CC BY
3
Voinash Sergey Aleksandrovich, junior researcher at the research laboratory, [email protected], Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Zagidullin Ramil Ravilevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Vornacheva Irina Valerievna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kursk, South-West State University,
Nasedkin Igor Vyacheslavovich, teacher, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after. Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny
УДК 621
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-600-601
ПОЗИЦИОНЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ СИСТЕМ ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ
С.Л. Горобченко, Д.А. Ковалёв, А.В. Теппоев, Р.Р. Загидуллин, Л.Ю. Уразаева
Проведен обзор и сравнительный анализ позиционеров безопасности для систем противоаварийной защиты. Приведены основные требования к исполнительным устройствам безопасности. Проведено сравнение позиционеров безопасности известных производителей - Neles. Dresser Masoneilan, ABB и др. Показаны их достоинства и недостатки. Показан алгоритм и пример выбора позиционера безопасности для системы противоаварийной защиты.
Ключевые слова: системы противоаварийной защиты, позиционеры безопасности, требования, обзор,
выбор.
Выбор арматуры безопасности определяется требованиями к управлению работой арматуры и требованиями к автоматическим устройствам, определяющим возможности самодиагностики без останова технологического процесса. К таким устройствам относится позиционер безопасности. Выбор позиционера безопасности может сыграть ключевую роль в работе арматуры безопасности и системы противоаварийной защиты (ПАЗ) в целом.
В работе представляется обзор и сравнительный анализ позиционеров безопасности, ориентированных на работу в системе ПАЗ.
Основные требования к устройствам безопасности. Для обеспечения работы позиционеров безопасности требуется обеспечить совместимость со многими элементами и многочисленными системами безопасности и противоаварийной защиты (ПАЗ), разрабатываемыми разными компаниями.
Устройства на основе полевой шины FFB являются основой для обеспечения работы систем безопасности SIF (Safety Instrumented Functions). На рис.1 представлена общая схема выбора устройств безопасности, характерная для сегодняшних подходов к анализу и выбору позиционеров безопасности.
HIMA
Honeywell Invensys - Triconex Yokogawa Emerson
others
FieldCus Diagnostics
Sotting
TUV
Demonstration Sites Shell Global Solutions— Amsterdam Saudi Aramco - Dhahran Chevron - Richmond. CA BP — Gelsenki rchen. Germany
Cooper Crouse-H inds Moore Industries MTL P+F
eiFFi
Emerson
Metso
Masoneilan
TopWcrx
WestloefciTyco
Рис. 1. Диаграмма обеспечения работы арматуры безопасности различными устройствами
Устройства безопасности должны работать в системах безопасности многих компаний (Honey-well,Invensys, Yokogawa, Emerson и пр.). Основными требованиями к позиционерам безопасности при этом являются следующие:
- обладать возможностью срабатывать при нарушениях в различных контурах безопасности (уровня - level, расхода - flow, давления - pressure, температуры - temperature и пр., см. по рис.1),
- обеспечивать качественную связь внутри устройств безопасности (SIF), включая требования к коммуникационным протоколам не ниже Н1, выполнение требований стандартов диагностики (Fieldbus Diagnostics), иметь соответствующее программное обеспечение (softing), быть сертифицированными (TUF),
- иметь возможность работы с разными типами входных и выходных сигналов (дискретными - Discrete Output - DO и аналоговыми - IO).
- осуществлять ввод и вывод данных и визуализировать на имеющихся устройствах вывода устройств и системы безопасности - дисплеях и прочих интерфейсах, а также с использованием кнопочного ввода.
605
Ключевым элементом системы является логическое решающее устройство (Logic Solver). В его задачи входит надежное определение предаварийной ситуации и обеспечение отсутствия ложных срабатываний. Для этого современные устройства имеют собственные серверы или рабочие станции, предназначенные для решения подобных задач.
В настоящее время на рынке широко представлены несколько основных моделей позиционеров безопасности. Это Neles ValveGuard VG9000, EmersonDVX6000ESD, Masoneilan SVI IIESD. Рассмотрим их подробнее.
Neles Valvguard для полевой шины Foundation Fieldbus. Позиционер безопасности Neles VG9000F, предназначен для работы с полевой шиной Foundation Fieldbus (FFB), и до сих пор является практически единственным устройством в этом сегменте.
Рис.2. Общий вид позиционера безопасности VG9000F
Dresser/Masoneilan SVI II ESD. Как считает компания, это: "Единственное интеллектуальное ESD-устройство SIL3, работающее во время и после выключения и разработанное исключительно для арматуры безопасности ESD". Позиционер безопасности разработан в тесном сотрудничестве с Йокогавой. Категоризируется по SIL3, TUV Nord.
