ESD按钮检测回路设计探讨

Discussion on the Design of ESD Button Monitoring Loop

摘要: 紧急停车(ESD)系统是安全仪表系统中一个重要的子系统，ESD按钮是ESD系统中最常见的人工触发装置，用于人为触发ESD系统的保护程序来缓解事故或危险发生时危害的扩大并减少损失。为了规范ESD按钮的配置，减少误动作的发生，ESD按钮回路需要增加相应回路检测功能，确保不进行误触发。检测回路中的诊断电阻由厂家推荐，诊断电流需要结合ESD机柜实际情况进行配置。

Abstract: Emergency shutdown (ESD) system is an important subsystem of safety instrumented system. ESD button is the most common manual trigger device in ESD system, which is used to trigger the protection program of ESD system artificially to alleviate the expansion of hazard and reduce the loss when accidents or dangers occur. In order to standardize the configuration of ESD button and reduce the error trigger rate, the corresponding loop detection function should be added to the ESD button circuit to ensure no error trigger. The diagnosis resistance in the detection circuit is recommended by the manufacturer, and the diagnosis current needs to be configured according to the actual situation of the ESD cabinet.

1. 引言

石油、天然气是人类生活中常用的工业生产原料和化石燃料能源，它们在生产和输送时具有易燃、易爆、有毒等危险因素 [1]，因此，国内外的石油、天然气项目，经过安全评估后，经常会使用安全仪表系统(Safety Instrumented System，简称SIS)来实现安全仪表功能，即利用安全仪表系统中的测量仪表、逻辑控制器、最终元件及相关软件等，来防止、减少危险事件发生或保持过程安全状态，实现的安全保护或安全控制 [2]。

紧急停车系统(Emergency Shut Down，简称ESD)是安全仪表系统中一个重要的子系统，ESD按钮则是ESD系统中最小的、最常见的一个仪表设备，用于在事故或危险已经发生或即将发生时，人为触发ESD系统的保护程序以缓解危害扩大、减少损失。然而在实际运行中，ESD按钮由于配置不合理，是发生误动作较多的设备之一，ESD按钮的误动作将造成区域停车或全站停车，或者要求实现安全功能时根本无法停车，这就为管道的正常运行带来很多损失和隐患。

ESD按钮的配置

目前，ESD按钮有常开接点、常闭接点两种，普通ESD按钮对于断开或短路原因是人为触发还是误触发，系统无法进行区分，只要回路断开或短路均会触发ESD，误触发原因可能包括ESD按钮进水老化、回路接线不禁锢、回路浪涌损坏、24 V电源故障、地面沉降拉脱接线线头、小动物咬断线缆等。

国家标准GB/T50770-2013《石油化工安全仪表系统设计规范》要求：重要的输入回路宜设置线路开路和短路故障检测，输入回路的开路和短路故障，宜在安全仪表系统中报警和记录 [2]。

国内行业标准SY/T6966-2013《输油气管道工程安全仪表系统设计规范》要求：安全仪表系统的开关量检测元件应为常闭或带诊断功能的接点，ESD按钮应具有防误触、保持和复位功能 [3]。

为了规范ESD按钮的配置，减少误动作的发生，ESD按钮回路需要增加相应回路检测功能，确保不进行误触发。首先要求ESD按钮为带回路诊断功能的ESD按钮，其次，安全仪表系统的PLC机柜内I/O模块应具有信号通道的回路检测及保护功能，对每个控制回路具有诊断功能(这里不单指I/O模块的自诊断功能，还包括执行对元件的回路诊断，例如ESD按钮)，利用模块的回路诊断功能，在现场ESD按钮处并入一个电阻和串入一个电阻，诊断电阻的阻值可以根据SIS系统I/O模块的技术指标要求进行调整，通过测量回路中电流的大小，根据系统软件编制相应的报警程序，当回路异常时应自动产生报警提醒运行人员 [4] [5] [6] [7]。

2. 诊断电阻的配置

1) 常开触点ESD按钮

对于带有2个诊断电阻的常开触点ESD按钮，ESD按钮接SIS系统DI模块的等效电路见图1，图中虚线框表示1个ESD按钮(含2个诊断电阻)。

Figure 1. Circuit diagram of diagnostic resistance for normally open ESD push-button

