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作者：林東 職稱：工程師 職務：應用工程師
單位：通用電氣發那科自動化（上海）有限公司沈陽辦事處
Email：dong.lin@ge.com
摘要:
本文通過對建滔（河北）焦化有限公司5萬噸/年焦化粗苯加氫精制裝置保護系統的介紹，向讀者描述了GE Fanuc智能平臺三重冗余安全表決系統（GMR）產品在焦化粗苯加氫精制裝置保護系統中成功應用的一套完整的解決方案。
關鍵字：GE Fanuc 三重冗余安全表決系統（GMR）苯加氫 化工
應用背景：
建滔（河北）焦化有限公司——化工行業——該公司為建滔化工集團全資擁有的子公司，于2003年7月開始籌建，總投資超過7億元人民幣。建滔（河北）焦化有限公司主要從事焦炭生產，設計年生產能力為搗固焦100萬噸、焦油36000噸、粗苯12000噸。
苯、甲苯、二甲苯（簡稱BTX）等同屬于芳香烴，是重要的基本有機化工原料，由芳烴衍生的下游產品，廣泛用于三大合成材料（合成塑料、合成纖維和合成橡膠）和有機原料及各種中間體的制造。純苯、甲苯和二甲苯大量用于生產精細化工中間體、有機原料，以及農藥和溶劑等方面。焦化粗苯主要含苯、甲苯、二甲苯等芳香烴，另外還有一些不飽和化合物、含硫化合物、含氧化合物及氮化合物等雜質。粗苯精制就是以粗苯為原料，經化學和物理等方法將上述雜質去除，以便得到可作原料使用的高純度苯。近年來，國內許多企業的焦化項目紛紛上馬，焦化粗苯的產量迅速增加，為粗苯加氫精制提供了豐富的原料。
客戶需求
建滔（河北）焦化有限公司采用先進的加氫精制法來進行粗苯的深加工生產，既Koppers加氫/Morphylane萃取蒸餾法，設計加工量5萬噸/年。該工藝屬國際先進水平，三廢少，污染少，催化劑、萃取劑均可再生。但需要注意的是，粗苯加氫精制工藝中的加氫反應溫度為3500℃，壓力為3.5Mpa。因溫度和壓力較高，要注意安全防范工作。因此粗苯加氫精制裝置不僅需要快速、可靠的過程控制系統，也需要高效、安全、可靠的緊急停車安全保護系統（ESD系統）來確保生產裝置穩定的、安全的運行。
此外，為了便于運行管理，用戶需要采用的緊急停車安全保護系統（ESD系統）具有與過程控制系統（DCS）具有通訊功能。將緊急停車安全保護系統的運行狀態以及一些工藝參數在過程控制系統中顯示。
解決方案
根據粗苯加氫精制裝置緊急停車安全保護系統的特點和需要，并且考慮到用戶提出的在保證系統安全性、先進性、可靠性和完整性的要求。GE Fanuc智能平臺為用戶提供了一套成熟可靠的基于GE Fanuc GMR（Genius Modular Redundancy）三重化安全表決的自動化控制系統平臺，并由鞍山市新泰科自動化設備有限公司負責為最終用戶進行系統集成與調試。
GE Fanuc智能平臺開發的GMR三重化安全表決系統是面向ESD、火災和氣體保護應用開發了一套三重化的冗余控制系統解決方案。它由90-70系統和GE Fanuc智能平臺特有的Genius輸入輸出模塊以及VersaMax I/O輸入輸出模塊構成。這個方案是可配置成不同規模，它允許用戶根據希望得到的流程風險降低的程度來改變系統的冗余級別。
GMR三重化安全表決系統除了典型的TMR系統所具備的特點：容錯、綜合診斷、遠程I/O、在線模塊修理以及高可靠性和高可用性之外，GMR系統還具有下列優點：
- 應用靈活性；可以根據指定的應用要求進行逐點組態冗余配置的硬件系統，從而節省開支。
- Genius I/O加速系統構成，加快開車進程；無須進行長距離拉線以節省時間和投資。
- 電子保險絲；瞬間短路被電子化清除；降低了平均修復時間（MTTR）。
- 故障識別到點級；進一步降低了平均修復時間（MTTR）。
- 與多種“即插即用”通訊裝置兼容。
GE Fanuc GMR（Genius Modular Redundancy）三重化安全表決解決方案可大致分為以下三個部分。
×三重冗余Genius通訊網絡。
×三重冗余表決控制器及其冗余表決I/O子站
×上位機操作員站（HMI）兼SOE工作站和工程師維護工作站。
系統結構圖可以參見圖1所示。
圖1 系統結構圖
1、三重冗余Genius通訊網絡
Genius通訊網絡是GE Fanuc智能平臺開發并引入到工業控制領域的一種工業現場總線。Genius總線是一個對等的、令牌網絡，一條網絡最多可以有32個站點。該網絡具有很高的網絡吞吐率；具有良好的時實性。Genius網絡采用頻移鍵控調制技術（FSK），可以有效的防止工業現場的各種干擾。
