金玉輝

(中石化上海石油化工股份有限公司化工事業(yè)部,上海 200540)

0 引 言

中石化上海石油化工股份有限公司化工事業(yè)部丙烯腈裝置于2002年建設(shè)投用,其冷凍壓縮機(jī)組原控制系統(tǒng)的主要配置:蒸汽透平調(diào)速由Woodward 505實(shí)現(xiàn),三取二超速保護(hù)由Woodward提供的Pro Tech 203完成,機(jī)組軸系監(jiān)控(軸溫、軸振動(dòng)、軸位移等)由Bently Nevada 3500監(jiān)視系統(tǒng)完成,YORK壓縮機(jī)的喘振控制、盤(pán)車(chē)控制、潤(rùn)滑油系統(tǒng)等的控制及機(jī)組安全保護(hù)由Rockwell公司的Allen-Bradley PLC來(lái)完成。

該系統(tǒng)故障率較高,自動(dòng)控制方式運(yùn)行時(shí)幾乎每月發(fā)生一次機(jī)組跳車(chē)故障,其主要問(wèn)題:

a)可靠性差,機(jī)組無(wú)冗余配置、對(duì)系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)沒(méi)有進(jìn)行隔離,不適合化工企業(yè)的運(yùn)行可靠性要求。

b)上位機(jī)操作界面上沒(méi)有趨勢(shì)記錄、SOE信息和操作行為記錄。

c)進(jìn)系統(tǒng)的信號(hào)有一部分是開(kāi)關(guān)量信號(hào),系統(tǒng)無(wú)法對(duì)信號(hào)的趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)控,給故障的判斷帶來(lái)了困難。

d)報(bào)警信息少,無(wú)故障分析和操作提示。

e)控制聯(lián)鎖過(guò)多,容易造成不必要的停車(chē)。

鑒于以上狀況,利用 Triconex公司的 Tricon機(jī)組綜合控制系統(tǒng)對(duì)冷凍壓縮機(jī)組原控制系統(tǒng)進(jìn)行整體改造。其總體方案的確定、硬件配置和軟件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面:

a)簡(jiǎn)化控制系統(tǒng),使控制系統(tǒng)層次分明,確保所有控制回路的可靠性。

b)主控制系統(tǒng)采用冗余配置,對(duì)系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行隔離,提高控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。

c)縮短系統(tǒng)掃描周期,使系統(tǒng)的調(diào)速響應(yīng)時(shí)間滿足標(biāo)準(zhǔn)API612的調(diào)速要求,同時(shí)為建立毫秒級(jí)的SOE信息記錄提供保證。

d)根據(jù)機(jī)組流程,建立完整的操作、維護(hù)界面,以及報(bào)警記錄和故障提示,為機(jī)組運(yùn)行操作和檢修提供充足的依據(jù)。

e)解除一些不重要的故障對(duì)機(jī)組的聯(lián)鎖控制,在確切的操作提示下,對(duì)這些故障采用問(wèn)訊操作方式。

1 改造的總體方案

本次改造采用最新版本的 Tricon10.3版控制系統(tǒng)。Tricon通過(guò)三重模件冗余結(jié)構(gòu)(TMR)提供容錯(cuò)能力。該系統(tǒng)由三重安全相同的系統(tǒng)通道組成。每個(gè)系統(tǒng)通道獨(dú)立執(zhí)行控制程序,并與其他兩個(gè)通道并行工作。硬件表決機(jī)制則對(duì)所有來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字式輸入和輸出進(jìn)行表決和診斷。模擬輸入則進(jìn)行三取二,再取中值的處理。原Woodward 505,Pro Tech 203,AB PLC現(xiàn)場(chǎng)防爆機(jī)柜和本特利3500等系統(tǒng)的功能全部整合到改造后的Tricon系統(tǒng)中,整個(gè)機(jī)組控制的一體化和數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步,利用 Tricon系統(tǒng)強(qiáng)大的專業(yè)機(jī)組控制功能塊,SOE毫秒級(jí)事件記錄和第一事故自動(dòng)記錄的功能,使冷凍壓縮機(jī)組控制更加優(yōu)化和簡(jiǎn)潔。