Рис. 3. Позиционер безопасности Dresser/Masoneilan SVI II ESD
Особенности SVI II ESD:
- Устройство работает во время отключения (4 мА)
- 2-проводная система, 4-20мА
- Запоминание событий во время работы
- Возможна работа в сети
- Ручные кнопки в устройстве Exd
- Встроенный дискретный выход (DO) для передачи ошибок в реальном времени
- Поддержка привода одинарного и двойного действия
- Работа в линейной и поворотной арматуре
- Пять датчиков давления, один датчик перемещения и несколько внутренних датчиков
- Использует HART протокол
- Использует собственное программное обеспечение пользовательского интерфейса ValveView, также протокол DTM.
Emerson DVC6000ESD. Позиционер безопасности Emerson DVC6000ESD является пионером среди позиционеров безопасности и выпущен на рынок в июне 2002 года. Общий вид позиционера безопасности показан на рис.4.
Рис. 4. Позиционер безопасности Emerson DVC6000ESD
606
Технические характеристики устройства показаны ниже:
- Цифровой контроллер клапана для аварийного отключения
- SIL3, сертификат TÜV, SIL3 с внешним соленоидом
- Аппаратное обеспечение: 4- или 2-проводные решения
- HART протокол
- PST может быть инициирован извне. Для этого используется:
- Программное обеспечение AMS ValveLink
- Портативное устройство HART (полевой коммуникатор 375)
- Дистанционная кнопка
- Автоматический планировщик с помощью отдельного программного обеспечения AMS Batch Runner
tool.
Для обеспечения функциональности работы в системах ПАЗ Emerson DVC6000ESD имеет следующие характеристики:
- Используемые тесты: тест на частичный ход, пошаговый тест на реакцию, проверка сигнатуры клапана. Функции устройства:
- Встроенная память
- Автоматическое тестирование PST
- Диагностика для испытания соленоида
- Операции включения / выключения
- Комбинированные (гибридные) операции
Рис. 5. Арматура безопасности Emerson с установленным позиционером безопасности
Особенностью позиционера DVC является возможность проведения тестов электромагнитного клапана. Электромагнитный клапан установлен между выходом давления DVC6000 и приводом, а узел регулирующего клапана конфигурируется с возможностью проверки работы электромагнитного клапана, рис. 6.
24VDC
ADDITIONAL TU SING FROM PORT В TD ACTUATOR
Рис. 6. Установка электромагнитного клапана в DVC
В приводах одинарного действия "неиспользуемый" выходной порт DVC6000 может быть подключен по трубопроводу таким образом, чтобы измерялось давление после электромагнитного клапана. Когда электромагнитный клапан работает импульсно, позиционер безопасности DVC6000 может определить мгновенное падение давления на электромагнитном клапане. Если импульс достаточно короткий, клапан аварийного отключения не сдвинется с места и не нарушит процесс. Для определения картины изменений в клапане проводится тест на изменение давления. Так, на рис.7 показан принтскрин из программы AMS Valvelink, демонстрирующий определение падения давления по электромагнитному (соленоидному) клапану.
О о
V,
TRAVEL SET POINT
■ PORT В
PRESSURE
Рис. 7. Определение падения давления в позиционере безопасности DVC при помощи программы AMS Valvelink
Samson 3730-3 ESD
Позиционер безопасности Samson 3730-3 ESD имеет следующие характеристики:
- 4-проводный
- 4-20 мА для "позиционера" и 24 В постоянного тока для соленоида
- 4-20 мА для "позиционера" и 24 В постоянного тока для "позиционера"
- Пользовательский интерфейс программного обеспечения Trovis-View
- Коммуникационный протокол DTM недоступен.
Рис. 8. Позиционер безопасности Samson 3730-3 ESD
Siemens
Решение развивает предыдущие конструктивные исполнения позиционеров Siemens. При этом компания гарантирует, что можно использовать и все другие интеллектуальные позиционеры. Технические характеристики позиционера, рис. 9, приведены ниже:
- Тестирование ESD выполняется на стороне системы.
- Тестирование соленоида производится путем отключения питания соленоида на несколько миллисекунд.
- Сертифицированное решение SIL 2.
Рис. 9. Позиционер безопасности Siemens. Частичный ход инициализирован и анализируется на компьютере
608
ABB TZIDC
Технические характеристики позиционера ABB TZIDC, рис.10, приведены ниже:
- Комплектуется модулем отключения
- 4-проводная система
- 24 В постоянного тока, 4-20 мА
- Только SIL2
- Отсутствие сертификата TÜV.
