Комплексная система безопасности для автоматики промышленных горелок и для оборудования промышленной термообработки

Оценка безопасности всей системы, включая подсистемы, может привести к возникновению некоторых неопределенных вопросов, связанных с оценкой безопасности. Одним из способов создания соответствующего стандартам и неизменно безопасного автоматизированного оборудования для термообработки, которое решает эту проблему, является интеграция функций безопасности, специфичных для горелок, в безотказную систему управления машиной. Это решение не только соответствует требованиям EN 746 и ISO 13577, но и предлагает еще больше преимуществ производителям оборудования и операторам.

Традиционно системы защиты менеджеров горения управляются и контролируются с помощью ряда компонентов, которые соответствуют определенным стандартам на продукцию: например, автоматическое управление горелкой может соответствовать требованиям стандарта EN 298, а предохранительный запорный клапан может быть сконструирован в соответствии со стандартом EN 161. В свою очередь, вся система в целом должна соответствовать требованиям стандарта EN 746-2, который применим для промышленных тепловых установок.

Здесь описывается такая установка как «жестко подключенная система», в которой все компоненты постоянно соединены друг с другом без промежуточного ПЛК. Практика эксплуатации, безусловно, показывает, что такие конфигурации безопасны. Однако в этом варианте не предусмотрено использование контроллера более высокого уровня и его подключение к автоматическому управлению горелкой для диагностики в случае неисправности.

Другой момент заключается в том, что этот вариант не очень гибок с точки зрения изменений или реализации новых или специфических задач. Это отсутствие гибкости все чаще создает проблемы как для строителей, так и для операторов установок: во-первых, можно ожидать, что колебания в составе природного газа как источника энергии будут продолжать увеличиваться. Это может быть проблематично, в частности, для промышленных горелочных систем на предприятиях-производителях, поскольку колебания состава газа могут негативно сказываться на выбросах загрязняющих веществ, качестве продукции, энергоэффективности и сроке службы систем или компонентов. Одно это уже увеличивает спрос на более управляемые горелочные системы.

С другой стороны, предъявляются более высокие требования к управлению технологическим процессом, например, когда системы должны работать при различных температурах, и растет общая потребность производителей оборудования в повышении удобства эксплуатации и технического обслуживания своих установок. Интегрированное решение безопасности на базе ПЛК в соответствии с EN 746 и EN 62061.

В качестве альтернативы традиционным системам безопасности имеет смысл интегрировать функции безопасности в систему отказоустойчивой автоматизации/контроллера установки. В подавляющем большинстве случаев технологические установки уже оснащены подходящим контроллером более высокого уровня, который управляет исполнительными механизмами и датчиками, такими как клапаны, переключатели давления и вентиляторы, а также оборудованием безопасности, таким как выключатели аварийного останова. Такое решение на базе ПЛК также допустимо в соответствии с EN 746-2, если вся система соответствует требованиям SIL3.

Это показывает, как могло бы выглядеть такое решение, основанное на системе защиты в системе мониторинга пламени. В этой конфигурации датчик пламени отслеживает пламя с помощью датчика и сообщает о состоянии по двум каналам на отказоустойчивые цифровые входы (F-DI). Отказоустойчивый контроллер/ПЛК (F-CPU) оценивает сигнал и управляет предохранительным запорным клапаном, который прерывает подачу топлива в случае отсутствия пламени, через отказоустойчивый модуль цифрового вывода (F-DQ).

В соответствии с EN 62061, в котором структура функции безопасности разделена на три подсистемы: Обнаружение, оценка и реагирование, система выглядит следующим образом: состояние пламени определяется с помощью комбинации датчиков пламени и F-DI, F-CPU обрабатывает анализ, и происходит реакция благодаря сотрудничеству F-DQ и valve. Таким образом, для оценки безопасности в соответствии с EN 62061 или EN ISO 13849-1 необходимо учитывать всю систему в целом.

Таким образом, разработчики оборудования могут легко доказать, что решение на базе ПЛК соответствует стандарту EN 62061 и, следовательно, также соответствует требованиям стандарта EN 746. Однако остается открытым вопрос о том, как такие решения на базе ПЛК могут быть интегрированы в существующие концепции горелок. Особенно в условиях непрерывного производства, когда большое количество устройств управления горелкой должно размещаться в очень небольшом пространстве, поэтому компоненты решения на базе ПЛК должны быть соответственно компактными. Однако, выбрав подходящие компоненты, с этими трудностями можно справиться.

Вместо обычных менеджеров горения, которые в каждом случае управляют и контролируют только одну головку горелки, в данном примере используется распределенная станция SIMATIC ET 200SP вместе с соответствующим образом сертифицированными датчиками пламени и трансформаторами зажигания. Распределенные станции SIMATIC ET 200SP доступны во многих вариантах и не требуют больше места, чем обычные системы автоматического управления горелками, но обеспечивают большую функциональность, поскольку в систему автоматизации можно легко интегрировать дополнительные компоненты. В качестве примеров можно привести датчики для контроля давления и температуры. Это означает, что с помощью станции ET 200SP можно управлять несколькими зонами обжига и горелками, что снижает требования к оборудованию.

Панель HMI обеспечивает дополнительные преимущества. Таким образом, оператор установки может контролировать работу установки на месте. Комплексное решение для обеспечения безопасности обеспечивает полную и детальную диагностику системы, начиная с подключения и заканчивая программной последовательностью. Это облегчает эффективное техническое обслуживание и устранение неполадок. Удобство и гибкость в использовании повышаются не только благодаря графическим интерфейсам пользователя, но и благодаря возможности передачи параметров процесса на отказоустойчивый контроллер SIMATIC через HMI удобным и безотказным способом (до SIL 3), например, для настройки желаемого варианта процесса. Вся система управляется с помощью отказоустойчивого контроллера.

Гибкое программное обеспечение для реализации в этой системе функций безопасности, требуемых в соответствии с EN 746-2, Siemens предоставляет пользователю библиотеку блоков для настройки в инженерном инструменте (STEP 7 Professional TIA Portal). Эта бесплатная библиотека блоков для горелок содержит несколько блоков для таких функций, как управление и мониторинг газовой или масляной горелки, проверка на герметичность газа и другие функции горелки.

Отдельные функции имеют модульную структуру и могут быть соединены между собой по мере необходимости. Таким образом, функции безопасности для горелок могут быть легко созданы в привычной среде настройки системы автоматизации Siemens, что снижает нагрузку на инженеров и облегчает переход к интегрированному решению безопасности на базе ПЛК. Еще одним преимуществом для производителя оборудования является то, что позже могут быть дооснащены дополнительные функции и реализованы функции, специфичные для заказчика.

Решение на базе ПЛК также обеспечивает значительные преимущества с точки зрения качества управления при реализации следующих функций горелки:

■ Реализация самого электронного блока, например, с помощью определенного соотношения воздуха и топлива;

■ Регулирование температуры;

■ Регулирование содержания кислорода на основе остаточного содержания кислорода в выхлопных газах.

В целом, это позволяет горелкам лучше справляться с колебаниями состава газа, так что операторы установок не только избегают дополнительных выбросов и потерь качества из-за колебаний технологического процесса, но и могут оптимизировать энергоэффективность своих установок. Решение для обеспечения безопасности на основе ПЛК во многих случаях имеет преимущества, поскольку в нем часто используются существующие системы, такие как контроллер более высокого уровня. Благодаря использованию подходящей конфигурации системы можно использовать все эти преимущества и гарантировать постоянную безопасность установки – в том числе в соответствии с действующим во всем мире стандартом ISO 13577.