在系統中，三重冗余Genius用于連接三重冗余表決控制器和各個I/O輸入、輸出表決模塊組。在系統運行過程中負責冗余表決控制器以及I/O站之間的數據同步和交換。
2、三重冗余表決控制器及其冗余表決I/O子站
GMR三重冗余表決控制器采用GE Fanuc智能平臺系列90-70可編程系列專用控制器；冗余表決I/O子站分別采用Genius Block輸入輸出模塊以及VersaMax I/O輸入輸出模塊構成。
2.1表決控制器
90-70可編程控制器GE Fanuc 智能平臺控制器系列中先進的產品。采用了新的設計和制造技術，系統配置和安裝簡易，機架總線采用開放的VME總線結構，可與第三廠家VME產品兼容。CPU模塊具有一系列不同性能規格的型號，以滿足各種大規模，復雜的高速控制要求。此系統中采用了GMR系統專用控制器產品。
此方案中，GMR三重化冗余控制器采用三個獨立的CPU，可組態為3-2-1-0或3-2-0的工作模式，以滿足用戶不同應用的需要。系統通過3選2的表決來提供高可靠性和無誤差的操作。此外，GMR三重化冗余控制器物理上無耦合設計和分離式結構電路保護可以從本質上消除共模失效的潛在可能性。
為了與過程控制的DCS系統進行通訊，每個表決控制器上都預留了Modbus RTU 從站通訊接口，用來實現DCS系統與ESD系統的通訊。其中DCS系統作為Modbus RTU通訊的主站，ESD系統作為Modbus RTU通訊的從站。
2.2冗余表決I/O子站
為了使方案更加合理，同時也節省用戶的投資。此方案中冗余表決I/O子站采用GE Fanuc 智能平臺兩種不同系列的I/O產品，即Genius Block I/O產品和VersaMax I/O輸入輸出模塊。
其中離散量輸入輸出（DI/DO）I/O模塊表決組采用Genius Block I/O產品；模擬量輸入（AI）I/O模塊表決組、模擬量輸出（AO）I/O模塊冗余輸出組采用VersaMax I/O輸出輸出模塊。
Genius Block I/O提供了一整套離散、模擬和繼電器，回路可以從6至32個。Genius Block I/O 模塊不僅僅是與外設的接口，它們還是智能化的、耐用的獨立的模塊，比傳統的I/O更加實用。許多模塊的I/O配置可以進行定制，因此效率極高。Genius Block I/O 憑借其模塊化的設計和先進的診錯技術，大大節省了初期和系統停工期的成本。
VersaMax PLC 將先進的VersaMax I/O以及功能強大的CPU相結合，更易于使用、價格合理、性能卓越。VersaMax提供了廣泛的I/O模塊，組態更加靈活。通訊模塊能將VersaMax與Profibus網絡（或其它工業現場總線）相連，實現遠程控制。
3、上位機操作員站（HMI）兼SOE工作站和工程師維護工作站
此系統中設立了一臺機操作員站HMI（兼SOE工作站）和一臺工程師維護工作站。
操作員站上安裝并運行PROFICY HMI/SCADA-CIMPLICITY 軟件，該軟件軟件包括工業上領先的PROFICY 分布式系統結構和開放性的系統設計，此結構和設計借助Microsoft的靈活的客戶／服務器體系結構，以及功能強大的為實現系統集成而設計的各種標準。為用戶帶來的好處就是該產品非常易于使用，同時又適合于實時控制和監視，可以將它配置成從單個節點到多節點的網絡系統形成不同的規模，具有很強的可擴展性。
PROFICY HMI/SCADA-CIMPLICITY軟件能夠應用在各種不同類型的工業生產過程中，諸如汽車，航天，石油與天然氣，化工，石化，食品加工，飲料，制藥，紙漿與造紙，管線，金屬，水與廢水處理，交通以及其它行業。
工程師站上除安裝了PROFICY HMI/SCADA-CIMPLICITY軟件，還安裝了控制器編程組態軟件：Proficy Logic Developer-PLC。用來開發和維護系統的應用軟件。
系統的HMI應用軟件界面如圖2、圖3所示。
圖2 操作員站系統的主畫面  圖3 系統連鎖控制畫面
實施結果
通過與GE Fanuc的合作，建滔（河北）焦化有限公司5萬噸/年焦化粗苯加氫精制裝置保護系統，按照原工程進度表，通過鞍山市新泰科自動化設備有限公司3個月的集成，于2008年9月竣工并順利投產。三重冗余安全表決系統（GMR）控制系統投運以來，保證了該廠焦化粗苯加氫精制裝置的安全、穩定的運行，給用戶帶來更大的收益。同時GE Fanuc將以其先進的技術，卓越的知名度，良好的口碑為更多控制行業提供更快、更強、更安全的控制系統，不斷促進中國過程控制水平提高。
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