節(jié)能降耗與功能安全是水工業(yè)建設(shè)的兩大主題
| 陳運(yùn)珍 |
| （北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院， 北京100045） |
| 摘要 近二十多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外水工業(yè)等各種企業(yè)，大量選用變頻調(diào)速技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝流程的節(jié)能降耗，是主流也是主題，列舉了眾多應(yīng)用實(shí)例，介紹了變頻調(diào)速在水工業(yè)中的應(yīng)用；而一個(gè)現(xiàn)代化的水工業(yè)網(wǎng)絡(luò)綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控功能標(biāo)準(zhǔn)和功能安全標(biāo)準(zhǔn)如何做到同步設(shè)計(jì)？這也是當(dāng)今工程建設(shè)中必須解決的第二個(gè)主題，就這個(gè)主題的解決思路，提出解決問(wèn)題的對(duì)策。 |
| 關(guān)鍵字 變頻技術(shù)；功能安全；電氣/電子/可編輯自動(dòng)控制器；IEC61508標(biāo)準(zhǔn)系列 |
| Energy-saving and Consumption Reduction as well as Function Safety are the Two Main Themes of Water Industrial Construction |
| CHEN Yunzhen |
| （Beijing General Municipal Engineering Design & Rebbbbbb Institute, Beijing 100045） |
| Abstract Over the past 20 years, most domestic and international water industry and other enterprises have chosen frequency control technology to achieve energy-saving in process flow,which is the mainstream and also the theme. Many examples about converter technique applied in water industrial construction were introduced. How can a modern water industry network's integrated automation supervisory system, supervisor control functional standards and function safety standards were designed synchronously? This is the second theme that must be resolved in engineering construction today. Countermeasures to the problem according to the solution ideas of the two themes were bringed up. |
| Keywords inverter technology；function safety；electrical/electronic/programmable automatic controller； |
|
0 引言
隨著十一五規(guī)劃的實(shí)施，城鄉(xiāng)缺水將更加嚴(yán)重。我國(guó)人均水資源占有量只有世界人均水平的1/4。一方面國(guó)家撥巨資進(jìn)行建設(shè)，到2010 年，將投入1 250 億元進(jìn)行水廠擴(kuò)建改建和污水治理及環(huán)境改造；另一方面由于老一套的經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)模式，又存在嚴(yán)重的污染和浪費(fèi)。綜觀當(dāng)前國(guó)內(nèi)水工業(yè)市場(chǎng)，絕大多數(shù)是老企業(yè)，設(shè)備陳舊，工藝及供電設(shè)備老化，自動(dòng)化水平低下，水耗、藥耗、材耗嚴(yán)重，先進(jìn)控制技術(shù)極少采用。即使是近幾年來(lái)新建擴(kuò)建改建的水處理工程，花了不少投資組建的FCS、DCS、PLC 監(jiān)控系統(tǒng)也不是名副其實(shí)的，不能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，造成許多資源白白浪費(fèi)。更有許多處理廠站，存在先天性的不足，工藝設(shè)計(jì)不合理，工藝流程布局混亂，變電站遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，使得電力電纜和控制電纜太多太長(zhǎng)。特別是水泵機(jī)組的配置不夠科學(xué)，使得給排水系統(tǒng)的電耗居高不下，噸水的單位電耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)歐美、日本等國(guó)家。水工業(yè)的節(jié)能降耗到了刻不容緩的地步。水工
