姜 漫

（中國石油大慶石化公司化工三廠，黑龍江大慶163714）

關(guān)鍵字：ITCC系統(tǒng)；冗余容錯(cuò)；人機(jī)界面；TSxPlus系統(tǒng)平臺(tái)

某苯乙烯裝置PC271 壓縮機(jī)機(jī)組控制系統(tǒng)1996 年投用，調(diào)節(jié)回路采用氣動(dòng)調(diào)節(jié)器和現(xiàn)場(chǎng)氣動(dòng)儀表；機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)采用本特利的3300 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；調(diào)速控制采用TRICONEX 的TS310 調(diào)速器；安全聯(lián)鎖采用AB 的Logix5000 系列PLC。但由于設(shè)備老化，故障頻繁，而且沒有備件供應(yīng)，給安全生產(chǎn)造成諸多隱患。所以須對(duì)PC271 壓縮機(jī)機(jī)組控制系統(tǒng)全部更新，確定控制系統(tǒng)更換為美國TRI-SEN 公司的ITCC 系統(tǒng)。更換后經(jīng)過2 年的運(yùn)行觀察，該ITCC 系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了所有生產(chǎn)過程的控制及安全功能，而且系統(tǒng)硬件穩(wěn)定性更好，操作更靈活快捷，報(bào)警的捕捉以及生產(chǎn)的監(jiān)控更便捷高效［1］。

1 ITCC系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)全稱為綜合透平壓縮機(jī)控制系統(tǒng)（Integrated Turbo & Compressor Control System，即ITCC）主要采用集成TRICON 系統(tǒng)硬件和TSxPlus系統(tǒng)平臺(tái)，提供具有國際先進(jìn)水平的冗余容錯(cuò)式安全和關(guān)鍵控制系統(tǒng)，保證壓縮機(jī)PC271 正常生產(chǎn)的轉(zhuǎn)速控制、PID 控制、安全聯(lián)鎖與報(bào)警、事故安全聯(lián)鎖動(dòng)作和投運(yùn)顯示等基本功能［2］。

此外ITCC 系統(tǒng)在保障原控制系統(tǒng)所有功能的基礎(chǔ)上，還具有4個(gè)技術(shù)特點(diǎn)：

（1）更安全，采用三重冗余，單一故障不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的安全功能喪失；

（2）故障診斷覆蓋率大，能夠檢測(cè)并預(yù)防潛在的危險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)從傳感器到執(zhí)行元件整個(gè)回路的安全性設(shè)計(jì)，具有I/O短路、斷線等診斷功能；

（3）響應(yīng)速度更快，從輸入變化到輸出變化的響應(yīng)時(shí)間一般在15 ms以內(nèi)；

（4）程序易修改、更靈活，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)備的實(shí)際需求對(duì)軟件組態(tài)程序進(jìn)行修改。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)TSxPlus 系統(tǒng)采用先進(jìn)的TMR構(gòu)架，三重化冗余容錯(cuò)硬件體系，其主處理器和I/O 卡件完全三重化。同時(shí)，系統(tǒng)還具有SOE事故記錄功能，分辨率為ms級(jí)，DI、AI模塊本身均支持SOE功能。

1.2.2 主處理器數(shù)據(jù)流每個(gè)I/O 包括獨(dú)立的三系，輸入模塊每系讀取輸入數(shù)據(jù)，通過IP_BUS 發(fā)送給本系過程控制管理站［2］。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流見圖1。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

三系PM 通過PM_BUS 交換輸入數(shù)據(jù)，每系PM 分別對(duì)三份輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行表決，得到的結(jié)果用于用戶程序的運(yùn)算，分別得到每系的輸出數(shù)據(jù)。

每系PM 分別將本系輸出數(shù)據(jù)通過IP_BUS發(fā)送給DO，DO 將三系輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三系輸出信號(hào)，通過硬件表決電路，得到表決后的輸出信號(hào)。

AO 從三系PM 收到輸出數(shù)據(jù)后，將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)。三系采用切換式輸出，即任一時(shí)刻僅有一系輸出電流，另外兩系不輸出。

1.3 系統(tǒng)配置

基本的控制系統(tǒng)包括PM，CM 及I/O，模塊外圍機(jī)架，現(xiàn)場(chǎng)連線及PC。

每個(gè)模塊作為現(xiàn)場(chǎng)可更換單元，安裝在機(jī)架內(nèi)，模塊均具備防混淆設(shè)計(jì)。模塊外殼采用金屬材質(zhì)，模塊覆蓋保護(hù)層以確保當(dāng)模塊被移出機(jī)架時(shí)器件不被暴露在外。系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)字量及模擬量輸入輸出，脈沖量輸入及多種通信協(xié)議［3］。

2 系統(tǒng)運(yùn)行及主要特性指標(biāo)

