化工安全与自动化-国家安监局海口会议材料-201011-学员.pdf

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1、1化工化工化工化工安全安全安全安全与自动化与自动化与自动化与自动化国家安全生产监督管理总局通信信息中心国家安全生产监督管理总局通信信息中心国家安全生产监督管理总局通信信息中心国家安全生产监督管理总局通信信息中心浙江中控技术股份有限公司浙江中控技术股份有限公司浙江中控技术股份有限公司浙江中控技术股份有限公司2010.112010.112010.112010.11海口海口海口海口2目目目目录录录录目录.2引言.4第一节 集散控制系统.61.1 系统总貌.61.1.1 系统整体结构.71.1.2 系统性能.81.1.3 通信网络.81.2 系统硬件.111.2.1 控制站组成.111.2.2 操作节

2、点.121.3 系统软件 AdvanTrol-Pro.131.3.1 系统软件功能.131.3.2 过程信息服务功能.131.3.3 系统软件构成.14第二节 可编程逻辑控制器.162.1PLC 的结构及基本配置.162.1.1 CPU 构成.172.1.2 各模件功能介绍.172.2 S7-300 系统.192.2.1S7-300 系统硬件.192.2.2 各模件功能介绍.19第三节 安全仪表系统.223.1ESD 的定义.223.2 ESD 的发展.223.3 主要 ESD 产品及特点.233.4 TRICON 系统.243.4.1 综述.243.4.2 各模件功能介绍.253.5 GMR

3、 系统.313.5.1 系统组成.313.5.2 机架及风扇.313.5.3 各模件功能介绍.32第四节 检测仪表.344.1 轴位移和轴振动检测仪表.344.1.1 轴位移.354.1.2 轴振动.354.2 氧含量分析器.354.3 可燃性气体及有毒气体报警器.364.3.1 可燃性气体检测报警器.364.3.2 有毒气体检测报警器.3734.4 感烟、感温、感光火灾报警器.374.4.1 火灾探侧器.374.4.2 火灾报警控制器.37第五节 危险化学品安全技术改造建议.395.1 光气及光气化工艺.395.2 电解工艺（氯碱）.405.3 氯化工艺.415.4 硝化工艺.435.5 合

4、成氨工艺.445.6 裂解（裂化）工艺.465.7 氟化工艺.485.8 加氢工艺.495.9 重氮化工艺.515.10 氧化工艺.535.11 过氧化工艺.545.12 胺基化工艺.555.13 磺化工艺.575.14 聚合工艺.585.15 烷基化工艺.605.16 高危储罐.62第六节典型应用案例.636.1 加氢精制安全联锁保护方案.636.1.1 压缩机安全联锁保护.636.1.2 循环氢压缩机安全联锁保护.646.1.3 新氢压缩机安全联锁保护.646.1.4 反应进料泵安全联锁保护.646.2 具体实现与操作界面.644引言引言引言引言进入二十一世纪以来，危险化学品生产装置越来越

5、大型化、复杂化和连续化，其特别强调装置的安全、稳定、长期、满负荷、优化的运行，这些都对生产过程自动化专业提出了更高要求。多年来，我国危险化学品工业努力采用先进的电子技术改造传统生产方法，积极开发投资少、见效快、可靠性高、经济效益好的基础过程控制系统 BPCS，包括 DCS、PLC、SIS 等，在一些工艺复杂、效益较高、管理有一定基础的重要关键生产装置上采用集散型控制系统 DCS 或现场控制系统 FCS，同时针对装置本质安全要求，在一些危险生产场合配备了紧急停车系统 ESD 或火灾/气体保护系统 F&G 或安全仪表系统SIS 等。基础过程控制系统从二十世纪四十年代以来，经历了有明显里程碑式的六个

6、阶段，其发展历史见表 1。表表表表 1 1 1 1 控制系统发展过程控制系统发展过程控制系统发展过程控制系统发展过程对于危险化学品生产企业，设置什么样安全等级的安全系统才能既满足安全操作和生产的要求，又使投资经济合理，是能否设计出有效的安全系统的关键。确定工业过程的危险等级是要检查分析用户的工艺过程，然后得到对安全系统的性能要求。无论定性或定量的方法，没有一个按工业类型或通用的可接受的安全目标选用的导则，对于什么是危险，人、过程、关键设备、公司影响等在危险中究竟占多大权重是很难确定的，为此引进安全度等级的概念。安全是指人或物在一定环境中不发生危险与不受到损害的状态，而安全性是表明人或物在一个环