業(yè)各大系統(tǒng)節(jié)能降耗要做的文章太多了。要針對(duì)大量老水廠的技術(shù)改造和新水廠的節(jié)能降耗中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題，進(jìn)行科學(xué)的分析研究并對(duì)每個(gè)水廠都要從實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)水源供水做深入細(xì)致的調(diào)查分析，對(duì)水管的平差壓力必須做大量的科學(xué)的計(jì)算。一個(gè)大型的給水工程往往由1 個(gè)或2 個(gè)以上的取水泵站、幾個(gè)中間加壓泵站和綜合的凈配水廠組成。大、中型城市的供水系統(tǒng)，往往是多水源、多泵站、多管道、多用戶組成的。一個(gè)大型的水泵站，又是多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。裝機(jī)容量是按最不利的條件下，最大時(shí)流量和所需揚(yáng)程來(lái)決定的。只有采用水泵機(jī)組變頻的無(wú)級(jí)調(diào)速技術(shù)，才能連續(xù)地改變各水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速，來(lái)變更水泵的工況，使其綜合的等效特性曲線適應(yīng)特定管網(wǎng)用水量的變化，維護(hù)管網(wǎng)的壓力恒定，最大限度地提高各水泵機(jī)組效率，達(dá)到理想的節(jié)能效果。
一個(gè)流程企業(yè)采用變頻調(diào)速技術(shù)，既是電氣傳動(dòng)問(wèn)題，也是一個(gè)綜合的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的問(wèn)題。過(guò)去設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)電氣的機(jī)械安全問(wèn)題比較重視，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的功能安全問(wèn)題考慮的不夠。一個(gè)流程企業(yè)的調(diào)速裝置是最為重要的現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)設(shè)備，它本身的功能安全與否與系統(tǒng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)有直接的關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的功能安全好壞也直接影響到調(diào)速裝置的正常運(yùn)行。變頻調(diào)速技術(shù)是一個(gè)多專業(yè)跨行業(yè)的高科技綜合體，與數(shù)字采集、數(shù)據(jù)信息傳輸、監(jiān)控組態(tài)軟件、現(xiàn)代的先
進(jìn)控制技術(shù)、儀器儀表測(cè)控系統(tǒng)、電子技術(shù)、電氣傳動(dòng)技術(shù)、流體技術(shù)、嵌入式技術(shù)、虛擬技術(shù)、微細(xì)的精加工技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、功能安全技術(shù)等多領(lǐng)域的高精尖科學(xué)技術(shù)緊密相聯(lián)。下面，就采用變頻調(diào)速技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的功能安全中必須解決的幾個(gè)主要問(wèn)題，進(jìn)行探討，希望同仁智士共同研討這兩大主題的破解之道。
1 節(jié)能降耗是水工業(yè)建設(shè)的永恒主題
節(jié)能降耗是水工業(yè)建設(shè)的永恒主題，是我們必須堅(jiān)決執(zhí)行的基本國(guó)策?，F(xiàn)在用實(shí)例來(lái)論證我的觀點(diǎn)。
1.1 北京水源九廠大型靜水配水處理廠站變頻調(diào)速的實(shí)例介紹
北京水源九廠的送水泵房有4套西門子的變頻調(diào)速裝置，第三期又上了2 套羅賓康的電壓源型變頻調(diào)速裝置，現(xiàn)在6臺(tái)2 500 kW的調(diào)速水泵機(jī)組同時(shí)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)。日供水量為150萬(wàn)m3/d，占了北京總供水量的2/3 之多，其節(jié)能降耗的成果非常顯著。順便提一下，與水泵機(jī)組一一對(duì)應(yīng)的變頻器只是提供不同速度下的電能量而已。
從上世紀(jì)80 年代開(kāi)始，水工業(yè)市場(chǎng)真正步入了變頻調(diào)速時(shí)代。如北京水源九廠、深圳梅林水廠、深圳東湖泵站、北京第八水廠、長(zhǎng)春第二水廠、上海原水公司，上海、廣州、重慶、成都、長(zhǎng)春、武漢、昆明、石家莊、廈門、福州、東莞、天津、蘇州、沈陽(yáng)、哈爾濱、西安自來(lái)水公司等幾百個(gè)大中小型水廠的配水泵房都選用了變頻調(diào)速裝置。水泵電機(jī)單機(jī)容量從200 kW到3 000 kW，采用了大容量的變頻調(diào)速裝置約2 000 臺(tái)以上，200 kW 以下容量選用變頻調(diào)速裝置的就更多了。
1.2 引英入連大型水源取水泵站變頻調(diào)速的實(shí)例介紹
東北市政設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的供水工程水源泵站，2001 年正式投產(chǎn)，其供水能力為66 萬(wàn)m3/d，共5臺(tái)2 800 kW 的臥式離心水泵，變速電機(jī)電壓為3 kV，其中4臺(tái)水泵機(jī)組選用Simovert MV電壓源型變頻器，采用三電平的磁場(chǎng)定向式矢量控制技
術(shù)，逆變側(cè)采用了高壓大功率全控器件IGBT，因?yàn)镮GBT的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程都是連續(xù)可控的，無(wú)需附加其他電路，就能實(shí)現(xiàn)dv/dt 控制，減小了電機(jī)和變壓器上的dv/dt。由于采用了KTY84器件，可在線得到高精度的轉(zhuǎn)矩控制，Simovert MV 是一種可靠性較高的變頻器，4 年來(lái)一直運(yùn)轉(zhuǎn)良好，其節(jié)電效果非常明顯：每年節(jié)電452 萬(wàn)kW·h，按0.6元/kW·h計(jì)算，則每年均能省電費(fèi)536 萬(wàn)元。而取水泵站的全部調(diào)速裝置投資為800 萬(wàn)元，不到2年，就收回了基建投資。
1.3 南水北調(diào)各輸水泵站工程變頻調(diào)速的大量選用
北京市田村山水廠和石化供水取水泵站改擴(kuò)建工程均為南水北調(diào)工程的的重要配套項(xiàng)目之一，6 kV 中壓水泵機(jī)組均選用西門子電壓源型的高壓變頻器，根據(jù)用戶的實(shí)際需要，進(jìn)行在線的變速監(jiān)控。其他各輸水泵站也都選用西門子等公司的變頻器作為節(jié)能降耗的主要措施。
南水北調(diào)中線工程北京段惠南莊泵站，工藝流程特點(diǎn)是揚(yáng)程變幅大、工藝復(fù)雜、大流量高揚(yáng)程，共安裝8 臺(tái)離心泵，單機(jī)功率7 300 kW，工作方式是6工2 備。如果采用變臺(tái)調(diào)節(jié)流量，水泵長(zhǎng)期偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，因而長(zhǎng)期低效率，能耗不斷
提高，還將引起嚴(yán)重汽蝕，極易產(chǎn)生諧振，破壞力極大的水錘現(xiàn)象也會(huì)不斷出現(xiàn)。為了保證泵站的長(zhǎng)期安全平穩(wěn)、高效率運(yùn)行，最大限度節(jié)約能耗，并在網(wǎng)絡(luò)上能安全的遠(yuǎn)程監(jiān)控和在線的即時(shí)診斷，經(jīng)過(guò)科學(xué)的計(jì)算和分析，8 臺(tái)離心泵全部采用高性能的綠色環(huán)保型的中壓變頻調(diào)速裝置。
二級(jí)壩泵站是南水北調(diào)東線一期工程的第十級(jí)抽水梯級(jí)泵站，位于山東省微山縣南四湖中部。
泵站共安裝5 套燈泡貫流泵機(jī)組（其中備用1套），采用同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，單臺(tái)電動(dòng)機(jī)功率為1 650 kW。泵站的設(shè)計(jì)流量為125 m3/s，年運(yùn)行時(shí)間為4 364 h，泵站平均凈揚(yáng)程1.99 m。采用高壓變頻器調(diào)速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)水泵在各種運(yùn)行工況下高
效率工作。電動(dòng)機(jī)采用變頻啟動(dòng)，額定功率為1 650 kW，額定同步轉(zhuǎn)速為115.4 r/min。為保證在泵站揚(yáng)程范圍內(nèi)，水泵能安全可靠地起動(dòng)，并能連續(xù)安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行，不出現(xiàn)共振等異常工況（包括各種過(guò)渡工況），泵站調(diào)速運(yùn)行是十分必要的，也是唯一的選擇，同時(shí)，采用變頻器調(diào)速是本泵站調(diào)速的首選方案。
1.4 變頻器在水利行業(yè)大型泵站節(jié)能降耗改造項(xiàng)目中的廣泛運(yùn)用
全國(guó)的水利行業(yè)大型泵站有383 處，2 663座，共16 360臺(tái)水泵機(jī)組，合計(jì)448.88 萬(wàn)kW。納入“十一五”改造的大型泵站共計(jì)318 處，1 514座，10 649臺(tái)機(jī)組，共計(jì)375.69 萬(wàn)kW。全國(guó)水利行業(yè)為了提高效益，除了選用高效的優(yōu)質(zhì)泵和閥門之外，采用高效的調(diào)速裝置是當(dāng)務(wù)之急。采用雙速電機(jī)，運(yùn)行雖然可靠，但設(shè)備造價(jià)高；采用液力耦合器，低速時(shí)效率很低，調(diào)速范圍小，因而節(jié)能有限；采用變頻調(diào)速，可以平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速，運(yùn)行可靠，節(jié)能降耗效果最高。21 世紀(jì)是IT技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的時(shí)代，所以對(duì)大型的水利泵站的改造起點(diǎn)要高，要抓住這個(gè)大好時(shí)機(jī)，盡快提升泵站技術(shù)的裝備水平，提高泵站的競(jìng)爭(zhēng)力。西門子和ABB 等公司的變頻調(diào)速裝置，已經(jīng)成功的運(yùn)用在國(guó)內(nèi)外許多大型的排灌泵站或流域調(diào)水工程之中，節(jié)省了大量能源，優(yōu)化了工藝運(yùn)轉(zhuǎn)條件。各網(wǎng)站雜志媒體有大量報(bào)導(dǎo)，有很好的節(jié)能降耗作用，這里不再重復(fù)。
1.5 變頻器在各種大中小型電廠給水排水設(shè)備節(jié)能降耗的改造項(xiàng)目中的廣泛應(yīng)用
重慶合川雙槐電廠（2伊300 MW）工程，水源取自渠江，該江水位變化較大，枯水期與洪水期的水位變幅達(dá)30 m 左右，取水口水壓因水位落差的變化也隨之發(fā)生較大改變，取水量也相應(yīng)發(fā)生變化。
為了保證取水管道的流量處在一個(gè)比較穩(wěn)定的范圍值內(nèi)，取水泵則需隨著取水口水位的變化頻繁起停，造成取水管道壓力變化較大，而且電機(jī)運(yùn)行效率極低。取水口水位越高，管道壓力就越高，調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度越小，電能損失就越嚴(yán)重。為了降低取水泵的單耗，節(jié)約運(yùn)行成本，某院對(duì)2 臺(tái)江邊取水泵（功率400 kW，電壓等級(jí)6 kV）采用高壓變頻調(diào)節(jié)控制。
負(fù)荷率比值按0.752 計(jì)算，扣除變頻器的耗電量4豫P（變頻器功率），每臺(tái)電機(jī)年運(yùn)行小時(shí)數(shù)按5 500 h 考慮，單臺(tái)電機(jī)運(yùn)行一年可節(jié)約的電量為519 411.2kW·h，電費(fèi)按0.50 元/kW·h 計(jì)算，每臺(tái)泵一年節(jié)約電費(fèi)為259 705.6 元，一年可節(jié)約運(yùn)行成本26 萬(wàn)元。采用變頻調(diào)速后，實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)，運(yùn)行十分平穩(wěn)；消除了對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械設(shè)備的沖擊效應(yīng)；降低了設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用；降低了噪音；延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命；提高了系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量；因而具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
1.6 變頻器在城市雨污水排放泵站中的節(jié)能降耗改造項(xiàng)目中的廣泛應(yīng)用
前幾年，上海市某污水排放泵站，采用了6 臺(tái)1 000耀1 600 kW變頻器，電壓6 kV。由于無(wú)法預(yù)測(cè)污水排量的實(shí)際數(shù)值，設(shè)計(jì)專家們選用了同一容量和型號(hào)的多臺(tái)水泵，選中美國(guó)羅賓康公司的中壓電壓源型變頻器。這種電壓源型變頻器，功率因數(shù)在0.95 以上，效率高達(dá)97%，諧波電流總失真<2%，采用低壓的IGBT器件，可靠性高，技術(shù)成熟。模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)簡(jiǎn)單，圓滿地解決了變化無(wú)常的污水排量問(wèn)題，收到了很好的節(jié)電效果。
1.7 變頻器在污水處理廠節(jié)能降耗改造項(xiàng)目中的廣泛應(yīng)用
SBR 反應(yīng)池是一種按間歇進(jìn)水、間歇出水、變?nèi)莘e、完全混合、靜置沉淀、厭氧原缺氧原好氧順序發(fā)生的循環(huán)活性污泥反應(yīng)器。SBR系統(tǒng)的運(yùn)行是周期性的循環(huán)操作，操作模式由控制軟件選擇指定，運(yùn)行方式的調(diào)整通過(guò)調(diào)整軟件的基本參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)，具有高度的可控性和靈活性。針對(duì)SBR工藝設(shè)計(jì)的這種曝氣系統(tǒng)，采用變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)羅茨鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量，取消了節(jié)流裝置，使進(jìn)入曝氣池的空氣壓力及流速穩(wěn)定，在使用上也可以達(dá)到十分理想的效果，避免了使用空氣調(diào)節(jié)閥帶來(lái)的調(diào)節(jié)范圍線性度較窄的弊端，以及在空氣調(diào)節(jié)閥上的能量損失。風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速可方便地從低速啟動(dòng)，啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)電流小。對(duì)風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)降低轉(zhuǎn)速的同時(shí)，噪音也大幅度降低。
