ABB System 800xA điều khiển Trạm đầu cuối hydro lỏng Kawasaki

ABB đã được Kawasaki Heavy Industries lựa chọn để cung cấp hệ thống điều khiển và an toàn cho Kho cảng LH2 Kawasaki đang được phát triển tại Ogishima, gần Tokyo. Phạm vi tự động hóa dự kiến xoay quanh ABB Ability System 800xA, tích hợp điều khiển quy trình, an toàn và dữ liệu vận hành trong các hoạt động hóa lỏng, lưu trữ, bốc dỡ hàng hóa đường biển, cung cấp khí và nạp xe bồn.

Kho cảng do Japan Suiso Energy phát triển במסגרת chương trình thương mại hóa được Tổ chức Phát triển Công nghệ Công nghiệp và Năng lượng Mới Nhật Bản hỗ trợ. Các kế hoạch đã công bố bao gồm bồn chứa hydro lỏng dung tích 50.000 mét khối, thiết bị bốc dỡ hàng hóa đường biển, cơ sở hóa lỏng, hạ tầng cung cấp khí hydro và khu vực nạp xe bồn. Công trình khởi công vào năm 2025, và chương trình trình diễn dự kiến kéo dài đến hết năm tài chính 2030.

Môi trường điều khiển thống nhất là yếu tố cốt lõi của dự án

Phạm vi của ABB bao gồm hệ thống thiết bị an toàn SIL 3, các bộ điều khiển dự phòng và hạ tầng máy chủ dự phòng. Một môi trường điều khiển thống nhất có thể cung cấp cho người vận hành một góc nhìn nhất quán về trạng thái bồn, trình tự chuyển tải, hệ thống tiện ích, cảnh báo, tác động dừng và tình trạng sẵn sàng của thiết bị. Lợi ích không chỉ nằm ở sự đồng nhất về hình ảnh. Dấu thời gian tích hợp, xử lý cảnh báo phối hợp và hồ sơ kỹ thuật dùng chung có thể rút ngắn quá trình từ khi phát hiện dấu hiệu bất thường đến khi đưa ra quyết định vận hành an toàn.

Hydro lỏng tạo ra những điều kiện quy trình khắc nghiệt. Hydro được lưu trữ ở nhiệt độ gần âm 253 độ C, vì vậy thiết bị đo, vật liệu, lớp cách nhiệt và thiết bị chuyển tải phải chịu được nhiệt độ đông lạnh sâu. Một lượng nhiệt nhỏ cũng có thể làm tăng hiện tượng hóa hơi. Phạm vi dễ cháy rộng và năng lượng bắt cháy thấp của hydro khiến việc phát hiện rò rỉ, thông gió, thiết kế khu vực nguy hiểm và kiểm soát nguồn gây cháy trở nên thiết yếu. Hệ thống tự động hóa phải hỗ trợ các biện pháp bảo vệ được thiết kế này mà không trở thành điểm hỏng đơn.

Đối với độc giả đang đánh giá định hướng điều khiển rộng hơn của ABB, báo cáo của PLC ProTech về hiện đại hóa DCS và tích hợp kỹ thuật số của ABB cung cấp bối cảnh hữu ích về việc công ty tách điều khiển xác định khỏi phân tích cấp cao hơn.

Điều khiển lưu trữ bắt đầu từ phép đo đáng tin cậy

Một bồn chứa 50.000 mét khối cần nhiều loại phép đo và các lớp bảo vệ độc lập. Mức, áp suất, phân bố nhiệt độ, lưu lượng khí hóa hơi, vị trí van và giám sát khả năng bao chứa đều góp phần tạo nên bức tranh vận hành. Dịch vụ đông lạnh sâu làm phức tạp việc lựa chọn cảm biến và bố trí đường ống lấy áp, trong khi mật độ và sự phân tầng có thể ảnh hưởng đến việc tính toán tồn kho.

Kỹ sư nên phân biệt các phép đo phục vụ điều khiển với các phép đo phục vụ tác động dừng độc lập khi phân tích mối nguy yêu cầu tách biệt. Logic bỏ phiếu có thể phù hợp với chức năng bảo vệ áp suất hoặc mức quan trọng, nhưng bỏ phiếu chỉ hữu ích khi các cảm biến có chế độ hỏng đủ độc lập. Đường ống lấy áp dùng chung, nguồn điện chung, cùng điều kiện môi trường hoặc một lỗi hiệu chuẩn duy nhất có thể làm mất tác dụng của tính dự phòng trên danh nghĩa.