7、境中对危险的损伤所能承受的最大能力。装置的本质安全应从过程设计就19401950单回路 PID 开发成功，出现单元控制室19501960电子信号变送器开发成功，电子单元控制回路投入使用19601970出现紧凑型控制室，可编程逻辑控制器(PLC)、单回路控制器投入使用19701980中央控制室、数字式仪表、DCS 相继投入使用，引起自动化的革命19801995DCS 系统广泛使用，优化控制、紧急停车系统（ESD)相继投入使用1995联合控制室、安全仪表系统、现场控制系统相继投入使用5开始考虑与实施：工艺选择、装置选址、工厂布局、设备材料等决策。通过仔细选择过程设计与运行参数是过程设计实现本质安全

8、的关键。可是，潜在的危险依然存在并且需要附加的安全保护措施。安全保护措施往往采取独立、分层和多层的概念，如图 2 的保护层模型所示。安全保护措施的组成，包括硬件部分和软件部分。硬件部分指安全设备、装置和具有安全功能的阻挡设施。软件部分包括操作程序、规则、制度、关于安全的具体指示和培训。图1-1 中每个保护层与其他保护层协同行使控制、降低过程风险的功能。图 1 保护层模型安全度等级是系统在指定的状态下，完全执行要求的安全功能的概率。安全度等级可用于简化和理论化系统结构中各部分安全要求，并使其定量化。IEC61508 定义了 4个安全度等级及相应于每个等级的两个定量安全要求，包括对系统连续操作的目

9、标故障率要求和对系统按照要求切换到安全功能的目标故障率要求。安全度等级SIL（SafetyIntegrity Level）分为四级，在SIL1、SIL2、SIL3、SIL4之间没有一个明显的界线，工业过程安全度本身只是一个定性概念的范围，关键在于多大的故障率或事故率对于一个装置来讲是安全的，没有一个明确的标准，因此只有根据实际情况，选用合适的安全度范围来确认安全级别。从定性方面来讲，对于要求用于财产和物品的一般保护时，选用 1 级；对于要求用于财产和物品有较好保护时，选用 2级；对于可能有人员伤害的状态要求保护时，应选用 3 级；对于可能出现灾难性伤害或事故的状态进行保护时，应选用 4 级。6

10、第一节第一节第一节第一节 集散控制系统集散控制系统集散控制系统集散控制系统集散控制系统(DCS)是运用计算机技术、通信技术和控制技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。DCS 的结构是一个分布式系统。概括起来，DCS 由集中管理、分散控制监测和通信三部分组成。集中管理部分又分为工程师站、操作站和上位管理计算机。工程师站主要用于组态和维护，操作站则用于监视和操作。上位管理计算机用于全系统的信息管理和先进、优化控制；分散控制监测部分按功能分为控制站、监测站或现场控制站，它用于控制和监测，是 DCS 的基础部分；通信部分连接 DCS 的各个分布部分，完成数据、指令及其信息的传递。下面以危险

11、化学品生产过程常用的 WebField ECS-100 控制系统就集散控制系统原理和操作做一初步介绍，具体内容可见产品使用手册。1.11.11.11.1 系统总貌系统总貌系统总貌系统总貌为适应网络技术的发展，特别是 Internet、Web 技术的发展而推出的基于网络技术的 ECS-100 控制系统，融合了最新的现场总线技术、嵌入式软件技术、先进控制技术与网络技术，实现了多种总线兼容和异构系统综合集成。ECS-100 控制系统简化了工业自动化的体系结构，增强了过程控制的功能和效率，提高了工业自动化的整体性和稳定性，最终使企业节省了为工业自动化而做出的投资，真正体现了基础过程控制系统的开放性精神