新系統(tǒng)將系統(tǒng)控制器和主要設(shè)備安裝到中央控制室內(nèi)的機(jī)柜間,現(xiàn)場(chǎng)新提供一個(gè)正壓防爆的機(jī)柜用于安裝現(xiàn)場(chǎng)操作站和需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換的設(shè)備。在中控室內(nèi)安裝兩個(gè)機(jī)柜,一個(gè)用于安裝Tricon系統(tǒng)的主機(jī)架、擴(kuò)展機(jī)架以及從現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的Bently 3 500系統(tǒng),另外一個(gè)機(jī)柜安裝ETP端子板、安全柵、溫度變送器、繼電器、DC電源等。原先進(jìn)入Woodward 505系統(tǒng)的速度信號(hào)、DCS遠(yuǎn)程速度設(shè)定和速度控制輸出信號(hào)將全部引入到新的 Tricon系統(tǒng)中,Pro Tech 203的三個(gè)速度信號(hào)也將送入 Tricon系統(tǒng),所有原AB PLC系統(tǒng)的輸入/輸出信號(hào)同樣也全部移到 Tricon系統(tǒng)中,如圖1所示。

圖1 丙烯腈冷凍機(jī)控制系統(tǒng)改造方案示意

在該配置下,機(jī)組控制系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化,系統(tǒng)中斷不影響機(jī)組的正常運(yùn)行,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。由于進(jìn)系統(tǒng)所有的信號(hào)全部采用模擬信號(hào),實(shí)現(xiàn)了趨勢(shì)的跟蹤,對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障檢測(cè)和分析帶來(lái)益處。通訊光纜的使用提高了系統(tǒng)的抗干擾性,保證了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行,滿足在現(xiàn)場(chǎng)巡檢和開(kāi)車(chē)的基本要求。此外,正壓防爆柜也滿足了系統(tǒng)的防爆要求。

2 主要硬件配置

a)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)配置三個(gè)獨(dú)立的控制器,以構(gòu)成完整的具有三重冗余容錯(cuò)功能的控制站。每個(gè)控制器均采用雙32位,50 MHz的主處理器,配置雙口16MB DRAM和6MB的 Flash PROM,具有硬件表決和比較電路,支持SOE數(shù)據(jù)的采集和在線維護(hù)。三套獨(dú)立的控制器都能在線插拔、更換?？刂葡到y(tǒng)與工程師站、SOE站、操作站之間采用冗余以太網(wǎng)通信。

Tricon系統(tǒng)的控制站配置了調(diào)速、防喘振等專用控制軟件包。信號(hào)從輸入卡到控制器,經(jīng)程序處理到輸出,全過(guò)程時(shí)間小于50 ms。

b)模擬量輸入模塊。采用差分輸入,DC耦合,分電路隔離,12位分辨率。模件內(nèi)具有三個(gè)相互完全隔離并獨(dú)立工作的分電路,每個(gè)分電路從輸入點(diǎn)接受電壓信號(hào),并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)送給三個(gè)主處理器。AI卡的各通道都具有獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換器。

c)模擬量輸出模塊。12位分辨率,DC耦合。模擬輸出模件三條分電路從對(duì)應(yīng)的主處理器接收輸出信號(hào);每一組數(shù)據(jù)都進(jìn)行表決,選出一條良好的分電路以驅(qū)動(dòng)輸出。模件的每一分電路都檢驗(yàn)?zāi)M信號(hào)的精度和負(fù)載是否存在分電路的選擇。AO卡的各通道都具有獨(dú)立的D/A轉(zhuǎn)換器。AO輸出端子(ETP)為通用型,既可有源輸出,也可無(wú)源輸出。

d)數(shù)字量輸入模塊。隔離型DI,模件內(nèi)具有三個(gè)相互完全隔離并獨(dú)立工作的分電路;Tricon和現(xiàn)場(chǎng)間全部光電隔離;具有測(cè)試“STUCK ON”(指模件無(wú)法檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)斷開(kāi))現(xiàn)象能力;來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的干接點(diǎn)信號(hào)直接接至 ETP端子板。DI卡輸入端能承受220 VAC,50 Hz的過(guò)電壓。

e)數(shù)字量輸出模塊。隔離型DO,觸點(diǎn)輸出。模件內(nèi)具有三個(gè)相互完全隔離并獨(dú)立工作的分電路,使用專門(mén)的“方型表決器”,對(duì)每個(gè)輸出信號(hào)在它們送至負(fù)載之前進(jìn)行表決;OVD診斷(輸出表決器診斷)確保完全的故障覆蓋率。所有DO信號(hào)經(jīng)繼電器轉(zhuǎn)換后送至現(xiàn)場(chǎng)電磁閥,MCC或其他地方。DO卡輸出端能承受220 VAC,50 Hz的過(guò)電壓,輸出負(fù)載能力為24 VDC,2A/點(diǎn),ETP帶保險(xiǎn)絲。

