毕业设计（论文）-天然气管场安全仪表系统的研究设计.doc

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1、 本科毕业设计(论文)天然气管场安全仪表系统的研究设计XXX燕 山 大 学2010年06月本科毕业设计(论文)天然气管场安全仪表系统的研究设计学院(系)： 电气工程学院 专 业：测控技术与仪器 学生姓名： 学 号： 指导教师： 答辩日期：2010年6月23号 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：测控技术与仪器学号学生姓名专 业班 级精密仪器及机械-2班题目题目名称天然气管场安全仪表系统的研究设计题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型

2、1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1. 掌握天然气管场安全仪表系统的国内外发展概况及前景;2. 了解安全仪表系统在天然气站场的应用及其控制原则；3. 学习ESD系统的基本原理及应用；4. 编写程序，并进行调试；5. 撰写论文。基本要求1.遵守毕业设计期间的纪律，按时答疑、汇报；2.独立完成设计任务，培养基本的科研能力；3.设计说明书一份（不少于2万字）及A1图纸一张以上；4.英文资料的翻译不少于3千字；5.完成相关的实验.参考资料1 相应的工程图纸及设计要求资料；2 徐春山 过程控制仪表 冶金工业出版社 1995；3 德国HIMA公

3、司的ESD系统及其指令集。周 次第14周第58周第912周第1316周第1718周应完成的内容明确设计内容，调研，查阅相关资料相关理论的学习，编程语言的学习，总体方案的设计软件编程实验；撰写论文撰写论文，画图，准备答辩指导教师： 职称：教授 2009年12月22日系级教学单位审批： 2010年3月2日 摘要摘要SCADA数据采集与监控系统和ESD控制器应用于石油天然气管道自动化行业大大提高了其运营和管理的安全性和自动化程度。本论文主要运用ESD控制器设计了郑州压气站场燃气支线的安全仪表系统，论文首先介绍了站场自动控制系统的国内外的发展和意义，SCADA数据采集与监控系统和ESD控制器的发展，列

4、举了郑州典型站控系统的配置、组成以及各系统的功能作用，然后介绍站场的控制流程，ESD选型、硬件配置和各个I/O模块的功能，最后对站控系统典型流程程序进行编制，通过控制阀门的开、关来实现不同管线的导通，最终完成对整个站场安全的控制，体现出ESD在站场安全自动控制系统中的重要作用。关键词 数据采集与监控系统；自动控制；ESD；I AbstractSupervisory Control and Data Acquisition SCADA systems and Emergency Shut Down system ESD controller used in oil and gas pipelin

5、e industry automation greatly enhance its safety、 operational and management automation.In this paper, the main use of ESD controller designed Zhengzhou Gas Compressor Station Extension field safety instrumented system, first introduced the paper station automatic control system for the development

6、and meaning at home and abroad, SCADA Supervisory Control and Data Acquisition systems and ESD controller development, listed Zhengzhou station control system of a typical configuration, composition and function of the system, and then introduced to control the flow station, ESD selection, hardware

7、configuration and all I/O module, the last of the station control system for the preparation of a typical process flow, by controlling the valve opening and to achieve clearance of the different on-line, and ultimately completed the station for the safety control, shows ESD automatic control system

8、in the station yard and the important role.Keywords Supervisory Control and Data Acquisition System；Automatic Control；ESD； 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外的发展和意义31.2.1 SCADA系统的发展31.3 工程简介61.3.1 设计的主要内容6第2章 站场控制系统82.1 站控系统的组成82.2 各部分的功能92.2.1 操作员工作站92.2.2 站控ESD系统102.2.3 远程通讯接口RCI102.2.4 远程终端装置

9、RTU102.3 本章小结11第3章 系统的集成设计123.1 站控系统流程123.2 ESD的硬件配置123.2.1 ESD的选型123.2.2 容错控制与安全系统173.2.3 计算I/O点193.3 本章小结19第4章 程序的编制204.1 编程软件(ELOP II Factory)204.2 分配地址264.3 编制程序294.3.1 流程图294.3.2 编程语言354.3.3 程序384.4 本章小结42结论43参考文献44致谢46附录1 开题报告47附录2 文献综述51附录3 中期检查55附录4 外文翻译60附录5 接线图72附录6 程序78第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背

10、景随着我国经济近年来的飞速发展，能源的开发与供应将是我国经济发展的重心之一。石油与天然气作为方便与高效的能源，在我国的能源规划中处于不可替代的重要的地位。石油和天然气的管道运输，作为石油和天然气的主要运输方式，在我国的建设步伐不断加快。开发管道运行的自动化管理系统，在当前具有相当现实的意义。SCADA系统作为石油和天然气管道运行的监测和控制体系，在我国管道自动化领域中的应用越来越多，极大地提高了管道运行的自动化，保证了管道安全、可靠、平稳的运行。伴随着SCADA系统在管道运行应用上的日益普及，产生了对管道运行管理自动化的需求。与此同时，它的普及，又为管道运行管理的自动化提供了硬件体系和低层运行

11、自动化的基础，为管道运行管理信息系统在工程上的应用提供了广阔的市场和网络体系的支持1,2。一 采用ESD系统的背景1. 安全系统的重要性随着过程工业的产生和发展，过程控制系统显得越来越重要。过去，直接On/Off控制已经可以满足简单的设备装置要求，而现在，则需要更复杂的控制功能。由于过程的复杂性，原料的变化，最终产品的质量要求，装置规模以及设备、人身、环境的保护等因素，适当的过程控制以及安全系统的设置显得尤为必要和重要。因此，许多企业运用过程控制概念以保证人员安全的最佳可靠性、生产设备的寿命、环境保护、有关利润和持续性的可应用性。2. 安全系统的要求随着石油化工装置的规模日趋大型化，设计操作指

12、标离安全临界点越来越近，造成发生危险的可能性也增加，所以越来越多石化企业用户非常重视生产过程的安全，同时又要不断提高产品产量，以追求企业效益利润最大化。在过去几年中，有的企业虽然配置了某种安全系统，但由于该系统并不提供所要求安全的完全性，而发生了许多大事故。随着现代科学技术的发展，人们对安全系统的认识也得到了提高，这就对安全系统提出了新的要求：(1)安全系统必须比继电器控制或是固态逻辑控制更安全可靠；(2)必须减少安全系统误动作或误停车的次数和频率；(3)系统必须易于维护和查找故障，并具有自诊断功能；(4)系统必须易于组态，并且有在线修改组态的功能；(5)安全系统必须可与DCS和其他计算机系统

13、通信；(6)系统必须有硬件和软件的权限保护；(7)必须提供第一次事故记录(SOE)功能；(8)安全系统必须独立于其他控制系统。需要配置安全系统的典型设备、过程或系统有石油与天然气平台、化学系统、旋转机械(汽轮机、压缩机等)、发电厂与配电系统、电站锅炉等。3. ESD系统投入的必要性由于当今工业的高度发展，整个工业过程是在一种高强度、高度自控的环境下进行，尤其是对于天然气、石油化工、化工及电力行业来说，由于企业生产的性质所决定，所处的生产环境是具有爆炸危险性的。这样，设备、人身及生产过程的安全可靠性就成为重要的保证。而传统的DCS、PLC系统等控制手段在这方面表现出的薄弱性也就越来越明显，这显然

14、不能满足石油化工等危险场合的生产工艺要求。随着现代计算机技术的发展，ESD系统的设备配置也在不断地更新换代，由低级到高级；由气动逻辑到继电器逻辑；由简单的继电器系统到以微处理器为主的ESD系统；由单回路联锁系统到三重模块冗余系统，即TMR(Triple Modular Redundancy)。TMR技术，早在20世纪80年代中期便由美国宇航专利技术开发出来，并从80年代末期被用于工业安全系统的设计上。它是将安全系统的关键电路都实行三重化，每个通道各自独立，但又同时完成同一功能。TMR技术保证了安全系统的连续性和可预测性，从而在本质上可以提高石油化工生产装置的安全运行水平，并最大限度地消除误停车