12、，使自动化系统实现了网络化、智能化、数字化，突破了传统 DCS、PLC 等控制系统的概念和功能，也实现了企业内过程控制、设备管理的合理统一。ECS-100 控制系统应用范围已经涵盖化工、炼油、石化、冶金、电力等工业自动化行业，已经在加氢精制、催化裂化、三聚氰胺、己内酰胺、环氧氯丙烷、粉煤气化、PVC聚合、电石炉等对 DCS 系统可靠性稳定性要求很高的高危险石化和化工装置上取得了成功应用。71.1.11.1.11.1.11.1.1 系统系统系统系统整体整体整体整体结构结构结构结构图 1 2 系统整体结构示意图ECS-100 控制系统整体结构如图 1 2 所示，由控制节点控制节点控制节点控制节点（

13、控制节点是控制站、通信接口等的统称）、操作节点操作节点操作节点操作节点（操作节点是工程师站、操作员站、服务器站、数据管理站等的统称）及通信网络通信网络通信网络通信网络（管理信息网、过程信息网、过程控制网、I/O 总线）等构成。操作员站操作员站操作员站操作员站是由工业 PC 机、显示器、键盘、鼠标、打印机等组成的人机系统，是操作人员完成过程监控管理任务的人机界面。高性能工控机、卓越的流程图机能、多窗口画面显示功能可以方便地实现生产过程信息的集中显示、集中操作和集中管理。工程师站工程师站工程师站工程师站是为专业工程技术人员设计的，内装有相应的组态平台、监控平台和系统维护工具。通过系统组态平台构建适

14、合于生产工艺要求的应用系统，具体功能包括：系统生成、数据库结构定义、操作组态、流程图画面组态、报表制作等；通过监控平台可替代操作员站，实现生产过程的实时监控。而使用系统的维护工具软件可实现过程控制网络调试、故障诊断、信号调校等。服务器站服务器站服务器站服务器站用于连接过程控制网和管理信息网，也作为采用 C/S 网络模式的过程信息网的服务器。当与管理信息网相连时，可与企业管理计算机网（ERP 或 MIS）交换信息，8实现企业网络环境下的实时数据和历史数据采集，从而实现整个企业生产过程的管理、控制全集成综合自动化；当作为过程信息网的服务器时，客户端（操作员站）可通过其实现对实时数据和历史数据的查询

15、。数据管理站数据管理站数据管理站数据管理站用于实现系统与外部数据源（异构系统）的通信，从而实现过程控制数据的统一管理。控制站控制站控制站控制站是系统中直接与工业现场进行信息交互的 I/O 处理装置，由主控卡、数据转发卡、I/O 卡、接线端子板、内部 I/O 总线网络等组成，用于完成整个工业过程的实时控制功能。控制站内部各部件可按用户要求冗余配置，确保系统可靠运行。过程控制网络过程控制网络过程控制网络过程控制网络实现操作节点和控制站的连接，完成实时数据、信息、控制命令的传输与发送，过程控制网采用双重化冗余设计，使得信息传输可靠、高速。过程信息网过程信息网过程信息网过程信息网采用快速以太网技术，实

16、现 C/S 网络模式下服务器与客户端的数据通讯；优化报警信息和历史数据等的管理，降低过程控制网的网络负荷。1.1.21.1.21.1.21.1.2 系统性能系统性能系统性能系统性能ECS-100 系统过程控制网站点容量最高可达 63 个冗余的控制站和 72 个操作节点，系统 I/O 点容量可达到 38000 点。可根据 I/O 规模大小决定控制站数量，操作节点可根据用户操作的不同决定配置的数量与规格。ECS-100 系统具有数据采集、控制运算、控制输出、设备和状态监视、报警监视、远程通信、实时数据处理和显示、历史数据管理、日志记录、事故顺序识别、事故追忆、图形显示、控制调节、报表打印、高级计算

17、，以及所有这些信息的组态、调试、打印、下载、诊断等功能。1.1.31.1.31.1.31.1.3 通信网络通信网络通信网络通信网络ECS-100 系统采用成熟的计算机网络通讯技术，构成高速的冗余数据传输网络，实现过程控制实时数据及历史数据的及时传送。ECS-100 系统通信网络共有四层，分别是：管理信息网、过程信息网、过程控制网和 I/O 总线。系统网络结构如图 1 3 所示。9图 1 3 系统网络结构示意图1 1 1 1、管理信息网、管理信息网、管理信息网、管理信息网信息管理网采用通用的以太网技术，用于工厂级的信息传送和管理，是实现全厂综合管理的信息通道。该网络通过服务器站获取系统运行中的过