2.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量

機(jī)組的轉(zhuǎn)速探頭信號(hào)接入ITCC 控制系統(tǒng)的高精度脈沖卡，可使轉(zhuǎn)速測(cè)量精度達(dá)到0.01%。

轉(zhuǎn)速探頭信號(hào)以3-2-1-0 降級(jí)順序工作，在機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，采用中選或高選算法選擇轉(zhuǎn)速探頭信號(hào)，而當(dāng)蒸汽閥開到一定開度而轉(zhuǎn)速卻未到設(shè)定的最小值時(shí)（轉(zhuǎn)速測(cè)量異常情況），機(jī)組會(huì)聯(lián)鎖停機(jī)并報(bào)警。

2.2 系統(tǒng)特性

TSxPlus 是基于硬件容錯(cuò)安全控制技術(shù)的邏輯與過程控制系統(tǒng)，為確保最高可能的系統(tǒng)完整性，該系統(tǒng)具有5個(gè)特性：

（1）系統(tǒng)正常運(yùn)行中可進(jìn)行模塊級(jí)現(xiàn)場(chǎng)安裝和維護(hù)，更換I/O不需拆卸現(xiàn)場(chǎng)接線；

（2）提供智能化輸入輸出模塊降低了PM 的負(fù)荷。每個(gè)I/O 包括3 個(gè)MCU，輸入模塊MCU 對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，并能診斷模塊自身硬件故障。輸出模塊MCU 對(duì)3 系輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提供給硬件表決電路，并對(duì)回讀檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷，進(jìn)行最終輸出的確認(rèn)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)連線進(jìn)行診斷；

（3）OSP 配合FTA，既可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的工業(yè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的超速保護(hù)功能，也可實(shí)現(xiàn)脈沖量輸入采集功能。超速保護(hù)功能可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)無需PM參與；

（4）PM 支持在線更換，更換后的PM 會(huì)自動(dòng)從其他工作PM 上同步工程、運(yùn)行數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)，同步完成后，新PM自動(dòng)運(yùn)行；

（5）冗余I/O 支持無擾切換，不影響現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備正常運(yùn)行。

2.3 冗余容錯(cuò)

當(dāng)主控制器出現(xiàn)故障時(shí)，控制器的全部數(shù)據(jù)和功能將自動(dòng)切換到冗余備用控制器，切換過程低于1 s。當(dāng)主控制器和備用控制器同時(shí)產(chǎn)生故障時(shí)，系統(tǒng)輸出保持在最后時(shí)刻的輸出數(shù)值，或者是處在預(yù)先設(shè)定的故障安全狀態(tài)［3］。

3 應(yīng)用效果

3.1 人機(jī)界面

更換后采用HMI（工程師站）和觸摸屏為設(shè)備提供人機(jī)接口。

觸摸屏安裝于現(xiàn)場(chǎng)操作間機(jī)柜上，HMI 安裝于DCS 控制室用于遠(yuǎn)程監(jiān)控，操作員還能通過觸摸屏以及遠(yuǎn)程HMI 對(duì)機(jī)組進(jìn)行調(diào)整轉(zhuǎn)速、PID 控制、壓縮機(jī)啟停機(jī)等操作。經(jīng)過2年的壓縮機(jī)啟停車和正常生產(chǎn)操作應(yīng)用證明，觸摸屏人機(jī)界面、HMI 遠(yuǎn)程操作畫面信息顯示齊全，采用對(duì)話框交互式確認(rèn)操作，減少了操作錯(cuò)誤的幾率，為操作人員的監(jiān)盤和操作提供了便利條件。

3.2 PID控制

壓縮機(jī)的密封蒸汽壓差控制、循環(huán)水冷卻溫度控制、密封氮?dú)鈮翰羁刂频然芈吩瓉聿捎玫氖菤鈩?dòng)調(diào)節(jié)控制回路，其阻尼時(shí)間大、控制精度不高，本次改造為PID控制回路，參數(shù)控制更準(zhǔn)確，控制精度更高，不僅在現(xiàn)場(chǎng)操作間的觸摸屏可對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，而且還升級(jí)為遠(yuǎn)程HMI 可控制設(shè)定，操作員能第一時(shí)間對(duì)突發(fā)情況處置操作，更有效的防止事故事件的發(fā)生，另外，取消氣動(dòng)調(diào)節(jié)回路，有助于企業(yè)節(jié)約能源，降低儀表風(fēng)消耗。

