GE PAC8000安全控制系统SafetyNet在西气东输火气系统中的应用

摘要：

　　PAC8000控制系统可提供常规的PLC或DCS控制系统，同时可提供满足IEC61508和IEC61551标准的、具有SIL2认证的安全控制器和安全IO模块，具有SIL2认证的安全控制系统又称之为SafetyNet系统。
SafeyNet安全系统采用与PAC8000常规控制系统相同的系统架构，并使用同一个编程平台，这种方式使得SafeyNet系统的安装、组态与编程更为容易与方便，对于要求达到SIL2安全等级要求的火气控制系统SafetyNet系统性价比更高，系统实施与维护更为方便快捷。

1. 项目背景　

　　西气东输陕京2线增输工程新建榆林压气站、阳曲压气站、石家庄压气站和兴县压气站可燃气/火焰检测报警系统，由可燃气探测器、火焰探测器、火灾和气体控制报警系统组成，用于上述压气站压缩机厂房内的可燃气体和火焰的检测和报警。火气系统要求实现控制器、网络和电源冗余，系统安全等级为SIL2，系统设计按照模块化的设计原理，提供较高的实用性和可靠性。系统具有完善的自诊断功能。系统的组件机架安装，采用模块化及插入式的设计。模块无需特殊工具就能进行更换， 故障部件能够进行热插拔更换。

2. SafetyNet控制系统

2.1 总述

　　SafetyNet控制系统是面向工厂自动化的新一代模块化开放式安全控制系统，采用先进的安全型RailBus总线构架；双重化的硬件体系结合全面的冗余容错技术和特有的故障安全策略，使得系统可靠性达到99.999%。高速的控制器和大容量内存保证系统的执行速率和精度。SafetyNet同时提供获得IEC 61508 SIL2认证的控制模块，为用户提供符合安全要求的ESD与F&G控制系统。

2.2 硬件构架

底板

　　采用先进的RailBus总线技术的控制器底板和I/O模块底板，每个控制器底板可安装一对冗余的控制器，一个电源监测模块，同时备有两个9针的RS485接口，支持MODBUS RTU协议。每个I/O底板可安装8个IO模块，模块与模块间相互隔离，支持热插拔。

主控制器

　　获得SIL2认证的 SafetyNet控制器采用IBM PowerPC 266MHz 32位微处理器(等同于Pentium512MHz)，25M内存，双以太网和串行通讯接口，支持API、现场总线、ModBus、HART、点对点通讯以及OPC，可以实现冗余配置，可直接安装在危险2区。一个控制器节点最多可安装64个I/O模块，支持在线热插拔。

I/O模块

　　I/O模块可以根据现场需要选择安装控制室或者现场区域，通道隔离、监测以及LED指示，获得SIL 2 认证，支持多种信号类型，支持在线热插拔。模拟量输入A/D转换分辨率达到16位，模拟量输出A/D转换分辨率达到12位，能够对现场回路进行检测，内置输入变量线性化、工程单位转换、开平方滤波、报警及冷端温度补偿运算功能。

接线端子排

　　可拆卸，体积小，可选带回路开关和保险丝，可选无电弧和无火花型接线端子排，特有的键锁设计保证安装的正确性。可直接用于连接现场信号与IO模块，节省了机柜端子排投资。

电源

　　N+1冗余配置的、采用浮空设计的电源模块，正常情况下两块电源各承担50%的供电负荷，其中一块电源出现故障时，另一块电源承担100%的负荷。

　　在这些应用中，SafetyNet的通用平台很大程度地降低了试车和维护成本，结合几个测试工具对控制逻辑进行评估，包括完整性分析器和交叉参照分析器。这些高效率的工具帮助用户减少开发IEC61508安全应用程序所需的时间和精力。同时提供信任主机列表(Trusted Host Table)、关键切换点(Key Switch)等关键安全应用功能。SafetyNet同时提供变量保持功能，系统断电后程序不丢失，同时可以恢复至断电前的状态。