18、程参数和运行信息，同时也向下传送上层管理计算机的调度指令和生产指导信息。管理网采用大型网络数据库，实现信息共享，并可将各个装置的控制系统连入企业信息管理网，实现工厂级的综合管理、调度、统计、决策等。2 2 2 2、过程信息网、过程信息网、过程信息网、过程信息网过程信息网可采用 C/S 网络模式（对应 SupView 软件包）或对等 C/S网络模式（对应 AdvanTrol-Pro 软件包）。在该过程信息网上可实现操作节点之间包括实时数据，实时报警，历史趋势，历史报警，操作日志等的实时数据通信和历史数据查询。3 3 3 3、过程控制网（、过程控制网（、过程控制网（、过程控制网（SCnetIISC

19、netIISCnetIISCnetII 网）网）网）网）ECS-100 系统采用了高速冗余工业以太网 SCnet 作为其过程控制网络。它直接连接了系统的控制站和操作节点，是传送过程控制实时信息的通道，具有很高的实时性10和可靠性，通过挂接服务器站，SCnet 可以与上层的信息管理网、过程信息网及其它厂家设备连接。过程控制网络 SCnet 各节点的通信接口均采用了专用的以太网控制器，数据传输遵循 TCP/IP 和 UDP/IP 协议。SCnet 的通信介质、网络控制器、驱动接口等均可冗余配置，在冗余配置的情况下，发送站点（源）对传输数据包（报文）进行时间标识，接收站点（目标）进行出错检验和信息通

20、道故障判断、拥挤情况判断等处理；若校验结果正确，按时间顺序等方法择优获取冗余的两个数据包中的一个，而滤去重复和错误的数据包。而当某一条信息通道出现故障，另一条信息通道将负责整个系统通信任务，使通信仍然畅通。对于数据传输，除专用控制器所具有的循环冗余校验、命令/响应超时检查、载波丢失检查、冲突检测及自动重发等功能外，应用层软件还提供路由控制、流量控制、差错控制、自动重发（对于物理层无法检测的数据丢失）、报文传输时间顺序检查等功能，保证了网络的响应特性，使响应时间小于 1 秒。在保证高速可靠传输过程数据的基础上，SCnet 还具有完善的在线实时诊断、查错、纠错等功能。系统配有 SCnet 网络诊断

21、软件，诊断内容覆盖了网络上每一个操作节点、每个冗余端口（A 端口和 B 端口）、每个部件（交换机、网络控制器、传输介质等），网络各组成部分若存在故障，故障状态将被实时显示在操作节点上以提醒用户及时维护。4 4 4 4、I/OI/OI/OI/O 总线（总线（总线（总线（SBUSSBUSSBUSSBUS 总线）总线）总线）总线）I/O 总线是控制站内部通信网络，称为系统的 SBUS 总线。总线共分两层，连接主控卡和数据转发卡的是 SBUS-S2 总线，连接数据转发卡和 I/O 卡件的是 SBUS-S1总线。SBUS 总线结构如图 1 4 所示。11图 1 4SBUS 总线网络示意图SBUS-S2

22、总线是主从结构网络，是系统的现场总线，物理上位于控制站所管辖的卡件机笼之间和机笼母板上，连接了主控制卡和数据转发卡，用于主控制卡与数据转发卡间的信息交换。SBUS-S1 总线物理上位于各卡件机笼内，连接了数据转发卡和各块 I/O 卡件，用于数据转发卡与各块 I/O 卡件间的信息交换。1.21.21.21.2 系统硬件系统硬件系统硬件系统硬件1.2.11.2.11.2.11.2.1 控制站组成控制站组成控制站组成控制站组成控制站是控制系统中进行 I/O 数据采样、信息交互、控制运算、逻辑控制的核心装置，完成整个工业过程的实时控制功能。通过软件设置和硬件的不同配置可构成不同功能的控制结构，如过程控