图1. 常开触点ESD按钮诊断电阻设置图

下面以德国黑马公司SIL3等级的DI输入模块为例进行回路电流计算，ESD按钮正常情况下，ESD按钮触点不闭合，回路通过10 KΩ并联电阻和1KΩ串联电阻联通，DI模块的回路电压为24 VDC，模块最大输入阻抗为2 KΩ，回路中为诊断电流。

由于ESD按钮电缆的电阻一般在0.008~0.02 kΩ之间，与DI模块的最大输入阻抗(2 kΩ)相比太小。下面的计算不考虑电缆电阻。不会影响计算结果。

① 回路诊断电流

回路诊断电流在1.2~2 mA之内，表示ESD按钮的DI模块回路正常。

$回路诊断电流=\text{24}\text{VDC}/\left(\text{1}+\text{1}0+\text{2}\right)\text{k}\Omega \approx \text{1}.\text{84mA}。$

② 触发SIS系统回路电流

当ESD按钮被按下时触点闭合，SIS系统的DI回路越过并联电阻，通过串联电阻联通，当回路电流在2 mA~12 mA之内，就触发SIS系统的停车保护程序，切断区域或者全站的流程。

$触发\text{SIS}系统回路电流\text{I}=\text{24}\text{VDC}/\left(\text{1}+\text{2}\right)\text{k}\Omega =\text{8mA}。$

③ 无电流

电缆任何一处断开，SIS系统的DI回路无电流，即DI回路电流小于1.2 mA，SIS系统立即进行报警，提醒操作人员检查物理电路，这在SIS系统中属于显性故障。此时SIS系统并不启动安全保护程序，由于ESD按钮的故障或者电缆的故障不会引起区域或者全站停车。

④ 短路电流

电缆任何一处短路，SIS系统的DI回路直接联通。

$触发\text{SIS}系统回路电流\text{I}=\text{24}\text{VDC}/\left(\text{2}\right)\text{k}\Omega =\text{12mA}。$

SIS系统的DI回路电流最大，即DI回路电流大于12 mA，SIS系统立即进行报警，提醒操作人员检查物理电路，这在SIS系统中也属于显性故障。

2) 常闭触点ESD按钮

带2个诊断电阻的常闭触点ESD按钮接到SIS系统DI模块的等效电路见图2，图中虚线框表示1个ESD按钮(含2个诊断电阻)。

Figure 2. Circuit diagram of diagnostic resistance for normally closed ESD push-button

图2. 常闭触点ESD按钮诊断电阻设置图

下面以德国黑马公司SIL3等级的SIS系统DI输入模块为例进行回路电流计算，ESD按钮正常情况下，ESD按钮触点闭合，回路通过10 KΩ并联电阻和1KΩ串联电阻联通，DI模块的最大输入阻抗为2 KΩ，回路中是诊断电流。

由于ESD按钮电缆的电阻一般在0.008~0.02 kΩ之间，与DI模块的最大输入阻抗(2 kΩ)相比太小。下面的计算不考虑电缆电阻。不会影响计算结果。

① 回路诊断电流

ESD按钮正常情况下，ESD按钮触点闭合，回路通过串联电阻联通，回路中是诊断电流．回路诊断电流在2 mA~12 mA之内，表示ESD按钮的DI模块回路正常。

$回路诊断电流=24\text{VDC}/\left(1+2\right)\text{k}\Omega \approx 8\text{mA}。$

② 触发SIS系统回路电流

当ESD按钮被按下时触点打开，SIS系统的DI回路越过并联电阻和串联电阻，当回路电流在1.2~2 mA之内，就触发SIS系统的停车保护程序，切断区域或者全站的流程。

$触发\text{SIS}系统回路电流\text{I}=\text{24}\text{VDC}/\left(\text{1}+\text{1}0+\text{2}\right)\text{k}\Omega =\text{1}.\text{84}\text{mA}。$

③ 无电流

电缆任何一处断开，SIS系统的DI回路无电流，即DI回路电流小于1.2 mA，SIS系统立即进行报警，提醒操作人员检查物理电路，这在SIS系统中属于显性故障。此时SIS系统并不启动安全保护程序，由于ESD按钮的故障或者电缆的故障不会引起区域或者全站停车。