Рис. 10. Позиционер безопасности ABB TZIDC
Westlock
Технические характеристики позиционера безопасности Westlock, рис. 11, приведены ниже:
- 2 электромагнитных клапана
- Электромагнитный клапан PST с механическим ограничителем для остановки действия PST.
- Электромагнитный клапан предохранительного действия.
- Резервная система: при выполнении аварийных действий оба соленоида обесточиваются. Если соленоид PST (операции частичного хода) выходит из строя, то операция частичного хода отключается. Если предохранительный соленоид выходит из строя, то соленоид PST проведет проверку.
Недостатки устройства:
- Диагностика отсутствует, позиционер может быть собран с помощью обычной сборки.
- Отсутствие проверки электромагнитного клапана (соленоида).
- Нет измерения давления в приводе.
- Одобрение SIL от Exida для электромагнитных клапанов отсутствует.
Рис. 11. Позиционер безопасности Westlock
Установка и монтаж устройств безопасности
Схемы подключений устройств в общей сумме показаны на рис. 12.
Контроллер
системы безопасности
Рис. 12. Диаграмма установки позиционеров безопасности различных компаний
609
Достаточно большой проблемой является качественная установка и монтаж всех элементов позиционеров безопасности на арматуре. Сложности возникают из-за требований к установке множества элементов, обеспечивающих соответствие требованиям категории безопасности. Так, на рис.13 показан DVC6000SIS в полной комплектации.
Рис.13. Арматура безопасности DVC6000SIS в полной комплектации
Выбор позиционера безопасности
Позиционер безопасности чаще всего выбирается по основной главной функции - времени срабатывания, требуемого для устранения аварийной ситуации на технологическом процессе. Ниже рассматривается пример выбора позиционера безопасности по технико-экономическим критериям для обеспечения времени срабатывания не более 5-10 сек. Сравнение проведено между позиционером безопасности DVC6000SIS и VG9000.
Для обеспечения работы арматура безопасности по приведенному примеру (рис.13) оснащается: бесконтактными переключателями Westlock; регулятором фильтра Norgren, бустером (усилителем расхода) диаметром не менее %", электромагнитным клапаном быстрого выпуска ASCO; приборной панелью. Для обеспечения сборки необходим параллельный монтаж и множество трубопроводов и фитингов.
В представленной настройке было достигнуто время срабатывания по полному ходу не более 2 сек при требуемых 10 сек. Однако, если использовать более эффективные решения, например, на основе VG9000, то достигается скорость срабатывания 5 сек при стандартной комплектации и 2 сек при использовании бустера. Таким образом, технически VG9000 способен обеспечить более высокие технические характеристики обеспечения требуемых параметров безопасности срабатывания арматуры безопасности.
Конструкция VG основана на следующих решениях, интегрированных в один корпус позиционера безопасности:
- Neles ValvGuard с внутренними индуктивными бесконтактными переключателями или датчиком положения
- Фильтр-регулятор Norgren.
Рис. 14. Пример монтажа навески клапанов безопасности в узле системы безопасности
Не требуется:
- Бустер, благодаря высокой пропускной способности пневматики
- Электромагнитный клапан ASCO, поскольку присутствует интегрированный в один корпус с устройством VG внутренний электромагнитный клапан с автоматическим самотестированием.
- Приборная панель, поскольку она установлена на корпусе устройства.
- Монтаж не требуется.
- Трубопроводы и фитинги также не требуются, поскольку все узлы заключены в корпус, и не требуется внешних трубопроводов и фитингов, что исключает утечки.
610
- Уменьшаются затраты на модуль ввода-вывода, проводку и пространство, поскольку обеспечивается один ввод-вывод с VG9 по сравнению с требуемыми двумя вводами-выводами в позиционере DVC.
Таким образом, при применении VG9000 используется, по крайней мере, на 25% меньше узлов с дополнительными измерительными компонентами. Половина из них требует блокировки безопасности. При этом для таких установок как крекинг этилена достигаемые результаты могут быть еще выше. В частности, на 80-90% сокращается потребность в дополнительных приборах. Важность этого вопроса особенно ощущается, когда требуется установить навеску и далее установить большое количество клапанов безопасности, рис. 14.
Для анализа экономической эффективности было проведено сравнение затрат на комплектацию и установку позиционеров безопасности VG9000 и DVC6000SIS. Выбранная арматура безопасности, рекомендуемая компаниями Emerson и Neles, для аналогичных условий эксплуатации показана на рис. 15 и 16.