2 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)功能安全控制和過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)控制設(shè)計(jì)
安全生產(chǎn)己經(jīng)成為提高生產(chǎn)效率的必要條件。安全控制就是要控制風(fēng)險(xiǎn)，提高生產(chǎn)效率，是最好的節(jié)約成本。工程設(shè)計(jì)中只考慮控制功能，不考慮監(jiān)控系統(tǒng)的功能安全的工程設(shè)計(jì)，是一個(gè)不完整的設(shè)計(jì)，是不合格的設(shè)計(jì)。
2.1 關(guān)于IEC61508標(biāo)準(zhǔn)及機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展介紹
IEC61508標(biāo)準(zhǔn)引入了安全完整性（Safety In原tegrity）的概念，即在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，安全相關(guān)系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)所要求的安全功能的概率。針對(duì)安全完整性的要求，我們做工程設(shè)計(jì)時(shí)必須預(yù)計(jì)到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的危險(xiǎn)模式的失效概率。這里有兩種模式，一是按設(shè)計(jì)功能的平均失效概率（即低要求的操作模式），如表1 所列；另外是按每小時(shí)的危險(xiǎn)失效概率（對(duì)于高要求和在網(wǎng)絡(luò)
上連續(xù)操作模式），如表2所列。
由表可知SIL4 是最高的，SIL1 是最低的。
IEC61508 標(biāo)準(zhǔn)要求從全生命周期的各個(gè)階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估出發(fā)，從網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的角度采取各種措施來(lái)降低各個(gè)階段的風(fēng)險(xiǎn)至可以允許的范圍內(nèi)；即從硬件和軟件的功能安全要求、安全完整性要求、目標(biāo)失效模式分析、系統(tǒng)診斷覆蓋率、測(cè)試和證實(shí)等全方位的綜合考慮。
什么是功能安全（Functional Safety）呢？即與EUC 和EUC 控制系統(tǒng)有關(guān)的整體安全的組成部分，它取決于E/E/PE 安全相關(guān)系統(tǒng)，其他技術(shù)安全相關(guān)系統(tǒng)和外部風(fēng)險(xiǎn)降低設(shè)施功能的正確行使。
前期的功能安全主要采用機(jī)械的（如行程開(kāi)關(guān)）或電磁的技術(shù)（如電磁繼電器），隨著電子技術(shù)、微電子技術(shù)、和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)等可靠性技術(shù)的迅猛發(fā)展，使用電氣/電子/可編輯自動(dòng)控制器等相關(guān)技術(shù)組成的安全相關(guān)系統(tǒng)在安全解決方案中使用的越來(lái)越多。2002 年，在歐、美有關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，國(guó)際電工委員會(huì)制訂了IEC61508 的系列標(biāo)準(zhǔn)，即《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的
功能安全》。這是一個(gè)非常重要的基礎(chǔ)安全標(biāo)準(zhǔn)。
以IEC61508 為基礎(chǔ)，關(guān)于過(guò)程工業(yè)，已制訂了一個(gè)重要的基礎(chǔ)安全標(biāo)準(zhǔn)IEC61511，即功能安全，是過(guò)程工業(yè)的安全儀表系統(tǒng)。以IEC61508 為基礎(chǔ)，關(guān)于機(jī)電等設(shè)備，也制訂了一個(gè)重要的機(jī)械工業(yè)基礎(chǔ)安全標(biāo)準(zhǔn)IEC62061，即機(jī)械安全———安全，以及與相關(guān)的電氣、電子、可編程電子控制系統(tǒng)的功能安全。
ISO13849-1 機(jī)械安全控制系統(tǒng)制訂于1999年，綜合采用了IEC61508 和IEC62061 的處理方法，2006 年新編版ISO13849-1，依據(jù)危險(xiǎn)失效的平均時(shí)間、診斷覆蓋、共因失效、系統(tǒng)失效、軟件分析等主要評(píng)估內(nèi)容，引入了一個(gè)全新的安全功能分類級(jí)別，稱為性能級(jí)別（Perbbbbance Level-PL）：
