SIS系统信号异常分析与处理
SIS系统信号异常分析与处理
裘新华;张玲
【摘 要】本文以绍兴远东石化有限公司PTA装置在开车过程中出现的SIS系统信号异常为例,阐述了测量信号进入SIS系统后发生信号异常时所采取的逻辑推理和分析过程.通过推理分析查真正原因并解决信号异常的问题,介绍了针对此类问题如何采取有针对性的排查措施分析原因、消除隐患、保证设备及生产安全.
【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2018(025)002
【总页数】4页(P47-49,65)
【关键词】SIS系统;信号异常;分析与处理
【作 者】裘新华;张玲
【作者单位】绍兴远东石化有限公司,浙江 绍兴 312073;中国昆仑工程有限公司,北京 100037
【正文语种】中 文
【中图分类】TP273
对于石油化工装置安全回路危险故障主要存在于3个方面：1）现场传感器；2）SIS系统；3）最终执行元件[1]。其权重如表1所示。
从表1可以看出，逻辑控制器的故障率是最低的，最终执行元件的故障率是最高的，也是最容易导致事故发生的地方[5]。因此，当控制系统出现问题或联锁停车事故时，应该首先通过控制系统的事故首出功能，确认事故发生的时间、信号类型及原因，然后根据控制系统给出的信息，查信号源，排除干扰。本文将根据以上描述，结合实际事故来分析原因，并到解决方法。
绍兴远东石化有限公司国产化PTA装置分为氧化和精制两个工段，其中氧化和精制工段的气体成分分析的准确与否关系到PTA装置能否正常生产和运行。该装置采用了磁力机械式氧分析仪及红外CO、CO2分析仪进行氧化反应尾气组分检测。根据危险与可操作性分析的结果，主装置SIS系统采用了符合石油化工行业中的SIL3等级设备[4]，氧化反应尾氧含量高高限报警进入装置SIS系统进行安全联锁。
该PTA装置氧化工段开车大约6h，由于尾氧含量高高限报警导致联锁跳车。经查看SIS系统的SOE记录，发现在这期间，装置中该类型的10余块在线气体分析仪表均发生过无规律的O2含量高高，CO2含量高高等事件记录。但是，从DCS系统相应时段的历史趋势记录分析来看，这个时段的O2含量及CO2含量一直保持稳定，并且装置阀门及其他相关仪表均未出现过异动。因此，从工艺角度判断，装置的氧化反应尾气组分不可能出现瞬间O2含量高高，CO2含量高高等情况。
打开SIS系统软件在线测试功能，发现输入信号多次从正常值跳变到0，然后瞬间返回正常值，于是该过程不断触发O2含量高，CO2含量高等事件。图1是该次事故的SIS系统SOE记录，图上的事件开始时间和结束时间的间隔极短，充分肯定了原先的分析是正确的，即联锁事件发生的时间是瞬间。图2是SIS系统发生联锁对应时段气体分析仪的趋势记录，测量值相对保持稳定，也就是说SIS系统记录下的瞬间为0的状态DCS系统还没有记录，信号已经恢复正常。
一方面是SIS系统检测到了异常信号，导致装置联锁跳车；另一方面是DCS趋势记录却未反应出来，说明这个跳变是瞬间完成，导致扫描周期较长的DCS尚未检测到，信号已经回到正常值，从而问题的处理有了方向。
经分析SIS程序，除正常信号联锁跳车外，还有断路及短路事件的检测，这两种情况也会导致SIS系统产生联锁，并且在SOE中反应出来的事件就是O2含量高，CO2含量高。经试验和查阅手册发现，该SIS系统认为超过22mA为短路，低于3.6 mA为断路。
针对该问题的解决只能采取排查法，首先确认信号的流向，如图3所示。
首先怀疑的就是磁氧分析仪，但是该品牌该系列分析仪表在其他同类装置中有众多应用，自从应用以来，从未发现该类型问题，况且10余块仪表一同出现故障的概率几乎为零。
处于系统和分析仪中间的便是某进口品牌一入二出模拟量隔离栅，该型号的隔离栅应用极为广泛，厂家也从未接到过用户有过类似事件的反映，而且要10余块隔离栅同时出现问题的可能性也不可能存在，因而也被排除在外。
所选的进口SIS系统更是在石化行业普遍使用，并且该系统相关的 IO卡件为两块冗余 AI卡，同时在线检测，系统都获得了相同的信号。因此，系统基本上不可能存在问题，在排除了硬件问题之后，干扰信号窜入的可能性极大。
首先，针对4mA～20mA的仪表信号电缆的绝缘、对地短路分别进行了测试，均未发现问题，