2.3 软件

　　专门针对安全应用开发的 SafetyNet Workbench是一个完整的项目开发环境，可组态包括仪表索引、控制策略（过程和离散）、静态分析、完整性分析、交叉参照分析、过程可视化（操作面板）配置、历史记录参数配置（报警及趋势记录）、离线仿真在线下装和工程管理等多项功能的项目工程，支持IEC61131-3标准中的梯形图、功能块和结构化文本编程语言，支持自定义功能块、函数功能，并提供加密功能。

2.4 通讯

　　2个以太网口、4个串行通讯口集成在CPU卡及其底板上，全面支持Modbus TCP以太网通讯协议、Modbus RTU工业串行通讯协议、RS232/422/485串行通讯协议、HART协议，以及FF、Profibus现场总线协议。操作站与控制站能够冗余通讯，保证了操作系统的安全可靠性，全面采用OPC技术，为厂级信息管理系统提供了方便的数据接口。

MODBUS TCP：连接操作站、工程师站，最大通讯距离依介质不同而不同。
MODBUS RTU：连接其它控制设备如PLC等，最大通讯距离依介质不同而不同。
HART协议、FF、ProfiBus现场总线：连接现场仪表以及总线设备。
OPC：连接先进控制与优化系统、厂级信息管理系统。

2.5 系统特点

开放性

　　系统采用符合工业标准的开放协议，通讯系统网络为国际流行的冗余容错的以太网结构。

　　控制系统的模块化设计使得用户很容易搭建一个完整的复杂的系统。扩充灵活，可以实现从小到几个回路，大到数千个回路不同规模的应用。

极强的环境适应能力

直接安装于防爆区域2区

抗腐蚀等级： ISA SP71.04 G3等级

环境温度范围： -40ºC ~ +70ºC

湿度范围： 5% ~ 95%相对湿度

抗冲击：EN60068-2-27，30g

抗振动：EN60068-2-6，5g

高度的可靠性

　　SafetyNet获得TüV IEC61508认证，其广阔的冗余功能可以为您提供多种冗余选项，这些冗余可以包括：

冗余控制器

控制网络

系统电源

　　冗余控制器被用于重要控制的应用场合。采用互锁冗余方式，实现从主控制器到后备控制器的无扰动切换。控制器冗余模型支持在线组态和在线的硬件更换，冗余控制器之间的共享信息被实时更新，使得冗余系统的应用变得更加简单。同时支持LAN冗余。每个控制器有两个独立的以太网接口，每个接口可以连接到一个独立的网络，实现LAN的完全冗余。冗余电源被应用在重要的应用中，当一个电源故障时依然能够确保系统的连续运行。

　　控制器采用对等的通讯方式，控制器之间共享数据信息。该能力使得重要的信息可以在现场控制器之间实现有效的共享而不必通过控制室。

　　功能强大的离线仿真功能，可以在控制程序下装到控制器之前，在离线状态下完成控制策略的功能测试，从而避免对现场的影响，加快控制策略的投用，缩短开车时间。

　　允许在测试、开车和维护阶段进行在线组态的调整，从而有效地提高系统开车进度，减少操作停工时间。控制项目工程中的组态修改也相当简单，仅需一次性地调整，数据库及其相连的HMI包括PID控制面板及现场设备图形符号将被自动更新。

　　自动生成包括I/O组态报告、材料表、仪表索引、系统启动、维护信息及接线图内容的系统文档。系统制图自动保持最新的组态，为您节省了大量时间。

3. SafetyNet控制系统在西气东输陕京2线火气控制系统中的应用

　　西气东输陕京2线增输工程榆林压气站、阳曲压气站、石家庄压气站和兴县压气站要求每个压气站配备一套SIL2等级的冗余配置的火气控制系统，每个系统有一个工程师站兼操作员站以及SIL2控制系统构成，对压缩机厂房内可能的气体泄漏和火焰进行检测并报警。通过安装于现场危险区域的气体及火焰探测器探测现场险情，当发生气体泄漏或火灾时，火灾和气体控制系统进行报警，提醒操作人员采取相应措施。同时将报警信号通过硬接线和通信方式传输给站控系统PLC和ESD系统。火灾和气体控制系统将与站控系统PLC采用RS485串行通信方式，通讯协议为MODBUS-RTU协议。每个压气站系统结构图与操作画面如下：

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