3 軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)丙烯腈冷凍壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)的重整,首要任務(wù)是對(duì)原控制程序的研讀,在充分理解原PLC程序控制思想的基礎(chǔ)上,根據(jù)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn),用TRISTATION 1131 V4.4作為 TRICON系統(tǒng)的基本軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),糾正原控制策略的不足和錯(cuò)誤部分,在復(fù)制和重現(xiàn)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化原系統(tǒng)所有的控制邏輯和功能,豐富人機(jī)界面信息和操作指導(dǎo)信息。機(jī)組控制軟件包主要包括:防喘振控制、速度控制、抽汽控制、性能控制等模塊。

通信功能由通信模塊(4351)實(shí)現(xiàn),該模塊支持標(biāo)準(zhǔn) Modbus通信協(xié)議,每個(gè)4351卡共有4個(gè)RS-232/485串行通信口,其中一個(gè)BNC接口支持802.3以太網(wǎng)協(xié)議,可連接工程師站、操作站、SOE站;另一個(gè)BNC接口用于 Tricon系統(tǒng)間的PEER TO PEER通信和時(shí)種同步。

Tricon系統(tǒng)主處理器可分配16個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域,用于SOE的記錄存儲(chǔ),最大記錄1×105個(gè)事件,可保存一個(gè)月以上的歷史數(shù)據(jù),SOE分辨率為毫秒級(jí),記錄文件可存儲(chǔ)在硬盤(pán)中作為永久保存,并可打印出來(lái)。SOE站不僅能記錄各報(bào)警、動(dòng)作事件,還能記錄模擬量信號(hào)和歷史趨勢(shì)。SOE站滿足所有種類數(shù)據(jù)的記錄需要,可由用戶選定記錄的參數(shù)、采樣時(shí)間和記錄長(zhǎng)度,并可對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行編排處理和調(diào)用。硬盤(pán)容量滿足全部事件記錄需要量2倍以上的容量,且可轉(zhuǎn)存到其他存儲(chǔ)設(shè)備上。

Tricon系統(tǒng)的自診斷可以在線監(jiān)測(cè)所有卡件和I/O通道電路的狀態(tài),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的掃描時(shí)間和內(nèi)存使用情況。

4 操作站運(yùn)行畫(huà)面設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有獨(dú)立的操作站,監(jiān)控軟件選用Wonderware公司的Intouch軟件,其系統(tǒng)平臺(tái)基于Win XP操作系統(tǒng),該軟件通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)與控制器通信,確保數(shù)據(jù)的及時(shí)刷新,從而更好地實(shí)現(xiàn)操作人員監(jiān)控和操作。主要操作畫(huà)面有:流程圖畫(huà)面,機(jī)組順控啟動(dòng)畫(huà)面,調(diào)速畫(huà)面,壓縮機(jī)喘振控制畫(huà)面,實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫(huà)面和歷史趨勢(shì)畫(huà)面,報(bào)警歷史畫(huà)面。

5 結(jié)束語(yǔ)

改造后壓縮機(jī)機(jī)組控制系統(tǒng)性能較改造前明顯提高,主要體現(xiàn)在:

a)系統(tǒng)掃描時(shí)間小于35 ms,滿足了API612的標(biāo)準(zhǔn)。

b)調(diào)速效果良好,現(xiàn)速度的平穩(wěn)性在10轉(zhuǎn)左右,完全滿足了速度的平穩(wěn)控制要求。系統(tǒng)簡(jiǎn)化,省略了WOODWARD505和Pro Tech 203超速保護(hù)系統(tǒng)等單機(jī)儀表,超速保護(hù)、連鎖保護(hù)等功能的調(diào)試與工藝吻合,大大提高了可靠性。

c)加入了自診斷功能,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的異常短路和斷路加以識(shí)別,任何硬件的單點(diǎn)故障都不會(huì)造成系統(tǒng)失效,避免由于設(shè)備原因而導(dǎo)致的停車(chē)。

d)控制回路全部投入自動(dòng)控制后,運(yùn)行平穩(wěn),并通過(guò)對(duì)機(jī)組的能量平衡控制方案優(yōu)化,真正達(dá)到了YORK所謂的機(jī)組能量平衡控制方案,達(dá)到了顯著節(jié)能效果。

e)增加了機(jī)組的維護(hù)畫(huà)面,為機(jī)組的維護(hù)和檢查提供了極大的方便,每次開(kāi)機(jī)都能做到一次成功。

f)毫秒級(jí)的SOE功能將為故障及事件分析提供了極大幫助。

二年來(lái)運(yùn)行良好。

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