实的基础。

参考文献：
[1]《石油化工仪表自动化培训教材》编写组. 石油化工仪表自动化培训教材.北京：中国石化出版社，2009
作者简介：刘建忠，男，1982-06-12出生，河北省唐山人，燕山大学测控技术与仪器专业，本科，自动化工程师。