23、制站、逻辑控制站、数据采集站。控制站的核心是主控卡。主控卡通过系统内高速数据网络SBUS 总线扩充各种功能，实现现场信号的输入输出，同时完成过程控制中的数据采集、回路控制、顺序控制以及优化控制等各种控制算法。控制站主要由机柜、机笼、供电单元、端子板和各类卡件（包括主控制器、数据12转发卡、通信接口部件和各种信号输入/输出卡）组成。机笼固定在机柜的多层机架上，机柜混合配置时最多配置 4 只机笼：1 只电源箱机笼和 3 只卡件机笼（可配置控制站各类卡件）。控制站结构如图 1 5 所示。图 1 5控制站结构在一个控制站机柜内提供一对冗余的 5V 电源和一对冗余的 24V 电源。在一个控制站内，配置

24、2 块互为冗余的主控制器，主控制器通过 SBUS 网络可以挂接 8 个 IO 单元或远程 IO 单元（即 8个机笼），8 个机笼必须安装在两个或者两个以上的机柜内。主控制器是控制站的核心，可以冗余配置，保证实时过程控制的可靠性。1.2.21.2.21.2.21.2.2 操作节点操作节点操作节点操作节点操作节点是控制系统的人机接口站，是工程师站、操作员站、数据管理站和服务器站等站点的总称。可在软件安装时选择安装为何种站点，通过在运行状态对网络策略的选择决定该操作节点的工作性质和运行方式。131.31.31.31.3 系统软件系统软件系统软件系统软件 AdvanTrol-ProAdvanTrol-

25、ProAdvanTrol-ProAdvanTrol-ProAdvanTrol-Pro 软件包是基于 Windows 操作系统的自动控制应用软件平台，在 ECS-100 系统中完成系统组态、数据服务和实时监控等功能。1.3.11.3.11.3.11.3.1 系统软件功能系统软件功能系统软件功能系统软件功能多任务、多线程；操作节点数据更新周期 1 秒，动态参数刷新周期 1 秒；控制算法组态采用 IEC61131 国际标准，实现图形组态与语言组态结合，功能强大；系统组态结构清晰，界面操作方便；报表功能灵活，应用简捷，并具有二次计算能力；流程图功能强大，使用方便；支持 ModBus、ProfiBus

26、数据连接和 OPC 数据通信；强大的报警管理功能，可以分区分级设置报警，支持语音报警；实时和历史趋势操作灵活，支持历史数据离线浏览；操作按键响应时间0.2 秒；流程图完整显示时间2 秒、其余画面1秒；命令响应时间0.5 秒等。1.3.21.3.21.3.21.3.2 过程信息服务功能过程信息服务功能过程信息服务功能过程信息服务功能AdvanTrol-Pro 使 ECS-100 系统在网络策略和数据分组的基础上实现了具有对等C/S 特征的过程信息网（也称为操作网），在该过程信息网上可实现操作节点之间包括实时数据，实时报警，历史趋势，历史报警，操作日志等的实时数据通信和历史数据查询。1、实时数据服

27、务服务器向客户端发送数据：对于某一个数据组而言，客户端发现有主服务器存在，则向主服务器申请位号，主服务器定时发送数据给客户端，当客户端不需要这些数据时，主服务器在继续发送一段时间后停止发送。客户端向服务器发送数据（数据回写）：客户端利用流程图等工具通过过程信息网向主服务器发送数据。注意，如果本站为客户端，则通过任务的置值动作无效。2、实时报警服务对于某一个数据组而言，主服务器主动判断是否有客户端，并进行实时报警的发送。冗余服务器也是接收来自主服务器的报警。报警中有产生时间和确认时间。实时报警的主服务器、冗余服务器和客户端所进行的报警确认是通过过程信息网传14送到其他的实时报警的主服务器、冗余服

28、务器和客户端。实时报警为本地的操作节点所进行的报警确认只有本操作节点有效。3、历史趋势服务趋势查询时，如果本站的某一数据组策略设置为服务器或者本地连接，则查询本站记录的趋势，如果本站是客户端，则查询趋势主服务器记录的趋势。4、历史报警服务报警查询时，如果本站的某一数据组策略设置为服务器或者本地连接，则查询本站记录的报警，如果本站是客户端，则查询报警主服务器记录的报警。5、操作日志服务操作日志是针对操作节点而言的。设置为本地连接或者服务器的操作节点，记录在本站产生的操作记录，设置为客户端的操作节点，发送操作记录到主服务器和冗余服务器。在查询操作日志时，如果本站是主（冗余）服务器或者本地连接，则查