Quản lý khí hóa hơi mà không che giấu sự bất ổn

Sự xâm nhập nhiệt bình thường tạo ra khí hóa hơi, khí này phải được thu hồi, nén, hóa lỏng lại hoặc dẫn đến nơi xử lý an toàn theo thiết kế của kho cảng. Các vòng điều khiển cần đủ dải để quản lý biến thiên thường nhật, đồng thời cảnh báo phải cho thấy hiện tượng rò nhiệt bất thường, rò rỉ van hoặc suy giảm thiết bị. Việc hiệu chỉnh điều khiển quá mạnh có thể che giấu một vấn đề đang phát triển bằng cách buộc một cơ cấu chấp hành khác hoạt động nhiều hơn. Người vận hành cần các xu hướng và chỉ số hiệu suất thể hiện cả biến được điều khiển lẫn mức độ nỗ lực cần thiết để duy trì biến đó.

Chuyển tải đường biển tạo ra một ranh giới thay đổi

Bốc dỡ hàng hóa kết nối kho cảng cố định với một tàu có hệ thống điều khiển, dừng khẩn cấp, liên lạc và quy trình vận hành riêng. Không thể bắt đầu chuyển tải chỉ vì một van đang mở. Các điều kiện cho phép có thể bao gồm trạng thái cầu cảng, xác nhận neo buộc, kết nối cần nạp, làm trơ đường ống, cân bằng áp suất, cấu hình van, phát hiện khí và liên lạc được xác minh giữa tàu với bờ.

Triết lý dừng khẩn cấp phải xác định bên nào khởi động, tín hiệu được trao đổi ra sao, van nào đóng, bơm dừng như thế nào và chất lỏng bị giữ lại được xử lý ra sao. Đóng quá chậm có thể kéo dài thời gian rò rỉ; đóng quá nhanh có thể tạo ra quá độ thủy lực hoặc áp suất. Vì vậy, việc kiểm tra ma trận nguyên nhân–kết quả cần bao gồm các kịch bản động, không chỉ kiểm tra điểm-đến-điểm.

Nạp xe bồn bổ sung một giao diện khác với các chức năng nhận dạng xe, nối đất, xác minh kết nối, cài đặt lượng nạp, bảo vệ chống tràn và liên động cho phép xe rời đi. Đưa các hoạt động này vào môi trường 800xA dùng chung có thể cải thiện việc đối chiếu sự kiện, nhưng mỗi vị trí nạp vẫn cần duy trì các biện pháp bảo vệ cục bộ và trạng thái an toàn khi hỏng phù hợp.

SIL 3 là một cam kết trong suốt vòng đời

Một hệ thống thiết bị an toàn SIL 3 không được thiết lập chỉ bằng việc mua PLC an toàn. Mục tiêu này bắt nguồn từ phân tích mối nguy và công việc phân tích các lớp bảo vệ, sau đó phụ thuộc vào độ tin cậy của cảm biến, bộ giải logic và phần tử chấp hành cuối; độ bao phủ của kiểm tra định kỳ; năng lực chẩn đoán; kiến trúc; và các quy trình quản lý. Kiểm soát bypass, thời gian duy trì override, hồ sơ bảo trì và chất lượng kiểm tra định kỳ cũng quan trọng không kém chứng nhận của bộ điều khiển.

Dịch vụ hydro đặc biệt nhấn mạnh các phần tử chấp hành cuối. Van cô lập khẩn cấp phải di chuyển được dưới chênh áp và điều kiện môi trường xấu nhất có thể xảy ra một cách hợp lý. Kiểm tra hành trình một phần có thể phát hiện một số hỏng hóc nguy hiểm mà không cần dừng hoàn toàn, nhưng không thay thế cho việc kiểm tra toàn phần định kỳ. Van điện từ, cơ cấu chấp hành, phản hồi vị trí, khí dụng cụ và cáp đều phải được đưa vào tính toán chức năng an toàn.

Phân tích của PLC ProTech về lý do các chương trình an toàn quy trình thất bại dù đã hoàn tất danh sách kiểm tra có liên quan trực tiếp ở đây: tài liệu chỉ có giá trị khi thực tiễn tại hiện trường, năng lực và kỷ luật vận hành duy trì được mức bảo vệ dự kiến.