Рис. 15. Оптимизированная по инструментарию сборка арматуры безопасности с VG9000
Рис. 16. Клапан в сбореDVC6000SIS
Сравнение затрат на комплектацию и установку позиционеров безопасности приведено в табл. 1.
Сравнение стоимости позиционеров безопасности VG9000^и DVC6000SIS
№ Статья затрат DVC6000 SIS VG9000
1. Арматура Сегментный Шаровой
2. Комплектация Бесконтактные переключатели Westlock Фильтр-регулятор Norgren Внутренние концевые выключатели Фильтр-регулятор №з^геп
3. Бустер 600 Не требуется
4. Трубопроводы, фитинги и их монтаж 400 50
5. Соленоидный клапан по SIL3 800 Включен в устройство
6. Система безопасности
6.1. Протокол HART 1200 1200
6.2. Вводы и выводы: DO - дискретный вход и выход 600 -
ИТОГО, USD 3600 1250
Таким образом, благодаря многим встроенным устройствам и имеющимся в заводских настройках функциям, цена стандартного устройства для одних и тех же требуемых характеристик может быть значительно снижена. К тому же такие решения гарантируют большую надежность и позволяют давать большие гарантии на проверенные в заводских условиях устройства, большая часть узлов которых находится внутри и не подвержена внешним воздействиям. В частности, это относится ко всем видам внешних навесок на арматуру и позиционер безопасности.
Техническое совершенство позиционеров безопасности все больше будет определяться возможностями выполнения большего числа функций, связанных не только со скоростью срабатывания, но и с выполнением самодиагностики по технологии частичного хода, а также отражения результатов диагностики в отчетах и диагностических
паспортах. Это будет способствовать своевременному принятию решений по повышению надежности систем проти-воаварийной защиты и безопасности ведения технологического процесса на опасных производствах.
Список литературы
1.Доронин В.А. Автоматизация содорегенерационных агрегатов. М.: Лесная промышленность, 1988. 319 с.
2.Инструкция по эксплуатации технологической защиты СРК для содовщиков котельного цеха ТЭС - 2 ОАО «Сегежский ЦБК», 2002.
3.Плетнев Г.П. Автоматическое регулирование и защита теплоэнергетических установок электрических станций. М.: Энергия, 1986. 390 с.
4.Стефани Е.П. Основы построения АСУ ТП: [Учеб. пособие для вузов по спец. "Автоматизация тепло-энерг. процессов"]. М.: Энергоиздат, 1982. 352 с.
5. Справочник по автоматизации целлюлозно-бумажных предприятий / Э.В. Цешковский, Н.С. Пиргач, Г.Д. Ерашкин и др. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Лесная промышленность, 1989. 368 с.
6.Технологический регламент котельного цеха ТЭС - 2 ОАО «Сегежский ЦБК».
7. "Damatic XDi" interactive documentation. Общие сведения о системе. TEX-XD-OPE-NT V.7.1. вер. 1. Neles automation inc., P.O. Box 237. FIN-33101. Тампере, Финляндия, 2000.
8. "Damatic XDi" interactive documentation. Руководство оператора, станция пользователя оператора для Windows NT. TEX-XD-OPE-NT V.7.1. вер. 1. Neles automation inc., P.O. Box 237. FIN-33101. Тампере, Финляндия, 2000.
Горобченко Станислав Львович, канд. техн. наук, [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна,
Ковалёв Дмитрий Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна,
Теппоев Алексей Викторович, канд. техн. наук, доцент, avt01 @inbox. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова,
Загидуллин Рамиль Равильевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Казань, Казанский федеральный университет,
Уразаева Лилия Юсуповна, канд. физ.-мат. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
SAFETY POSITIONERS FOR EMERGENCY PROTECTION SYSTEMS S.L. Gorobchenko, D.A. Kovalev, A.V. Teppoev, R.R. Zagidullin, L.Yu. Urazaeva
A review and comparative analysis of safety positioners for emergency protection systems was carried out. The basic requirements for safety actuators are given. A comparison was made of safety positioners from well-known manufacturers - Neles. Dresser Masoneilan, ABB, etc. Their advantages and disadvantages are shown. An algorithm and an example of selecting a safety positioner for an emergency protection system is shown.
Key words: emergency protection systems, safety positioners, requirements, review, selection.
Gorobchenko Stanislav Lvovich, candidate of technical sciences, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design,
Kovalev Dmitry Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, Higher School of Technology and Energy, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design,
Teppoev Aleksey Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State Forest Technical University named after S.M. Kirov,
Zagidullin Ramil Ravilevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected]. Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Urazaeva Liliya Yusupovna, candidate of physical and mathematical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering
