GE三重冗余安全表决系统（GMR）在河北建滔焦化有限公司粗苯加氢系统中的应用

　　GE智能设备（上海）有限公司沈阳分公司 林东

　　摘要:本文通过对建滔（河北）焦化有限公司5万吨/年焦化粗苯加氢精制装置保护系统的介绍，向读者描述了GE 智能平台三重冗余安全表决系统（GMR）产品在焦化粗苯加氢精制装置保护系统中成功应用的一套完整的解决方案。

　　关键字：GE 三重冗余安全表决系统（GMR）苯加氢 化工

　　应用背景：

建滔（河北）焦化有限公司——化工行业——该公司为建滔化工集团全资拥有的子公司，于2003年7月开始筹建，总投资超过7亿元人民币。 建滔（河北）焦化有限公司主要从事焦炭生产，设计年生产能力为捣固焦100万吨、焦油36000吨、粗苯12000吨。

苯、甲苯、二甲苯（简称BTX）等同属于芳香烃，是重要的基本有机化工原料，由芳烃衍生的下游产品，广泛用于三大合成材料（合成塑料、合成纤维和合成橡胶）和有机原料及各种中间体的制造。纯苯、甲苯和二甲苯大量用于生产精细化工中间体、有机原料，以及农药和溶剂等方面。焦化粗苯主要含苯、甲苯、二甲苯等芳香烃，另外还有一些不饱和化合物、含硫化合物、含氧化合物及氮化合物等杂质。粗苯精制就是以粗苯为原料，经化学和物理等方法将上述杂质去除，以便得到可作原料使用的高纯度苯。近年来，国内许多企业的焦化项目纷纷上马，焦化粗苯的产量迅速增加，为粗苯加氢精制提供了丰富的原料。

　　客户需求

建滔（河北）焦化有限公司采用先进的加氢精制法来进行粗苯的深加工生产，既Koppers加氢/Morphylane萃取蒸馏法，设计加工量5万吨/年。该工艺属国际先进水平，三废少，污染少，催化剂、萃取剂均可再生。但需要注意的是，粗苯加氢精制工艺中的加氢反应温度为3500℃，压力为3.5Mpa。因温度和压力较高，要注意安全防范工作。因此粗苯加氢精制装置不仅需要快速、可靠的过程控制系统，也需要高效、安全、可靠的紧急停车安全保护系统（ESD系统）来确保生产装置稳定的、安全的运行。

此外，为了便于运行管理，用户需要采用的紧急停车安全保护系统（ESD系统）具有与过程控制系统（DCS）具有通讯功能。将紧急停车安全保护系统的运行状态以及一些工艺参数在过程控制系统中显示。

　　解决方案

根据粗苯加氢精制装置紧急停车安全保护系统的特点和需要，并且考虑到用户提出的在保证系统安全性、先进性、可靠性和完整性的要求。GE智能平台为用户提供了一套成熟可靠的基于GE GMR（Genius M odular Redundancy）三重化安全表决的自动化控制系统平台，并由鞍山市新泰科自动化设备有限公司负责为最终用户进行系统集成与调试。

GE智能平台开发的GMR三重化安全表决系统是面向ESD、火灾和气体保护应用开发了一套三重化的冗余控制系统解决方案。它由90-70系统和GE智能平台特有的Genius I/O输入输出模块以及VersaMax I/O输入输出模块构成。这个方案是可配置成不同规模，它允许用户根据希望得到的流程风险降低的程度来改变系统的冗余级别。

GMR三重化安全表决系统除了典型的TMR系统所具备的特点：容错、综合诊断、远程I/O、在线模块修理以及高可靠性和高可用性之外，GMR系统还具有下列优点：

　　·应用灵活性；可以根据指定的应用要求进行逐点组态冗余配置的硬件系统，从而节省开支。

　　·Genius I/O加速系统构成，加快开车进程；无须进行长距离拉线以节省时间和投资。

　　·电子保险丝；瞬间短路被电子化清除；降低了平均修复时间（MTTR）。

　　·故障识别到点级；进一步降低了平均修复时间（MTTR）。

　　·与多种“即插即用”通讯装置兼容。

　　·GE GMR（Genius Modular Redundancy）三重化安全表决解决方案可大致分为以下三个部分。

　　·三重冗余Genius通讯网络。

　　·三重冗余表决控制器及其冗余表决I/O子站

　　·上位机操作员站（HMI）兼SOE工作站和工程师维护工作站。

系统结构图可以参见图1所示。

图1 系统结构图

1.三重冗余Genius通讯网络

Genius通讯网络是GE智能平台开发并引入到工业控制领域的一种工业现场总线。Genius总线是一个对等的、令牌网络，一条网络最多可以有32个站点。该网络具有很高的网络吞吐率；具有良好的时实性。Genius网络采用频移键控调制技术（FSK），可以有效的防止工业现场的各种干扰。