29、询本站记录的操作日志，如果本站是客户端，则查询操作记录主服务器记录的操作日志。6、时间同步功能系统可接入 GPS 时钟源信号，并通过 SNTP 协议实现整个控制系统的时间同步。亦可在控制系统中设置时间同步服务器，以该服务器时间为基准，实现系统的时间同步。1.3.31.3.31.3.31.3.3 系统软件构成系统软件构成系统软件构成系统软件构成AdvanTrol-Pro 软件包可分成两大部分，一部分为系统组态软件，包括：用户组态软件（SCSecurity）、系统组态软件（SCKey）、图形化编程软件（SCControl）、语言编程软件（SCLang）、流程图制作软件（SCDrawEx）、报表制作

30、软件（SCFormEx）、二次计算组态软件（SCTask）、ModBus 协议外部数据组态软件（AdvMBLink）等等；另一部分为系统运行监控软件，包括：实时监控软件（AdvanTrol）、数据服务软件（AdvRTDC）、数据 通 信软 件（AdvLink）、报 警记 录软 件（AdvHisAlmSvr）、趋 势 记录软件（AdvHisTrdSvr）、ModBus 数据连接软件(AdvMBLink)、OPC 数据通信软件（AdvOPCLink）、OPC 服务器软件（AdvOPCServer）、网络管理和实时数据传输软件（AdvOPNet）、历史数据传输软件（AdvOPNetHis）、网络文件

31、传输（AdvFileTrans）等。15系统运行监控软件安装在操作员站和运行的服务器、工程师站中，通过各软件的相互配合，实现控制系统的数据显示、数据通信及数据保存。系统组态软件通常安装在工程师站，各功能软件之间通过对象链接与嵌入技术，动态地实现模块间各种数据、信息的通讯、控制和管理。这部分软件以 SCKey 系统组态软件为核心，各模块彼此配合，相互协调，共同构成了一个全面支持 SUPCON WebField 系统结构及功能组态的软件平台。系统组态软件构架如图 1 6 所示。图 1 6系统组态软件构架16第二节第二节第二节第二节 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器可

32、编程逻辑控制器（PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER，简称 PLC）。PLC 是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对 PLC 的规定：可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程逻辑控制器及其有关设备

33、，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。2.12.12.12.1PLCPLCPLCPLC 的结构及基本配置的结构及基本配置的结构及基本配置的结构及基本配置一般讲，PLC 分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式 PLC，有一块 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，当然按 CPU 性能分成若干型号，并按 I/O 点数又有若干规格。对模块式 PLC，有 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的 PLC，都属于总线式开放型结构，其

34、I/O 能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC 的基本结构框图如图 2-1 所示。图 2-1PLC 基本结构框图172.1.12.1.12.1.12.1.1 CPUCPUCPUCPU 构成构成构成构成PLC 中的 CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每台 PLC 至少有一个 CPU，它按PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电

35、路，与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU 虽然划分为以上几个部分，但 PLC 中的 CPU 芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对 CPU 内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在

36、 PLC 中的功能与性能，能正确地使用它就够了。CPU 模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲，CPU 模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式 PLC 的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接 I/O 模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU 模块上还有许多设定开关，用以对 PLC 作设定，如设定起始工作方式、内存区等。2.1.22.1.22.1.22.1.2 各模件功能介绍各模件功能介绍各模件功能介绍各模件功能介绍PLC 的对外功能，主要是通过各种 I/O 接口模块

37、与外界联系的，按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。（1 1 1 1）电源模块）电源模块）电源模块）电源模块有些 PLC 中的电源，是与 CPU 模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为 PLC18各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流 220VAC 或 110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为 24V。（