15、事故的发生。由于TMR系统具有满足这些场合的生产工艺要求，它既可保证生产过程的连续可靠进行，又可在如发生重大故障时确保设备、人身的安全，大大提高生产的可靠性与安全性。所以，TMR技术已被人们认识并广泛应用在石油化工、天然气、电力系统等工业领域。由此可见，在讲究高效安全生产的石油化工行业，如今投入ESD系统已是众多企业的选择，并是保证生产可靠性与安全性，提高经济效益的必要手段之一12。1.2 国内外的发展和意义国外长输天然气管道自动化发展比较早，从20世纪50年代，苏联就开始了长输天然气管道的建设，经过半个多世纪的发展，国外(以美国和西方国家为代表)天然气管道自动化工程有了很大发展。特别是运用高

16、度自动化的计算机监控与数据采集SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系统，对全线主要参数采集监控，在控制中心的调度人员通过计算机可实现管道流量、压力及阀门开、关等设备的自动控制，清管器跟踪管理，系统组态、扩展，仿真系统软件可完成泄漏检测、定位、设备优化配置、运行模拟、培训模拟等功能。我国的天然气管道发展比较晚，在20世纪90年代我国天然气管道自动化方面才有了较快的发展，西气东输代表了当时我国天然气管道工程的最高水平，运营管理采用了SCADA系统进行数据采集、监控，并通过采用微波、卫星和租用地方邮网方式进行通信。目前新建管道与国际接轨，并用

17、光缆进行通信，传输信息量大。随着我国长输管道大型项目的不断建设以及通信和网络技术的不断发展，管道的自动控制技术已经达到了国际先进水平。ESD系统在输气管道的广泛应用，大大提高了生产和运行管理的安全性和可靠性，降低了恶劣工作环境对操作人员的影响，保证了人员的安全，同时提高了预测突发事件的能力以及在紧急情况下的快速反应和处理能力，减少生命和财产的损失，从而带来良好的社会效益和经济效益6,7。1.2.1 SCADA系统的发展SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，全名为数据采集与监视控制系统。它是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统

18、，它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域5。SCADA系统自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。SCADA系统发展到今天已经经历了三代，第四代已具雏形。第一代是基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统，这一阶段是从计算机运用到SCADA系统时开始到70年代。如电力自动化研究院为华北电网开发的SD176系统以及在日本日立公司为我国铁道电气化远动系统所设计的H-80M系统；第二代是80年代基于通用计算机的

19、SCADA系统，在第二代中，广泛采用VAX等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的UNIX操作系统。第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护，升级以及与其它联网构成很大困难；第三代是90年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的SCADA系统称为第三代。这一阶段也是我国SCADA系统发展最快的阶段，在电力系统、给水系统、石油、化工等领域得到广泛应用；第四代SCADA系统的基础条件已经或即将具备。该系统的主要特征是采用Internet技术、面向对象技术、神经网络技术以及JAVA技术等技术，继

20、续扩大SCADA系统与其它系统的集成，综合安全经济运行以及商业化运营的需要。SCADA系统在不断完善，不断发展，其技术进步一刻也没有停止过9,10。根据目前SCADA系统的应用和经验总结，管道SCADA系统的控制层次通常分为三级：控制中心级、站控级和设备控制级，该结构充分体现了集中管理、分散控制的现代系统控制原则，特别适用于长输管道这种分散性大、跨地域广、功能相似系统的运行管理和控制。控制中心对全线进行集中数据采集、监视、控制和调度管理，站控级通过PLC/RTU控制器来实现对工艺站场进行控制与监视，设备控制级是对泵机组、加热炉、压缩机、阀门等工艺设备进行本地控制。同时现场具备就地手动控制功能。