a，b，c，d 或e，PL，與IEC61508中的安全完整性等級(jí)（SIL1- SIL4）是可比較的。2006 年新編版ISO13849-1，適應(yīng)于所有工業(yè)的電氣、機(jī)械、風(fēng)力、水力的安全相關(guān)系統(tǒng)。但對(duì)于高度復(fù)雜的、可編程電子技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的安全相關(guān)系統(tǒng)要用IEC61508和IEC62061 標(biāo)準(zhǔn)去評(píng)估認(rèn)證。
2.2 同一網(wǎng)絡(luò)上如何做到同步實(shí)現(xiàn)安全控制和標(biāo)準(zhǔn)控制
2.2.1 提高對(duì)安全控制的重要性認(rèn)識(shí)
2007 年，我國(guó)共發(fā)生各類亊故506 376 起，死亡1 014 480人。當(dāng)我們把目光鎖定在礦山和交通行業(yè)的安全問(wèn)題時(shí)，各行業(yè)的機(jī)械安全故障也在威脅著我們的生命安全，每年有上萬(wàn)名職工手臂或手指被機(jī)械所損傷或切斷，造成極大的人身安
全和財(cái)產(chǎn)損失的危害，據(jù)2006 年統(tǒng)計(jì)，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3 500 萬(wàn)元?！鞍踩谝?、預(yù)防為主、標(biāo)本兼治”的口號(hào)非常嘹亮，但就是亊故頻繁涌現(xiàn)。時(shí)至今日，政府對(duì)機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有強(qiáng)制性執(zhí)行的辦法，缺少對(duì)機(jī)械設(shè)備安全的專門監(jiān)管，沒(méi)有像歐盟帶有法規(guī)性質(zhì)的機(jī)械指令的文件，更不用談對(duì)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)的貫徹落實(shí)了。
2.2.2 有關(guān)安全的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)
有關(guān)ISO/IEC 的國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)示意圖如圖1所示。
網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控系統(tǒng)，適用于所有的工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，它包含了所有影響安全的各種因素，如工藝設(shè)備的機(jī)械安全的措施，網(wǎng)上管理的規(guī)章制度和網(wǎng)上操作的有關(guān)規(guī)定，儀器儀表的測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)等。在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中要定性的分析各種
生產(chǎn)裝置的安全性，并作為網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控系統(tǒng)的配置依據(jù)，按IEC61508標(biāo)準(zhǔn)的安全度等級(jí)進(jìn)行配置，網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，既要滿足工業(yè)過(guò)程的安全度要求，又要保證系統(tǒng)的可靠性和可用性。
對(duì)工藝流程也必須進(jìn)行安全評(píng)估。目前，國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)有美國(guó)的ISA S84.01 和IEC61508標(biāo)準(zhǔn)，也有德國(guó)的DIN19250 標(biāo)準(zhǔn)；權(quán)威的認(rèn)證機(jī)構(gòu)有美國(guó)的UL和FM標(biāo)準(zhǔn)，也有德國(guó)的TUV 標(biāo)準(zhǔn)。一般，網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控系統(tǒng)的安全度等級(jí)要達(dá)到
IEC61508 標(biāo)準(zhǔn)中的SIL3 級(jí)。目前，我國(guó)還沒(méi)有具體的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和安全等級(jí)評(píng)估的單位，我們不知道，國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、全國(guó)機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)等機(jī)構(gòu)，還要花多少財(cái)力物力，還要增加多少研究機(jī)構(gòu)，還要等待多少時(shí)間，才能有安全標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估單位。所以我們要參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。有關(guān)ISO/IEC 的國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)，是各國(guó)各行各業(yè)都必須貫徹執(zhí)行的安全標(biāo)準(zhǔn)，我們做的工程設(shè)計(jì)都要進(jìn)行安全評(píng)估。