对于分析小屋进行了对地电阻测试，也未发现问题。随后，信号线屏蔽多点接地、现场设备电磁干扰，仪表桥架接地等问题也被一一排除在外。
最后，把分析仪表搬至SIS仪表盘柜一侧，这样做的目的是减少中间环节，仪表直接跨过了长距离电缆及现场其他设备的电磁干扰源，通过隔离栅直接接入SIS系统。但是信号跳动仍然发生，于是再次将仪表信号跨过隔离栅，把4mA～20mA信号直接接入SIS系统，发现原先的信号跳动消失，SIS系统CPU也不再报通道故障。
信号异常问题已经非常明显，经仔细研究该型号隔离栅，外部有源信号被接在5、6端子上，说明书上标明该通道支持智能通讯信号，允许该类的信号通过。对该卡件来说，只要信号在正常范围内波动，它并不区分进来的信号是干扰信号还是正常信号。这样就给兼容性也带来问题，外部偶发的干扰信号或者正常的随机波动信号进入隔离栅，被隔离栅错误的当成智能通讯信号处理，而敏感的SIS系统高频率的扫描获取到了这个错误信号，误认为这个信号为正常的4mA～20mA电流信号，于是作出了相应的处理。
隔离栅把外部偶发的干扰信号或者随机波动信号理解为正常的电流信号。根据本装置中最常用的智能通讯协议分析，不外乎下面这些原理。
就HART智能信号举例，它使用的是频移键控（FSK）技术[3]，是在4mA～20mA电流基础上叠加低电平的数字信号，数字信号相位连续，平均值为0，不影响4mA～20mA信号，如图4所示。
但是，偶发的干扰信号或者随机波动信号却不满足相位连续，平均值为0的条件，如图5所示。此时，出现的瞬间干扰或者正常的随机波动信号却由于接到了智能通讯端子，使该类信号被隔离栅处理成为类似频移键控信号，但该类信号平均值却不为零，这个变化破坏了原先信号设计的原则，导致信号跳变，造成装置联锁跳车。
目前的问题是如何屏蔽掉这个外部干扰信号或者正常的随机波动信号，并且用最小的代价换取系统的正常工作。
经过对比该型号安全栅说明书，同样对于4mA～20mA有源信号，该隔离栅还可以接2、3端子（如图6所示），该组端子不支持HART、Brain、DE等智能通讯信号通过，而该型分析仪信号为4mA～20mA有源信号，也不支持智能通讯协议，并且SIS系统也不需要智能通讯。既然该接线端子具有屏蔽智能通讯信号的能力，应该也具有包括抗外部干扰的能力。因此，本装置应该把现场有源的仪表信号接至非智能通讯端子2、3。修改完接线方式后，信号跳变现
系统错误
象消失，装置投产至今再也未发生此前联锁跳车事故。
从本次事故分析的过程及解决该事故的方案来说，对关键设备的选型、安装方式要有深刻地认识和系统地考虑，不能想当然随便接线；要从原理和生产的实际需要来对设备选型和选择合适的接线方式，从而为生产保驾护航，发挥设备的最大功效。当然，此次事故发生也给出了生产中解决类似事故的一般解决方式，从事故的源头20%。压力控制PID输出0～50的时候，只通过开关防喘振阀（防空阀）来控制出口压力；而在压力控制PID输出50～100的时候，防喘振阀已全开，此时只能通过开关入口导叶来控制出口压力。
◆ 主处理器和I/O卡件完全三重化，没有出现因为卡件故障而引起的系统停车。
◆ 故障卡件在线更换、系统维护量少、故障诊断非常方便。
◆ 电源由安全可靠的稳压电源提供且具有自动切换功能。
◆ 防喘振控制软件包为装置提供了最佳的工作性能，减少系统波动。
◆ 调速软件包完全替代原有电子调速控制器，控制精度高，节约蒸汽消耗。
◆ 所有振动位移探头及前置放大器更新，未出现仪表原因引起的波动。
ST/K031机组控制系统经改造实现了一次开车成功，由于汽轮机调速功能与机组联锁保护功能实现了基于同TRICON公司TMR系统平台的功能集成，安全可靠性也有了很大的提高，改造后控制系统运行，各种控制参数均符合工艺要求，这次改造整体来说是成功的。
【相关文献】
[1]王树青,乐嘉谦．自动化与仪表工程师手册[M]．北京:化学工业出版社,2011．
[2]黄步余,范宗海,马蕾．石油化工安全仪表系统设计规范:GB/T 50770-2013[S]．北京:中国计划出版社,2013,49(6):1-9．
[3]石油化工仪表自动化培训教材:安全仪表控制系统(SIS)[Z]．北京:中国石化出版社,2011．

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