吳景寶，楊啟明，蘇國軍

(1.中石油塔里木油田塔西南公司儀表運行維護工程部，新疆 澤普 844804；2.中石油塔里木油田塔西南新海公司，新疆 澤普 844804)

Tricon TS3000系統(tǒng)在澤普化肥廠合成氣壓縮機組的應用

吳景寶，楊啟明2，蘇國軍

(1.中石油塔里木油田塔西南公司儀表運行維護工程部，新疆 澤普 844804；2.中石油塔里木油田塔西南新海公司，新疆 澤普 844804)

主要介紹了Tricon TS3000 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及其軟、硬件配制,分析了Tricon TS3000系統(tǒng)實現(xiàn)機組防喘振控制和超速保護控制的方法。

高性能可編程序控制器；三重化；喘振；超速保護

新疆澤普化肥廠合成氨裝置合成氣壓縮機組是由沈陽鼓風機廠生產(chǎn)的一單吸入蒸汽透平驅(qū)動的多級離心式壓縮機，其透平的控制采用了美國Triconex公司生產(chǎn)的TriconTS3000控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件性能穩(wěn)定可靠，軟件功能豐富齊全，完全能滿足機組控制需求，本文將主要分析TriconTS3000的特點及其實現(xiàn)機組防喘振控制和超速保護控制的過程。

1 TS3000硬件結(jié)構(gòu)

TriconTS3000是一種高性能的可編程控制器，具有高水平系統(tǒng)冗余容錯能力。它的容錯能力是通過三重化模件冗余(TMR)結(jié)構(gòu)來完成的，TMR控制技術(shù)具有高可靠性、高可用性、無單點故障等特點。TriconTS3000不論其部件的硬件故障或者是內(nèi)部或外部的瞬時故障都能做到無差錯，不會中斷控制過程。如圖1所示，它的結(jié)構(gòu)從輸入模件經(jīng)主處理器到輸出模件完全是3重化的，每個I/O模件內(nèi)部有3個獨立的分電路，輸入模件的每個分電路讀入數(shù)據(jù)并將此信息送到各個主處理器，3個主處理器可利用其專有的高速的3條總線(Tribus)進行相互之間的通訊。每掃描一次，3個主處理器通過3條總線與其相鄰的2個主處理器進行通訊，達到同步；同時3條總線可對其數(shù)字輸入數(shù)據(jù)進行表決，對輸出數(shù)據(jù)進行比較，把模擬輸入數(shù)據(jù)復制并送到每個主處理器；主處理器執(zhí)行各種控制算法，算出輸出值送到各輸出模件。輸出數(shù)據(jù)的表決是在輸出模件中完成的，這樣可使其盡可能與現(xiàn)場靠近，并對3條總線表決與驅(qū)動現(xiàn)場的最終輸出之間可能發(fā)生的任何錯誤進行監(jiān)測和補償具體冗余容錯工作方式：(1)I/O模件是3-2-0工作方式。即對數(shù)字量是3選2輸出；對模擬量是3選中輸出。如果1個分電路故障，則2個好的分電路取平均值輸出；如果2個分電路故障，剩下的分電路也將無法工作。(2)主處理器是3-2-1工作方式，當只剩下1個主處理器正常時，此主處理器仍能工作，只是失去了判斷比較功能。

圖1 TS3000控制器三重化結(jié)構(gòu)圖

2 TriconTS3000系統(tǒng)配置情況和控制功能

2.1 硬件配置

系統(tǒng)硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括主機架、擴展機架、電源模塊、處理器模塊、智能通訊模塊(EICM)、網(wǎng)絡通訊模塊(NCM)及集線器(HUB)、輸入/輸出模塊及安全柵等相應附件。系統(tǒng)根據(jù)點數(shù)的多少來配置一個主機架、一個或多個擴展機架，組成不同規(guī)模的系統(tǒng)。

2.2 軟件配置

下位機組態(tài)軟件：Tristation1131，Version：3.1.3，配機組用擴展函數(shù)，S/NNO：3.10。上位機組態(tài)軟件：WonderwareInTouch，Version：9.5中文版。

2.3 控制功能

該系統(tǒng)主要實現(xiàn)合成氣壓機組的控制及邏輯保護功能，主要控制回路：蒸汽透平速度和吸入壓力控制，密封油差壓控制，壓縮機喘振控制，負荷控制，超速保護控制；自保聯(lián)鎖控制：機組允許啟動，機組聯(lián)鎖跳車。

3 TS3000機組控制系統(tǒng)的防喘振控制功能

防喘振控制系統(tǒng)就是要保證離心式壓縮機在任何工況下都工作在安全操作區(qū)，以防止喘振現(xiàn)象的發(fā)生。目前采用的方法有固定極限流量法和可變極限流量法，這兩種方法都是用打回流的方法，使壓縮機的出口流量部分回流至入口，以便使入口流量保持大于喘振點流量?？勺儤O限流量法，是使入口流量的給定值按一定要求隨操作條件而變化，使離心式壓縮機在任何工況下都具有相同的防喘振裕度，即沿安全操作線工作，這樣在低轉(zhuǎn)速下操作，回流量也會減少，提高了壓縮機的工作效率，降低了能量消耗。