38、2 2 2 2）底板或机架）底板或机架）底板或机架）底板或机架大多数模块式 PLC 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。（3 3 3 3）PLCPLCPLCPLC 外部设备：外部设备：外部设备：外部设备：外部设备是 PLC 系统不可分割的一部分，它有四大类：（1）编程设备有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC所控制的系统的工作状况。编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。（2）监控设备有数据监视器和图

39、形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。（3）存储设备有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如 EPROM、EEPROM 写入器等。（4）输入输出设备用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。（4 4 4 4）PLCPLCPLCPLC 通信联网通信联网通信联网通信联网PLC 具有通信联网的功能，它使 PLC 与 PLC 之间、PLC 与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的 PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有 RS-232 接口，通过双绞线、同轴

40、电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。当然，PLC 之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC 与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的 PLC 之间、PLC 与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。下面对 SIEMENS 公司的 SIMATIC S7-300 系统产品简要做一介绍。192.22.22.22.2 S7-300S7-300S7-300S7-300 系统系统系统系统2.2.12.2.12.2.12.2.1S7-300S7-300S7-300S7-300 系统硬件系统硬件系统硬件系统硬件S7-300 系统硬件主要包括以下几个部分

41、：信号处理模块；接口模块；功能模块；CPU中央处理器；通讯处理器；通讯网卡；工程师、操作员站和操作屏等。其中图 2-2 所示为 CPU 中央处理器、机架、I/O 模块。图 2-2 S7-300 系统硬件外观示意图2.2.22.2.22.2.22.2.2 各模件功能介绍各模件功能介绍各模件功能介绍各模件功能介绍信号处理模块主要分为四类：开关量输入 DI、开关量输出 DO、模拟量输入 AI、模拟量输出 AO。（1 1 1 1）开关量输入）开关量输入）开关量输入）开关量输入SM321 16 点输入，24V DC；1330V 为信号 1；-305V 为信号 0；SM321 16 点输入，120V/23

42、0V AC；79264V 为信号 1；040V 为信号 0；（2 2 2 2）开关量输出开关量输出开关量输出开关量输出SM322 16 点输出，24V DC；信号 1 时输出 L0.8V；每通道的最大输出电流 0.5A;阻性负载的最高输出频率 100HZ,感性为 0.5HZ;带短路电子保护；SM322 8 点输出，继电器接点；信号 1 时输出接点闭合；信号 0时输出接点断开；接点容量 8A（230V AC）或 5A（24V DC）；（3 3 3 3）模拟量输入模拟量输入模拟量输入模拟量输入SM331 8 点模拟量输入；用于电阻测量时，为 4 点；20输入信号类型：电压电压电压电压 80mV;2

43、50mV;500mV;1V;2.5V;5V;1-5V;10V;电流电流电流电流 10mA;20mA;0-20mA;4-20mA;电阻电阻电阻电阻150 欧姆;300 欧姆;600 欧姆热电偶热电偶热电偶热电偶E,N,J,K 型热电阻热电阻热电阻热电阻Pt100 标准,Ni100 标准（4 4 4 4）模拟量输出模拟量输出模拟量输出模拟量输出SM332 4 点模拟量输出;信号类型：电压输出电压输出电压输出电压输出 0-10V；10V；1-5V；电流输出电流输出电流输出电流输出 4-20mA；20mA；0-20mA（5 5 5 5）接口模块接口模块接口模块接口模块接口模块主要用于连接多机架的 PL

44、C 系统，即一个 S7-300PLC 系统的信号模块如果超过 8 块，就必须配置接口模块进行扩展。IM360/IM361 接口模块是最为理想的扩展方案；IM360 插入到 CR（中央机架，CPU所在的机架）；IM361 插入到 ER（扩展机架，扩展信号模块所在的机架）；使用 IM360/IM361 接口模块最多可以扩展 3 个机架，既一个传统的 PLC 系统最多处理 32 个信号模块；（6 6 6 6）功能模块功能模块功能模块功能模块计数器模块；可直接连接增量编码器，实现连续、单向和循环记数；步进电机控制模块；和步进电机配套使用，实现设备的定位任务；PID 控制模块；实现温度、压力和流量等的闭