在系统中，三重冗余Genius用于连接三重冗余表决控制器和各个I/O输入、输出表决模块组。在系统运行过程中负责冗余表决控制器以及I/O站之间的数据同步和交换。

2.三重冗余表决控制器及其冗余表决I/O子站

GMR三重冗余表决控制器采用GE智能平台系列90-70可编程系列专用控制器；冗余表决I/O子站分别采用Genius Block输入输出模块以及VersaMax I/O输入输出模块构成。

2.1表决控制器

系列90-70可编程控制器是GE智能平台控制器系列中先进的产品。采用了新的设计和制造技术，系统配置和安装简易，机架总线采用开放的VME总线结构，可与第三厂家VME产品兼容。CPU模块具有一系列不同性能规格的型号，以满足各种大规模，复杂的高速控制要求。此系统中采用了GMR系统专用控制器产品。

此方案中，GMR三重化冗余控制器采用三个独立的CPU，可组态为3-2-1-0或3-2-0的工作模式，以满足用户不同应用的需要。系统通过3选2的表决来提供高可靠性和无误差的操作。此外，GMR三重化冗余控制器物理上无耦合设计和分离式结构电路保护可以从本质上消除共模失效的潜在可能性。

为了与过程控制的DCS系统进行通讯，每个表决控制器上都预留了Modbus RTU 从站通讯接口，用来实现DCS系统与ESD系统的通讯。其中DCS系统作为Modbus RTU通讯的主站，ESD系统作为Modbus RTU通讯的从站。

2.2冗余表决I/O子站

为了使方案更加合理，同时也节省用户的投资。此方案中冗余表决I/O子站采用GE智能平台两种不同系列的I/O产品，即Genius I/O产品和VersaMax I/O输入输出模块。

其中离散量输入输出（DI/DO）I/O模块表决组采用Genius I/O产品；模拟量输入（AI）I/O模块表决组、模拟量输出（AO）I/O模块冗余输出组采用VersaMax I/O输出输出模块。

Genius I/O提供了一整套离散、模拟和继电器，回路可以从6至32个。Genius I/O 模块不仅仅是与外设的接口，它们还是智能化的、耐用的独立的模块，比传统的I/O更加实用。许多模块的I/O配置可以进行定制，因此效率极高。Genius I/O 凭借其模块化的设计和先进的诊错技术，大大节省了初期和系统停工期的成本。

VersaMax®PLC将先进的VersaMax I/O以及功能强大的CPU相结合，更易于使用、价格合理、性能卓越。VersaMax提供了广泛的I/O模块，组态更加灵活。通讯模块能将VersaMax与Profibus网络（或其它工业现场总线）相连，实现远程控制。

3.上位机操作员站（HMI）兼SOE工作站和工程师维护工作站

此系统中设立了一台机操作员站HMI（兼SOE工作站）和一台工程师维护工作站。

操作员站上安装并运行Proficy HMI/SCADA–CIMPLICITY软件，该软件软件包括工业上领先的Proficy分布式系统结构和开放性的系统设计，此结构和设计借助Microsoft的灵活的客户／服务器体系结构，以及功能强大的为实现系统集成而设计的各种标准。为用户带来的好处就是该产品非常易于使用，同时又适合于实时控制和监视，可以将它配置成从单个节点到多节点的网络系统形成不同的规模，具有很强的可扩展性。

Proficy HMI/SCADA–CIMPLICITY软件能够应用在各种不同类型的工业生产过程中，诸如汽车，航天，石油与天然气，化工，石化，食品加工，饮料，制药，纸浆与造纸，管线，金属，水与废水处理，交通以及其它行业。

工程师站上除安装了Proficy HMI/SCADA–CIMPLICITY软件，还安装了控制器编程组态软件：Proficy Logic Developer-PLC。用来开发和维护系统的应用软件。

系统的HMI应用软件界面如图2、图3所示。

图2 操作员站系统的主画面

图3 系统连锁控制画面

实施结果

通过与GE的合作，建滔（河北）焦化有限公司5万吨/年焦化粗苯加氢精制装置保护系统，按照原工程进度表，通过鞍山市新泰科自动化设备有限公司3个月的集成，于2008年9月竣工并顺利投产。三重冗余安全表决系统（GMR）控制系统投运以来，保证了该厂焦化粗苯加氢精制装置的安全、稳定的运行，给用户带来更大的收益。同时GE将以其先进的技术，卓越的知名度，良好的口碑为更多控制行业提供更快、更强、更安全的控制系统，不断促进中国过程控制水平提高。

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