④ 短路电流

电缆任何一处短路，SIS系统的DI回路直接联通。

$触发\text{SIS}系统回路电流\text{I}=\text{24}\text{VDC}/\text{2k}\Omega =\text{12}\text{mA}。$

SIS系统的DI回路电流最大，即DI回路电流大于24 mA，SIS系统立即进行报警，提醒操作人员检查物理电路，这在SIS系统中也属于显性故障。

3. 检测回路特点

带有诊断电阻的ESD按钮，将SIS系统安全回路的隐性故障转化为显性故障，提高了SIS系统的安全可用性，不会引起误触发，符合安全仪表系统标准的要求。ESD按钮带诊断电阻，在ESD按钮没有被按下时，DI回路一直有小电流，对ESD按钮DI回路起到诊断的作用．一旦任何一个位置的电缆断开，小电流就会消失，安全仪表系统就会诊断报警，提醒操作人员进行回路维护，此时并不触发安全仪表系统的保护程序。

同时，可以看到的是，ESD按钮带诊断电阻价格高，由于不同供货商SIS系统DI回路的技术指标不同，在设计SIS系统时需要考虑ESD按钮诊断电阻的大小。确保回路诊断电流、触发SIS系统回路电流符合DI模块的技术指标。对于不同的厂家提供的具备回路诊断功能的PLC模块，其要求的电阻值是不一样的。

以下为各厂家针对不同类型的按钮所需的电阻值见表1。

Table 1. Configuration table of ESD push-button diagnostic resistance from various manufacturers

表1. 各厂家ESD按钮诊断电阻配置表

4. 阿美公司ESD按钮设计要求

目前来看，在阿美公司的标准体系中，并没有标准对ESD按钮的检测回路进行要求，仅对制造商要求按钮必须具备如ATEX/IECEx等机构的电气设备防爆认证和对外壳、电压等级等的使用认证，保证按钮可以在爆炸危险场所安全使用。

5. 国内外ESD按钮设计现状

近年来，随着国内油气管道行业中安全仪表系统的不断推广应用，ESD按钮的误触发问题已经引起了各管道工程设计单位和运行业主的重视。

目前，在2012年以前投建的如西气东输一线、兰郑长、兰成渝等油气管道，现场ESD按钮回路均采用未配检测电路的常闭(NC)单回路，IO模块也不具备回路诊断功能，对于断开原因是人为触发还是误触发，系统无法进行区分，只要回路断开均会触发紧急停车。

从2013年开始，中国石油天然气管道工程有限公司(管道设计院)在站场控制系统技术协议中要求ESD按钮必须配备检测回路，其他几家油气管道行业设计单位也有相关要求。西气东输分公司、西部管道公司等管道运行业主同时对ESD按钮的误触发问题进行了关注和研究，尤其西气东输分公司压缩机处对ESD按钮的检测回路做了深入研究，并积累了一定的实践经验。各管道运行业主相继开展了对未配备检测回路ESD按钮的改造工作，并要求在以后工程中必须使用带检测回路的ESD按钮，以避免ESD按钮误动作问题。

目前，国外管道行业部分运行业主对ESD按钮带检测回路没有明确要求，沙特阿拉伯地区由阿美公司批准的WOOD、WorleyParsons、KBR、SNC-Lavalin等几家本地GES + (General Engineering Service Plus)设计分包商对ESD按钮是否带检测回路均没有要求；而泰国石油公司建设的泰国压气站工程使用了带检测回路的ESD按钮；中亚、中缅天然气管道业主都要求使用带检测回路的ESD按钮 [8]。

6. 结束语

为了更好地降低ESD按钮因为模块故障导致的误触发，建议将接入系统的IO模块设计成冗余结构，现场检测信号进入3个IO模块，通过2oo3方式进行设置，当其中1个模块故障时，不触发ESD，这样既提高可用性，同时又保证了安全性 [9] [10]。

ESD按钮在大规模使用过程中，误触发事件发生的频率较高，这给油气管道的正常运行带来很多问题，但由于它有着不可或缺的重要性 [11] [12] [13]，所以如何减少ESD按钮的误触发事件是今后我们需要长期关注和持续研究的课题。