45、环控制（7 7 7 7）CPUCPUCPUCPU 中央处理器中央处理器中央处理器中央处理器S7-300 总共有 8 种不同的 CPU；如 CPU312IFM、CPU313、CPU314IFM、CPU314、CPU315/315-2DP、CPU316、CPU318-2 等。表 2-1 是 CPU315-2DP 和 CPU313 的重要性能参数比较。21表表表表 2-12-12-12-1CPU315-2DPCPU315-2DPCPU315-2DPCPU315-2DP 和和和和 CPU313CPU313CPU313CPU313 的重要性能参数比较的重要性能参数比较的重要性能参数比较的重要性能参数比较

46、列表列表列表列表（8 8 8 8）通讯处理器通讯处理器通讯处理器通讯处理器常用的通讯处理器包括：PROFIBUS-DP 处理器、PROFIBUS-FMS 处理器和工业以太网处理器。PROFIBUS-DP处理器用于连接SIEMENS S7-300和PROFIBUS-DP的主/从的接口模块，主要用于和 ET200 子站配合,组成分布式 I/O 系统。PROFIBUS-FMS 处理器用于连接 SIEMENS S7-300 和 PROFIBUS-FMS 的接口模块，主要用于和操作员站的连接。工业以太网处理器用于连接 SIEMENS S7-300 和工业以太网接口模块，主要用于和操作员站的连接。（9 9

47、 9 9）工程师站、操作员站和操作屏）工程师站、操作员站和操作屏）工程师站、操作员站和操作屏）工程师站、操作员站和操作屏一台装有 STEP 7 软件的 PC 我们就称之为工程师站，其主要完成系统硬件和组态、符号编辑以及程序编程等任务；完成自动化系统和模块进行参数设置；配置 MPI、PROFIBUS 或工业以太网进行的数据传输；定义符号名称、数据类型和注释，将物理地址名称化；选用语句表（STL）、梯形图（LAD）、功能块图（FBD）实现编程。一台装有WINCC软件的PC我们就称之为操作员站，其主要完成操作员站画面组态、变量连接、系统报警、变量曲线生成等功能；序号参数名称CPU313CPU315-

48、2DP1工作存储器12K 字节/4K 语句64K2装载存储器20K 字节96K 内置3块数量128FC/128FB/127DB192FC/192FB/255DB4位存储器204820485记数器C1-C64C1-C646定时器T1-T128T1-T1287数字 I/O 总数256 通道81928模拟 I/O 总数64I/32O5129支持的软件STEP7STEP7/SCL/CFC10PROFIBUS-DP 口无有22第三节第三节第三节第三节 安全仪表系统安全仪表系统安全仪表系统安全仪表系统安全仪表系统 SIS 从广义上讲等同于 ESD 系统，它包括测量元件，安全逻辑解算器，执行元件等部分。常见

49、 ESD 是指紧急停车系统，它主要是安全逻辑解算器，是 SIS 的核心组成部分。3.1ESD3.1ESD3.1ESD3.1ESD 的定义的定义的定义的定义紧急停车系统(ESD)是对危险化学品等生产装置可能发生的危险或不采取措施将继续恶化的状态进行及时响应和保护，使生产装置进入一个预定义的安全停车工况，从而使危险降低到可以接受的最低程度，以保证人员、设备、生产和装置的安全。在正常状态下，操作人员的精心控制一般不会引起事故。然而在紧急状态下若操作人员处理不当就会发生事故。而紧急停车系统能在紧急情况时提供安全保护措施，避免事故的发生，因此，紧急停车系统是独立于人工操作的安全保护系统。在正常状态下，紧

50、急停车系统对生产装置的关键工艺及设备参数进行连续监测。当出现异常情况时，紧急停车系统立即按照预先设计好的联锁保护程序采取相应的动作，使装置处在安全的状态中。3.23.23.23.2 ESDESDESDESD 的发展的发展的发展的发展随着现代计算机技术的发展，ESD 系统的设备配置也在不断地更新换代，由低级到高级；由气动逻辑到继电器逻辑；由简单的继电器系统到以微处理器为主的 ESD 系统；由单回路联锁系统到三重模块冗余系统，即 TMR(Triple ModularRedundancy)，近来有的公司还推出了四重化模块 ESD 系统。TMR 技术，早在 20世纪 80 年代中期便由美国宇航专利技术