3.3 SOE功能

工程師站兼SOE 站，兼操作員站，安裝于DCS控制室內(nèi)。相較原PLC 控制系統(tǒng)，ITCC 控制系統(tǒng)新增了SOE 功能（順序事件記錄），可在線記錄系統(tǒng)的各類報(bào)警及動(dòng)作事件，存入硬盤，供查詢、追溯和打印。同時(shí)，增加了GPS 時(shí)鐘，報(bào)警及停機(jī)事件的記錄具有精準(zhǔn)的時(shí)間標(biāo)記，并按事件發(fā)生時(shí)間順序記錄，更有助于儀表維護(hù)人員對(duì)故障原因快速定位，提高問題判斷的準(zhǔn)確性。

3.4 系統(tǒng)集中優(yōu)化

調(diào)速器、安全聯(lián)鎖PLC 系統(tǒng)、氣動(dòng)控制回路、盤裝數(shù)字顯示儀表、3300 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)五大模塊整合優(yōu)化后，用1 套ITCC 控制系統(tǒng)和3500 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以上全部調(diào)控及可視化監(jiān)控功能［4］。

整合優(yōu)化后，系統(tǒng)自動(dòng)化程度提高，系統(tǒng)不僅各功能得到升級(jí)，而且設(shè)備集中化將大大降低運(yùn)行維護(hù)的故障點(diǎn)，發(fā)生異?；蚬收虾蠹夹g(shù)人員能快速查找并及時(shí)排除故障，提高工作效率，同時(shí)，優(yōu)化后的機(jī)組控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組狀態(tài)報(bào)警信息，提前發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，達(dá)到預(yù)檢修的目的，提高了設(shè)備運(yùn)行長周期，降低了運(yùn)行維護(hù)難度。

另外，3300 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)為3500 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，告別棒狀指示、按鈕查看、報(bào)警無記錄、系統(tǒng)無診斷的落后時(shí)代，優(yōu)化狀態(tài)監(jiān)測(cè)的信息管理與故障維護(hù)，提供操作人員更多的機(jī)械保護(hù)信息、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警事件追憶、計(jì)算機(jī)編程組態(tài)等，同時(shí)能與ITCC 控制系統(tǒng)通訊，將機(jī)組的內(nèi)部監(jiān)測(cè)溫度、軸振動(dòng)、軸位移等設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，在人機(jī)界面中顯示，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組內(nèi)部“可視化”。

3.5 轉(zhuǎn)速控制

3.5.1 啟機(jī)與停機(jī)系統(tǒng)更新優(yōu)化了機(jī)組啟停機(jī)模式，手/自動(dòng)2 種啟機(jī)和停機(jī)模式，實(shí)現(xiàn)了一鍵自動(dòng)啟機(jī)，操作員不用再一直在調(diào)速器上按著升速按鈕，操作更簡便、人性化，手/自動(dòng)模式可實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。

3.5.2 臨界轉(zhuǎn)速避免系統(tǒng)程序內(nèi)設(shè)置了2 個(gè)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域，在啟動(dòng)過程中汽輪機(jī)將以設(shè)置的較快的速率快速通過臨界區(qū)，此速率可根據(jù)不同汽輪機(jī)廠家給出的設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

3.5.3 正常操作啟機(jī)暖機(jī)后，加速到設(shè)置的正常轉(zhuǎn)速控制范圍后，操作員可通過人機(jī)界面上的手自動(dòng)開關(guān)以及遠(yuǎn)程/就地切換開關(guān)，選擇DCS 系統(tǒng)工藝參數(shù)為主回路，此時(shí)由性能控制器串級(jí)控制轉(zhuǎn)速回路，以達(dá)到控制工藝參數(shù)的目的，另外也可選擇由操作員設(shè)定控制轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.5.4 超速保護(hù)與測(cè)試如果需要測(cè)試超速保護(hù)功能，可通過超速試驗(yàn)允許/禁止切換開關(guān)選擇，此時(shí)允許超越最大控制轉(zhuǎn)速驗(yàn)證超速保護(hù)功能。超速試驗(yàn)將分別測(cè)試ITCC 的電子跳車和設(shè)備機(jī)械跳車功能。操作員可通過電子跳車/機(jī)械跳車切換開關(guān)選擇［5］。

4 結(jié)束語

ITCC壓縮機(jī)控制系統(tǒng)是經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)的先進(jìn)的、高可靠性的常規(guī)控制系統(tǒng)+調(diào)速專用的機(jī)組控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的系統(tǒng)控制功能、機(jī)組調(diào)速與監(jiān)測(cè)和設(shè)備安全聯(lián)鎖停機(jī)，充分滿足了石油化工企業(yè)的需求。ITCC機(jī)組控制系統(tǒng)獨(dú)立于其他控制系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)人身保護(hù)、環(huán)境保護(hù)、工廠和設(shè)備保護(hù)的功能，同時(shí)還具有操作監(jiān)督方便、危險(xiǎn)分散、功能分散等先進(jìn)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，ITCC 機(jī)組控制系統(tǒng)為裝置平穩(wěn)生產(chǎn)起到強(qiáng)有力的保障。