21、在正常情况下，由调度控制中心对全线进行监视和控制。调度和操作人员在调度控制中心通过计算系统完成对全线的监视、操作和管理。通常，沿线各站无须人工干预，各站的站控系统在调度控制中心的统一指挥下完成各自的工作。控制权限由调度控制中心确定，经调度控制中心授权后，才允许操作人员通过站控系统对各站进行授权范围内的工作。当数据通信系统发生故障或调度控制中心主计算机发生故障或系统检修时，由站控系统完成对本站的监视控制。当进行设备检修或紧急停车时，可就地控制。管道沿线的站场均处于调度控制中心的监控之下；另外，重要部位的线路紧急截断阀和高点压力检测点也直接纳入调度控制中心的监控范围之内。全线的压力和流量控制由调度

22、控制中心根据输送计划和模拟计算，通过通信信道将压力或流量设定点和相关指令传送给有关的站控系统执行。在非正常情况下，根据沿线的工作情况改变相关的压力或流量设定值，使管道在新的条件下安全、稳定地运行。全线各站的工艺操作以站控系统为主，控制中心主要完成全线的灾害保护和全线联合运行的调控，在站控系统出现故障时也可以利用就地操作按钮或手柄、手轮等对泵、阀等设备进行单独的操作3,4,11。1.2.2 ESD的发展ESD是英文Emergency Shutdown Device紧急停车系统的缩写。 这种专用的安全保护系统是90年代发展起来的，以它的高可靠性和灵活性而受到一致好评。ESD紧急停车系统按照安全独立

23、原则要求，独立于DCS集散控制系统，其安全级别高于DCS。在正常情况下，ESD系统是处于静态的，不需要人为干预。作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。只有当生产装置出现紧急情况时，不需要经过DCS系统，而直接由ESD发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。据有关资料，当人在危险时刻的判断和操作往往是滞后的、不可靠的，当操作人员面临生命危险时，要在60s内作出反应，错误决策的概率高达99.9%。因此设置独立于控制系统的安全联锁是十分有必要的，这是作好安全生产的重要准则。该动则动，不该动则不动，这是ESD系统的一个显著特点21。 1.3 工

24、程简介西气东输管道工程横贯中国东西部，起点是新疆塔里木的轮南，终点是上海市西郊的白鹤镇，全长3900公里，管道全线设有工艺站场35座（其中压气站10座、分输站17座、独立的中间清管站8座）、远控线路截断阀室138座、操作区管理处6座（新疆、甘肃、陕宁、山西、豫皖和苏浙沪）和调度控制中心2座（上海调度控制中心1座和北京后备控制中心1座）。压缩机站和分输站设站控系统（SCS-Station Control System），中间清管站和远控线路截断阀室设远程终端装置（RTU-Remote Terminal Unit）。SCS和RTU作为SCADA系统的远方控制单元，不但能独立完成对所在工艺站场的数据

25、采集和控制，而且能将有关信息传送给操作区管理处和调度控制中心并接受调度控制中心下达的命令。操作区管理处设SCADA系统远方只读监视终端，以便于区域管理部门掌握本区域及了解全线的运行工况，保证对本区域管线与工艺站场的管理和维护。调度控制中心的主要任务是通过各站的站控系统（SCS）或远程终端装置（RTU）对该管道进行数据采集及控制，同时实现管道模拟、输送计划、泄漏检测及定位、设备运行优化、计量管理、模拟培训等任务。站控系统采用SCADA系统，该系统将达到对全线各压气站进行监控、调度、管理的自动化水平。系统投产后，操作人员在调度控制中心通过SCADA系统可完成对管道的监控和运行管理，达到“有人值守，