2.3 同一網(wǎng)絡(luò)上要同步實(shí)現(xiàn)安全控制和標(biāo)準(zhǔn)控制
過(guò)去幾十年的電氣傳動(dòng)和自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)中，在機(jī)械電氣安全設(shè)計(jì)中，我們都注意到選用成熟的元器件，為了避免短路，設(shè)計(jì)了隔離電路、冗余功能、線路保護(hù)、接地系統(tǒng)、各種故障斷電跳閘；設(shè)計(jì)安全距離，采用安全地毯、安全光柵、高低壓的聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)、雙位或多級(jí)控制、選用雙手控制裝置；在網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中，采用安全型監(jiān)測(cè)繼電器和安全型傳感器、冗余功能、選用安全型的功能可靠的PAC 可編程自動(dòng)控制器或PLCOPEN 可編程控制器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)接口、遠(yuǎn)程I/O接口等安全型設(shè)備。做了這些工作，就安全嗎？
我認(rèn)為，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠！
一個(gè)現(xiàn)代化的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、可靠性、靈活性、同步性和安全性有很高的要求。我們可以按照過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，但是，要選用得到安全認(rèn)證的網(wǎng)絡(luò)，來(lái)保證數(shù)據(jù)信息被安全地傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，即其安全性要符合IEC61508安全標(biāo)準(zhǔn)的SIL3的要求，如圖2所示。
它涵蓋了與系統(tǒng)故障相關(guān)或不相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。
例如某一傳感器被檢測(cè)到所控制的對(duì)象有風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，就可自動(dòng)關(guān)掉。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)允許所有與安全相關(guān)的信息都通過(guò)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)線纜傳輸，能夠保證按下急停按鈕時(shí)，即可切斷電源，不需要增加任何硬件。安全的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)能防范潛在的錯(cuò)誤，如重復(fù)、丟失、插入、不正當(dāng)操作、不正確的順序、某子系統(tǒng)變壞、延遲、安全與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的混淆等。安全的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，允許用戶在不同平臺(tái)上使用同樣的安全機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的安全協(xié)議必須得到IEC61508 認(rèn)證，為了保證數(shù)據(jù)信息能安全地傳送，建議使用ODVA 認(rèn)證的安全協(xié)議，如CIP 安全協(xié)議。這樣，不同的網(wǎng)絡(luò)，可以在一個(gè)一致的基礎(chǔ)上，將多個(gè)基于CIP安全協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)連接到一起。當(dāng)然，這也只是解決安全監(jiān)控的一個(gè)方法之一。
功能安全的設(shè)計(jì)，在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中就要同步。在設(shè)計(jì)監(jiān)控組態(tài)軟件和先進(jìn)控制軟件的時(shí)候，就要將標(biāo)準(zhǔn)化的安全功能塊集成到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中，使系統(tǒng)具有安全控制功能。安全功能塊應(yīng)在MES層的高層中設(shè)置，這樣就可以在現(xiàn)場(chǎng)層的硬