Tính dự phòng phải loại bỏ các điểm yếu do nguyên nhân chung

Các bộ điều khiển và máy chủ dự phòng chỉ nâng cao tính sẵn sàng nếu thiết kế xử lý được các phụ thuộc dùng chung. Nguồn cấp điện, bộ chuyển mạch mạng, nguồn thời gian, hệ thống làm mát, dịch vụ an ninh mạng và quyền truy cập kỹ thuật đều có thể trở thành điểm hỏng chung. Kiểm tra nghiệm thu tại nhà máy và tại công trường nên bao gồm chuyển đổi bộ điều khiển, mất máy chủ, gián đoạn đường mạng, bất đồng giữa các thiết bị đo và khôi phục sau một lần cập nhật thất bại.

Hệ thống cũng cần một chiến lược rõ ràng cho chế độ suy giảm. Người vận hành phải biết những chức năng nào vẫn khả dụng sau khi mất máy chủ, đường bộ điều khiển, phân đoạn I/O từ xa hoặc dịch vụ dữ liệu bên ngoài. Hàng loạt cảnh báo trong quá trình chuyển đổi có thể gây hại không kém việc mất điều khiển nếu chúng che khuất sự kiện khởi phát. Việc hợp lý hóa cảnh báo, quản trị tạm ẩn cảnh báo và độ chính xác của trình tự sự kiện cần được xác minh trước khi bắt đầu chuyển tải hydro.

An ninh mạng thuộc về cuộc thảo luận về an toàn

Một kho cảng tích hợp trao đổi dữ liệu với các trạm kỹ thuật, hệ thống bảo trì, hệ thống lưu trữ dữ liệu lịch sử, ứng dụng doanh nghiệp và có thể cả dịch vụ hỗ trợ từ xa. Các vùng mạng nên tách biệt điều khiển cơ bản, hệ thống an toàn, thiết bị đóng gói, dịch vụ giám sát và giao diện doanh nghiệp. Quyền truy cập từ xa cần danh tính được định danh, xác thực đa yếu tố, thời hạn giới hạn, phê duyệt và ghi nhật ký. Quyền truy cập hệ thống an toàn phải bị hạn chế nghiêm ngặt hơn quyền truy cập giám sát thông thường.

Việc vá lỗi phải tuân theo một vòng đời đã được kiểm thử. Kho cảng không thể chấp nhận cập nhật tự động theo kiểu doanh nghiệp trên các bộ điều khiển quan trọng, nhưng trì hoãn vô thời hạn sẽ tạo ra mức phơi nhiễm tích lũy. Kiểm kê tài sản, khuyến cáo của nhà cung cấp, biện pháp kiểm soát bù trừ, bản sao lưu ngoại tuyến và thử nghiệm trên hệ thống đại diện tạo nên một hướng cân bằng thực tế. Cấu hình System 800xA, ứng dụng bộ điều khiển, logic an toàn, giao diện đồ họa, cơ sở dữ liệu cảnh báo và tham số của hệ thống đóng gói đều cần phiên bản được kiểm soát và bản sao có thể khôi phục.

Kinh nghiệm từ Kobe giúp giảm nhưng không loại bỏ rủi ro mở rộng quy mô

Trước đây, ABB đã cung cấp hệ thống điều khiển và an toàn cho kho tiếp nhận hydro lỏng Hy touch Kobe quy mô nhỏ hơn, được sử dụng trong các thử nghiệm vận chuyển hydro lỏng do Kawasaki dẫn dắt. Kinh nghiệm vận hành đó có giá trị vì cung cấp dữ liệu sự kiện thực tế, phản hồi của người vận hành và bài học bảo trì. Tuy nhiên, cơ sở Ogishima là một bước mở rộng quy mô với lượng tồn chứa, số lượng giao diện và yêu cầu thương mại hóa lớn hơn. Các mô-đun đã được chứng minh nên được tái sử dụng khi có cơ sở, trong khi những mối nguy mới do quy mô và công suất phải được phân tích lại.

Kết quả ý nghĩa nhất của dự án này sẽ là một mô hình vận hành có thể lặp lại cho hydro lỏng nhập khẩu. Hệ thống tự động hóa đáng tin cậy phải phối hợp lưu trữ đông lạnh sâu, chuyển tải đường biển, phân phối, an toàn, bảo trì và dữ liệu thương mại mà không làm mờ ranh giới trách nhiệm giữa các lĩnh vực. Phạm vi điều khiển và an toàn tích hợp của ABB mang đến cho Kawasaki một nền tảng thống nhất; kỹ thuật vòng đời có kỷ luật sẽ quyết định mức độ thành công của nền tảng đó trong việc hỗ trợ vận hành an toàn và sẵn sàng trong suốt giai đoạn trình diễn đến năm 2030.