26、无人操作”的运行管理水平。自动控制系统是由调度控制中心系统、站控系统、现场数据采集传输控制设备组成，共同完成系统控制，实现了三级控制。同时现场具备就地手动控制功能13。1.3.1 设计的主要内容紧急停车系统(ESD)是站场最高级别的安全的控制设备。本论文将结合“西气东输工程”压气站场和德国Himatrix公司F30控制器，设计郑州站的由进站到郑州城市燃气支线这部分的ESD控制系统。首先熟悉输气管道压气站场工艺流程，掌握压气站场工艺控制要求，对天然气管道站控SCADA系统结构配置及原理进行分析和研究，然后掌握Himatrix公司F30 ESD控制器的基本原理、配置及I/O模块功能；最后运用HIM

27、A公司的ElopeFactory编程组态软件编制典型的站控系统控制程序。根据输气管道压气站场工艺流程控制要求，完成压气站场主要工艺参数的采集和工艺设备的控制，实现典型流程切换逻辑程序开发。85第2章 站场控制系统第2章 站场控制系统2.1 站控系统的组成站控系统(Station Control System)是保证SCADA系统正常运行的基础，站控安全系统采用以ESD系统为硬件基础组成控制系统，可以独立完成对所在站场的数据采集和控制，由本地ESD控制器实现逻辑和算法的运算，形成一个功能完整的控制系统。同时，站控系统SCS还要与调度中心进行通讯，向调度中心提供本站内的工艺设备的运行参数，并接受调

28、度控制中心的调度指令和参数设置。中心与各SCS的主数据信道为专用光纤信道，双向点对点通信14。图2-1典型站控系统配置图典型站控系统由操作员工作站、RCI、PLC、ESD控制系统、交换机、路由器、打印机等设备组成站控局域网。ESD控制系统选用德国HIMA F30系列可编程控制器，用于联锁保护和紧急停车。RCI用于收集PLC、ESD和第三方智能设备（流量计算机、色谱分析仪、电力设备等）的数据，并将数据上传操作员工作站和调度中心。操作员工作站用于对整个工艺站场运行情况的监视和控制，并对采集数据进行归档处理。配置打印机打印报警、生产报表和曲线等。2.2 各部分的功能站控系统SCS的主要功能为：对现场

29、的工艺变量进行数据采集和处理；对电力设备及其相关变量的监控；对阴极保护站的相关变量的检测；站场可燃气体的监视和报警；消防系统的监控；显示动态工艺流程；显示各种工艺变量、其他有关参数和报警一览表；数据储存及处理；显示实时趋势曲线和历史曲线；压力、流量控制；流量计算；逻辑控制；联锁保护；对压缩机组的监控；紧急停车；打印报警、事件报告以及生产报表；执行SCADA系统调度控制中心发送的指令，向调度控制中心发送带时间标志的实时数据；数据通信管理等。站控系统SCS采用以PLC系统为硬件基础组成控制系统，可以独立完成本站内所有监控对象和控制设备的本地控制，由本地PLC控制器实现逻辑和算法的运算，形成一个功能

30、完整的控制系统。同时，站控系统SCS还要与调度中心进行通讯，向调度中心提供本站内的工艺设备的运行参数，并接受调度控制中心的调度指令和参数设置。成为整个完整的SCS系统的基础组成部分。2.2.1 操作员工作站操作员工作站的主要功能是为运行人员提供人性化的界面，运行人员通过工作站就能实现对现场的数据采集和监控，并自动完成归档存储，报表打印等功能。操作员工作站从通讯服务器RCI中读取数据。该通讯协议的主要特点是，对于采集的数据采取逢变则报的方式，减少平时的数据传送量，从而降低轮询周期。此外，工作站集成两个RJ45的接口，两个接口配置了不同的IP地址，使其连接在站控系统冗余的网络中，如果其中一个网络中

31、断不会影响系统的正常运行。在操作员工作站有2台打印机，一台报告打印机，一台报警/事件打印机，报告打印机是运行人员日常用来打印报表的，来反映整个站的运行情况和一些变量的值；报警/事件打印机是用来打印报警事件的。2.2.2 站控ESD系统ESD用于检测工艺过程的压力、温度、可燃气体浓度等信息，并对可控设备进行监视和控制。它的优先级在站控中是最高的，用于连锁保护和紧急停车。当生产过程出现意外波动或紧急情况需要采取某些动作或停车时，该系统能精确监测，并及时、准确地做出响应，使装置停在一定的安全水平上，确保装置和人身的安全。站控ESD系统是独立设置的。当然一般安全联锁保护功能也可由DCS来实现。但是对于

32、较大规模的紧急停车系统应按照安全独立原则与DCS分开设置，这样做主要有以下几方面原因： （1）降低控制功能和安全功能同时失效的概率，当维护DCS部分故障时也不会危及安全保护系统; （2）对于大型装置或旋转机械设备而言，紧急停车系统响应速度越快越好。这有利于保护设备，避免事故扩大；并有利于分辨事故原因记录。而DCS处理大量过程监测信息，因此其响应速度难以作得很快； （3）DCS系统是过程控制系统，是动态的，需要人工频繁的干预，这有可能引起人为误动作；而ESD是静态的，不需要人为干预，这样设置ESD可以避免人为误动作。2.2.3 远程通讯接口RCIRCI(远程通讯接口)作为站控SCS系统的通讯服务

33、器，它承接着与PLC控制系统和第三方设备间的通讯，其中第三方设备包括：流量计算机、色谱分析仪、低压配电盘电力参数采集、UPS、发电机、空压机等。他们之间的通讯采用MODBUS RTU协议，连接方式RS232或RS485，同PLC之间的连接方式为以太网。RCI同样是一块网卡上集成两个RJ45的接口，该两个接口配置了相同的IP地址。2.2.4 远程终端装置RTURTU远程终端装置应能够采集现场压力、温度、均速管流量计的差压、阀位开关状态和火灾的仪表信号等检测信号通过硬线连接到ESD的I/O通道中，ESD实现数据的采集，将数据通过通信链路上传到调度控制中心。并可以实现本地的控制以及接受调度控制中心的

34、控制指令；同时应能与自发电设备的智能装置、火灾检测系统的智能装置及其他控制设备进行数据通信。其主要功能为：数据采集和处理功能(可接受模拟和开关量信号)；输出模拟量和开关量控制信号；数学运算功能；逻辑运算功能；自诊断功能；故障报警功能；执行SCADA系统调度中心发送的指令，向调度控制中心发送带时间标志的实时数据等。调度控制中心与RTU的数据通信主信道采用专用光纤信道，一点对多点分组轮询通信方式，传输速率为4.8kb/s，通信接口采用RJ-45或RS-232C，通信协议为TCP/IP或DNP3.015,17。2.3 本章小结站控安全仪表系统SIS的ESD将完成当生产过程出现意外波动或紧急情况需要采

35、取某些动作或停车时，该系统能精确监测，并及时、准确地做出响应，使装置停在一定的安全水平上，确保装置和人身的安全。本章主要介绍了整个站控系统的组成和各部分的主要的控制功能，从而使读者从整体上了解了压气站场的主要设备和功能，为以下集成设计安全仪表控制系统做了准备。第3章 系统的集成设计第3章 系统的集成设计3.1 站控系统流程整个站控系统的流程示意图如图3-1所示，来自上游的天然气进入汇管H-1后，经过滤分离器过滤分离后进入汇管H-2。过滤分离器工作方式为1用1备。经汇管H-2后至橇装涡轮流量计计量系统，涡轮计量橇为2路计量管路，工作方式为1用1备。计量后通过汇管H-3至2路电控自力式压力监控系统

36、，工作方式为1用1备。天然气经压力监控系统调压后出站，送往下游用户地区。进、出站设置压力、温度检测及报警。进、出站分别设置紧急切断 和紧急放空，用于紧急情况下的全站关闭和放空。站内设置水套炉加热装置1套，用于加热天然气，防止压力监控的调压器降压时产生冰堵。站内设置自用气橇1个，用于站内自用气的调压和计量。计量采用涡轮流量计，并配置流量计算机13。图3-1 站控流程图在进气区有三个由ESD控制的阀门，其中一个为放空阀，一个气液联动阀，一个电动阀；在调压区有一个ESD控制的调压阀；在出站区有两个ESD控制的阀门，分别是放空阀和出站电动阀；一个ESD控制的越站阀。3.2 ESD的硬件配置3.2.1

37、ESD的选型此工程采用的是HIMA公司的F30 ESD控制器和HIMatrix F3 DIO 20/8 01（数字量输入输出模块），下面对这两类硬件分别进行描述。1. HIMatrix F301.1. HIMatrix F30的外观。从外观上看，F30有4个10/100Base T以太网口，它们具备同样的功能，接口方式为RJ45，支持安全以太网和OPC-SERVER，通过该以太网口可以对F30进行编程和测试，3个FB口，为9针D型连接头。 图3-2 Himatrix F30 ESD外观其中FB1口支持RS485通讯，可也作为Profibus-DP-Slave以及Modbus Slave，西气东

38、输东段所用的软件暂时还不支持Modbus协议，在西段将开发使用。此外，F30包括8个数字量输出和20个数字量输入，用于数据采集和控制现场设备，它们的数据传输和数据处理参见下图：图3-3 ESD数据传输与数据处理图1.2. 数字量输入:F30控制器有20个数字量输入，每个数字量输入对应一个状态显示灯，支持有源信号和无源信号两种接线方式，接线方式参见下图，其中左图为无源信号的接线方式，右图为有源信号的接线方式。无源信号 有源信号图3-4 无源、有源信号接线图1.3 数字量输出:F30控制器有8个数字量输出，每个数字量输出对应一个状态显示灯，其中第4通道和第8通道能支持最大2A的负载，其它6个通道支

39、持最大0.5A的负载，最好在每一个输出通道增加一个二极管，如下图的2、3、4通道。感应负载可以不接二极管。图3-5 数字量输出接线图虽然每块F30控制器有4个以太网口，但是它们只有一个IP地址，可以通过软件对F30的IP地址和System ID(SRS)进行更改，每个F30的出厂默认设置为： Default value for IP address: 192.168.0.99Default value for SRS: 60000.0.02、HIMatrix F3 DIO 20/8 012.1 HIMatrix F3 DIO 20/8 01的外观图3-6 HIMatrix F3 DIO 20/

40、8 01的外观从外观上看，F3有2个10/100Base T以太网口，它们具备同样的功能，接口方式为RJ45，支持安全以太网，通过该以太网口可以对F3进行编程和测试。此外，F3包括8个数字量输出和20个数字量输入，用于数据采集和控制现场设备，它们的数据传输和数据处理参见下图：图3-6 数据传输与数据处理图2.2. 数字量输入:F3 DIO 20/8 01有20个数字量输入，每个数字量输入对应一个状态显示灯，支持有源信号和无源信号两种接线方式，接线方式参见下图，其中左图为无源信号的接线方式，右图为有源信号的接线方式。 无源信号 有源信号图3-6 无源、有源信号接线图2.3 数字量输出:F3 DI

41、O 20/8 01有8个数字量输出，每个数字量输出对应一个状态显示灯，其中第4通道和第8通道能支持最大2A的负载，其它6个通道支持最大0.5A的负载，最好在每一个输出通道增加一个二极管，如下图的2、3、4通道。（注：感应负载可以不接二极管）图3-6 数字量输出接线图虽然每块F3 DIO 20/8 01有2个以太网口，但是它们只有一个IP地址，可以通过软件对F3的IP地址和System ID(SRS)进行更改，每个F3的出厂默认设置为： Default value for IP address: 192.168.0.99 Default value for SRS: 60000.0.0以上由参考

42、文献14可知。3.2.2 容错控制与安全系统从20世纪70年代开始，基于处理器的联锁系统由于比传统的继电器或固态逻辑联锁系统更易于联锁逻辑的修改及再组态而被广泛用于工业控制领域。但由于处理器单元的出错容易导致整个联锁控制系统的失败，从而使得基于处理器联锁系统的可靠性相对于传统联锁系统来说较差些。传统联锁系统由于具有多种结构而使其拥有较大程度上的容错性。某一部件的故障也仅仅只会导致控制的某部分失败。但是对于任何一种联锁控制系统，基于处理器或是传统的系统结构，如引起部分或整个控制失败的故障是不可接受的，它将直接导致生产产量的下降或更严重的后果，如人员的伤亡等。于是一种能允许系统部分故障，而又不影响

43、正常生产的系统结构的要求摆到人们眼前。这种联锁系统必须达到100%可靠且始终严格按照指令运行。1容错控制容错是指系统在一个或多个元件出现故障时能继续运行的能力。真正的容错还具有在不干扰系统运行的情况下，完全自动恢复的功能。它不同于一般的冗余：一般的冗余仅仅是模块或总线上简单的双热备，一旦输入模块出现故障，处理器模块也会出现故障，这时系统可能会因此而瘫痪；但是具有容错功能的系统，除了模块、总线、通信上的冗余设计外，还具有自诊断功能。基于具有容错能力的处理器的系统必须能准确识别各部件的故障(即全面诊断)，并对任何故障能进行补偿，这可通过将故障部件的信号强制为指定状态，并使用另一种不同的信号线(冗余

44、)，这类似于传统系统的结构，而那些不能被诊断出来的故障部件则被视为危险故障。ESD系统就是设计为高度容错性，用来将工业过程置为已知的安全状态。ESD系统必须具有高可靠性，故障自动保险，不能有导致不利于停车的误动作。2安全系统的标准在安全系统的设计中，安全度等级是设计的标准，应根据生产装置的安全度等级选择合适的安全系统技术和配置方式。安全度等级是系统在指定的状态下，完全执行要求的紧急功能的概念。安全度等级可用于简化和理论化系统结构中各部分的安全要求，并使其定量化。IEC 61508定义了4个安全度等级及相应于每个等级的两个定量安全要求，包括对系统连续操作的目标故障率要求和对系统按照要求切换到安全

45、功能的目标故障率要求。随着安全标准的推出以及对安全系统重视度的不断升级，安全系统的认证也就变得越来越重要。根据德国电工协会DIN的标准，在过程工业中，典型工业过程的危险系数将安全要求级别定位在5级。因此，在德国的专门认证安全系统的机构T(Technischer erwachungs Verein)将应用在过程工业的安全系数定义为安全要求级别5。在设置安全系统时，既要满足工业过程安全度要求，又要保证可靠性。因此，必须先对具体的工业过程进行安全度的评价。但是，目前我国尚无具体安全等级划分的标准和设计规范，在应用中应参照国际上的有关标准，参比同类装置已经采用的ESD系统的运行情况以及结合本企业的生产实际情况来确定采用ESD系统的安全要求等级。根据经验，石油化工生产装置一般采用ESD系统的安全等级为SIL3级，即相当于T的AK5、AK6级。随着实践经验的丰富和安全工程理论的深入发展，以及近年来新的工业安全标准的诞生，这些标准有力地推动着TMR技术的逐渐推广。众多ESD系统应用实例证明，ESD系统在避免工业灾难、减少工业事故损失方面起到了积极和重要的作用，它为工业过程中要求最大安全与连续生产的关键控制提供了一种最佳选择17,22。3.2.3 计算I/O点ESD的选型主要是选择