件和軟件系統(tǒng)中不設(shè)防了。選擇了安全功能塊，下一步便要決定將安全相關(guān)的程序列入控制編程之中。我們可以采用功能塊圖FBD 和LD梯圖形文功能安全的設(shè)計(jì)，在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中就要同步。在設(shè)計(jì)監(jiān)控組態(tài)軟件和先進(jìn)控制軟件的時(shí)候，
就要將標(biāo)準(zhǔn)化的安全功能塊集成到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中，使系統(tǒng)具有安全控制功能。安全功能塊應(yīng)在MES層的高層中設(shè)置，這樣就可以在現(xiàn)場(chǎng)層的硬件和軟件系統(tǒng)中不設(shè)防了。選擇了安全功能塊，下一步便要決定將安全相關(guān)的程序列入控制編程之中。我們可以采用功能塊圖FBD 和LD梯圖形文件，這樣，就很容易去編程和檢查了。不管是什么軟件和操作系統(tǒng)，都必須遵守IEC61508 規(guī)范，尤其是第3 部分，其中的FVL 是可變語(yǔ)言；在編制安全應(yīng)用軟件時(shí)，也必須遵守IEC61508 規(guī)范，如果做到了精簡(jiǎn)編程語(yǔ)言、指令和認(rèn)證功能塊，這樣，可極大地簡(jiǎn)化軟件的開(kāi)發(fā)和認(rèn)證工作。
為了搞清楚安全控制和標(biāo)準(zhǔn)控制之間的理念，這里再重復(fù)一次這樣的關(guān)系：網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要現(xiàn)場(chǎng)層所有硬件設(shè)備的支持，即硬件采集的數(shù)據(jù)信息已有安全信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)之分；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中的安全應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)與最底層的所有硬件設(shè)備沒(méi)有任何關(guān)系。在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控組態(tài)軟件的編程之中，采用安全功能塊、安全數(shù)據(jù)變量和類似CIP安全協(xié)議，將對(duì)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的專家們有所啟迪，可輕輕松松地將安全控制集成到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中去。
3 結(jié)語(yǔ)
變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了水工業(yè)的節(jié)能降耗。文中介紹在城市自來(lái)水廠、城市污水排放泵站、污水處理廠、發(fā)電廠給水排水設(shè)備及水利行業(yè)中的應(yīng)用實(shí)例，并給出具體節(jié)電數(shù)據(jù)作出說(shuō)明。
隨著變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，出現(xiàn)了現(xiàn)代化的水工業(yè)網(wǎng)絡(luò)綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。這一系統(tǒng)的安全，關(guān)系到流程企業(yè)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。本文介紹了相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及系統(tǒng)的功能安全中必須解決的幾個(gè)主要問(wèn)題，供同行們參考。
|
|
作者簡(jiǎn)介： |
|
陳運(yùn)珍（1942-），男，1965 年畢業(yè)于天津大學(xué)，高級(jí)工
程師。歷任中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)水工業(yè)電工專委會(huì)秘書長(zhǎng)，
全國(guó)水泵電機(jī)調(diào)速研究會(huì)副理事長(zhǎng)兼秘書長(zhǎng)和土木工程
學(xué)會(huì)水工業(yè)分會(huì)機(jī)電委員會(huì)委員，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)高級(jí)
會(huì)員，中國(guó)水工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)總工程師。 |
|
參考文獻(xiàn)： （略） |
本文標(biāo)簽：節(jié)能降耗與功能安全是水工業(yè)建設(shè)的兩大主題
* 由于無(wú)法獲得聯(lián)系方式等原因，本網(wǎng)使用的文字及圖片的作品報(bào)酬未能及時(shí)支付，在此深表歉意，請(qǐng)《節(jié)能降耗與功能安全是水工業(yè)建設(shè)的兩大主題》相關(guān)權(quán)利人與機(jī)電之家網(wǎng)取得聯(lián)系。
關(guān)于“節(jié)能降耗與功能安全是水工業(yè)建設(shè)的兩大主題”的更多資訊
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