澤普塔西南化肥廠合成氨裝置合成氣壓縮機組是四級壓縮機，在合成氣壓縮機起動時循環(huán)閥A(FV7)，B(FV8)，C(FV59)被打開來防止壓縮機喘振。當最小控制器速度達到時，循環(huán)閥將被手動關閉或喘振控制算法間歇地關閉它們。壓縮機在每級都能獨立地用TS3000喘振算法打開循環(huán)閥A、B、C分別對應1、2、3級，以便當操作點處于每一級喘振控制線左側(cè)時為防止喘振，保護壓縮機。對于每級的喘振控制點的計算是根據(jù)每一級對應的流量測量值FE7，F(xiàn)E8，F(xiàn)E59和對應的每一級壓力和溫度計算所得到的。第三級的質(zhì)量流量是通過第二級質(zhì)量流量加上第三級入口流量得到，第三級的入口溫度是來自第二級出口溫度和第三級入口溫度而來。第二級出口壓力和第三級入口壓力一致。喘振控制曲線如下圖：

喘振控制器由標準喘振控制軟件包組成，從HMI(人機界面)上可以選擇3種工作模式：

(1)AUTO：自動模式，模塊的輸出為 TS3000防喘振算法控制輸出；

(2)PARTIAL：半自動模式，模塊的輸出在TS3000輸出和MANUAL之間進行高選，比較后輸出；

(3)MANUAL：全手動模式，輸出為HMI手動，此時防喘振控制失效，故建議正常運行時不要選此模式。

喘振控制器具有如下功能：

(1)采用壓比算法的喘振曲線；

(2)正常運行時，若工作點突然移向喘振區(qū)，喘振設定值徘徊功能將打開回流閥(防喘閥)；

(3)喘振控制器有適配增益和快開、慢關功能；

(4)比例功能可忽略控制器的調(diào)節(jié)，強制打開回閥；

(5)速度控制器和喘振控制器進行耦合控制，必要時可進行解耦；

(6)使用自動、半自動、全手動控制功能，可使故障檢測和調(diào)試變得便利；

(7)如果突然發(fā)生喘振或聯(lián)鎖停車，用開關量信號使電磁閥動作，快速打開防喘閥；

(8)發(fā)生喘振后，防喘控制線自動向右移2%(可以修改)。

以下說明TS3000系統(tǒng)實現(xiàn)防喘振控制的方法。

TS3000系統(tǒng)防喘振控制技術(shù)利用壓縮機入口流量、出口壓力、入口壓力來定義操作點、喘振曲線和喘振控制曲線，判斷喘振的發(fā)生情況，利用其專用的機組用擴展函數(shù)來檢測喘振的發(fā)生情況并做出相應的防喘振控制，大大提高了喘振檢測的準確性，靈敏度。TS3000控制系統(tǒng)的喘振控制方法可用功能框圖2來形象地表達，圖2中每一個模塊都定義一種具體的控制功能，各種控制功能之間相互作用，構(gòu)成一個完整的防喘振控制系統(tǒng)。

圖2 防喘振控制功能框圖

(1)SurgeLine：利用 pd/ps～h/ps喘振算法，確定機組喘振曲線。

(2)SafetyMargin：計算出機組喘振裕度。

(3)Recal：喘振裕度校驗。如機組發(fā)生喘振，說明喘振安全裕度設的不太準確，需自動重新進行調(diào)整。氣壓機組喘振裕度為 9%，機組每發(fā)生一次喘振，喘振控制曲線向右平移2%，最多移動6%，復位后恢復到原來的位置。

(4)ControlLine：生成喘振控制曲線，即喘振曲線加總喘振安全裕度得到喘振控制曲線。

(5)TotalSafetyMargin：喘振安全裕度與喘振裕度校驗之和即為總喘振安全裕度。

(6)SurgeDetect：監(jiān)測工作點離喘振控制曲線的遠近情況。

(7)SPHover：計算出喘振控制器的設定值。

喘振控制器的設定值根據(jù)工作點的變化而變化，如工作點位于喘振控制線的右邊，改設定值與工作點的距離為某一設定值，一般為2%～3%。如工作點位于喘振控制線的左邊，則與喘振控制線進行高選，來確定喘振控制器的設定值。

(8)Manul：手動控制模塊。

(9)SurgePID：喘振控制器，這是一個快速PID控制器，根據(jù)喘振控制器的設定值及工作點來計算出輸出值。一旦工作點向左移動進入控制線左側(cè)，喘振控制器的PID開始起作用。

(10)ProportionalTerm：比例控制器，工作點向左移動進入控制線左側(cè)，繼續(xù)向左越過比例控制線就會使得比例控制起作用。氣壓機組喘振線右側(cè)6.3%的位置為比例控制線。

(11)ValveSelector：選擇喘振控制程序的輸出值，即在快速PID控制器的輸出值、比例控制器的輸出值、手動控制模塊的輸出值三者之間進行高選，輸出控制信號給防喘振控制閥。

4 TS3000機組控制系統(tǒng)的超速保護功能

轉(zhuǎn)速控制的目的是使汽輪機輸出功率與負荷保持平衡，當負荷增加時調(diào)速系統(tǒng)開大氣門，增大進氣量，保持在負荷變化時汽輪機的正常轉(zhuǎn)速。另外當負荷突然減小時，調(diào)速系統(tǒng)也要防止轉(zhuǎn)速急速升高。氣壓機組超速保護功能實現(xiàn)過程如下。

(1)速度信號選擇處理。速度探頭的選擇采用了Triconex的擴展函數(shù)SPEED_SELECT02功能塊?，F(xiàn)場共有6支轉(zhuǎn)速探頭，其中3個作為速度調(diào)節(jié)之用，另外3個直接進三取二超速保護裝置，中間沒有任何轉(zhuǎn)換裝置，因此保護是有效可靠的。而該功能塊最多可以輸入4個轉(zhuǎn)速探頭信號，因此，用了2個 SPEED_SELECT02功能塊。每個速度選擇功能塊的基本算法：4個探頭信號均正常，選擇第二高的速度值；3個探頭信號均正常，選擇中間速度值；2個探頭信號均正常，選擇高速度值；1個探頭信號正常，選擇其自身速度值。

當機組轉(zhuǎn)速大于500 r·min-1后，任何1支小于200r·min-1的探頭都被認為故障且不參與選擇，直到重新恢復正常為止；任何1支轉(zhuǎn)速探頭故障都會產(chǎn)生報警標志，同時發(fā)出聲音報警。任何2支轉(zhuǎn)速探頭的轉(zhuǎn)速差大于200 r·min-1時，同樣產(chǎn)生報警。當轉(zhuǎn)速大于等于 9050 r·min-1時，產(chǎn)生超速聯(lián)鎖標志并聯(lián)鎖跳車。

(2)轉(zhuǎn)速 PID控制。其目標設定值由 Triconex的擴展函數(shù) SRAMP03功能塊來提供。SRAMP03是Triconex開發(fā)的專門用于速度控制的斜坡函數(shù)。在此項目中，正常的升降速速率設為1000r/min，升降按鈕所用的速率為600r/min，沖臨界轉(zhuǎn)速的速率為5000r/min；臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域為2700～4650r/min。聯(lián)鎖停車時，直接將SRAMP03模塊的輸入目標值強制為0。允許啟動后目標值設為1500r/min，直到解除惰性轉(zhuǎn)速后才可以繼續(xù)升速。轉(zhuǎn)速PID控制采用了Triconex的專用速度PID擴展函數(shù)VPID03功能塊，VPID03功能塊的設定值輸入是 SRAMP03功能塊的輸出，聯(lián)鎖停車時，直接將VPID03模塊的輸出強制為0。

當機組處于轉(zhuǎn)速控制時(轉(zhuǎn)速在5585～8380r·min-1之間)，VPID03具有比例、積分、微分功能，若機組處于壓縮機入口壓力控制時，VPID03模塊只完成一項功能，就是其設定值輸入跟蹤測量反饋值。

5 結(jié)語

用TRICONTS3000系統(tǒng)實現(xiàn)壓縮機組控制，從系統(tǒng)設計上講，具有完善的綜合安全性能和高可用性，TRICON系統(tǒng)達到了IEC61508設備使用安全標準暫行條例規(guī)定的3級標準，并獲Tuv安全標準第 5、6級的標準認證。與老裝置控制、聯(lián)鎖系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有邏輯功能強大，實現(xiàn)起來靈活，沒有過多的硬接線，故障率低，并將透平調(diào)速控制、防喘振控制、自保聯(lián)鎖邏輯控制等整合為一體，給操作人員提供了直觀、豐富、醒目的信息和靈活、方便、快捷的操作手段，給維護人員提供了方便的診斷方法和事故追憶功能，大大提高了裝置的管理和控制水平。

Application of Tricon TS3000 System in Synthesis Gas Compressor

WU Jing-bao, YANG Qi-ming, SU Guo-jun
(Tarim Oilfield, PetroChina, Poskam 844004, China)

TQ 113.2

B

1671-9905(2010)09-0054-04

吳景寶(1979 - ) ,男 ,吉林長春人，助理工程師,畢業(yè)于中國石油大學（華東）信息與控制工程學院自動化專業(yè),現(xiàn)在新疆塔里木油田塔西南公司儀表運行維護工程部從事儀表維護工作，電話：13899127362， 0998-7585774，郵箱：wujb-txn@petrochina.com.cn

2010-05-13