傅華軍，李智慧

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300459)

1 研究背景

海上某生產(chǎn)平臺(tái)設(shè)置有2 臺(tái)螺桿式低壓氣回收機(jī)用于對(duì)工藝流程中的低壓伴生氣進(jìn)行提壓回收，以此來降低平臺(tái)的碳排放。低壓氣回收機(jī)采用西門子S7-300PLC 控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)、閥門控制、機(jī)組啟停和邏輯關(guān)斷保護(hù)功能。

PLC 控制系統(tǒng)作為機(jī)組控制的神經(jīng)中樞，重要性不言而喻，安全問題變得越來越突出。這是由于PLC 故障輕則發(fā)生局部死機(jī)，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來影響；重則引起整個(gè)工藝流程的波動(dòng)，甚至引發(fā)整個(gè)生產(chǎn)的安全事故[1]。

在一次低壓回收機(jī)報(bào)故障停機(jī)后，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)控制盤屏參數(shù)均顯示為亂碼，指示燈顯示停機(jī)而實(shí)際情況是進(jìn)出口閥門關(guān)閉、輔機(jī)停機(jī)，但主電機(jī)未停機(jī)仍在運(yùn)行，且伴有機(jī)組高溫現(xiàn)象，立即通過配電盤斷電使電機(jī)停止。結(jié)合故障現(xiàn)象和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)邏輯進(jìn)行深度分析，發(fā)現(xiàn)程序存在設(shè)計(jì)缺陷，在控制系統(tǒng)PLC故障的情況下未能確保系統(tǒng)安全停車，該情況發(fā)生如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處置將會(huì)對(duì)設(shè)備帶來重大安全風(fēng)險(xiǎn)，不符合故障安全型設(shè)備設(shè)計(jì)的理念，需對(duì)控制系統(tǒng)程序進(jìn)行改造優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的完好性和有效性。

本文總結(jié)介紹了儀控系統(tǒng)邏輯優(yōu)化的成功案例。

2 邏輯改造優(yōu)化技術(shù)方案

2.1 低壓機(jī)儀控系統(tǒng)介紹

低壓氣回收機(jī)控制系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、儀控信號(hào)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、閥門控制、機(jī)組啟停和邏輯關(guān)斷保護(hù)功能，其中邏輯關(guān)斷有進(jìn)出口壓力高高低低信號(hào)、機(jī)體和軸承溫度高高信號(hào)、電機(jī)繞組和軸承溫度高高信號(hào)、潤(rùn)滑壓力低低信號(hào)，同時(shí)還設(shè)計(jì)有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)停機(jī)、急停按鈕，ESD 系統(tǒng)發(fā)出的一二三級(jí)關(guān)停信號(hào)。按照本質(zhì)安全設(shè)計(jì)，在控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)也必須保證機(jī)組正常關(guān)停。

正常情況下，在故障停機(jī)、人為停機(jī)、緊急停機(jī)后，必須通過控制盤的復(fù)位按鈕進(jìn)行復(fù)位操作才能重新啟動(dòng)機(jī)組。

2.2 主機(jī)不停機(jī)原因分析

根據(jù)圖紙確認(rèn)PLC 啟停機(jī)控制由輸出繼電器J22 進(jìn)行控制(圖1)。啟機(jī)測(cè)試時(shí)，手動(dòng)將PLC 撥到Stop 狀態(tài)，測(cè)量繼電器J22 的觸點(diǎn)一直處于常閉狀態(tài)。分析原因?yàn)镴22 使用常閉觸點(diǎn)，但當(dāng)PLC 由Run切換至Stop 狀態(tài)時(shí)，PLC 無(wú)法輸出信號(hào)使J22 得電將其常閉觸點(diǎn)斷開，因此無(wú)法達(dá)到停機(jī)的目的。查看PLC 主機(jī)停車設(shè)計(jì)程序，以便對(duì)原因進(jìn)一步確認(rèn)。通過程序可以看出，當(dāng)出現(xiàn)主機(jī)連鎖停機(jī)信號(hào)時(shí)，SR觸發(fā)器對(duì)J22 繼電器進(jìn)行置位動(dòng)作，使J22 常閉觸點(diǎn)斷開，進(jìn)而控制回路斷開實(shí)現(xiàn)停機(jī)(圖2)。根據(jù)定義，SR 觸發(fā)器是復(fù)位優(yōu)先觸發(fā)器(圖3)[2]，在主機(jī)停車信號(hào)反饋以后對(duì)J22 繼電器進(jìn)行復(fù)位。

圖1 停機(jī)信號(hào)繼電器Fig.1 Stop signal relay

圖2 停機(jī)邏輯Fig.2 Stop logic

圖3 西門子SR/RS觸發(fā)器Fig.3 Siemens SR/RS flip flop

當(dāng)產(chǎn)生連鎖停機(jī)信號(hào)時(shí)，PLC 輸出信號(hào)使J22得電將其常閉觸點(diǎn)斷開，此時(shí)機(jī)組停機(jī)。在得到停機(jī)反饋信號(hào)后再對(duì)J22 復(fù)位，使機(jī)組處于可啟機(jī)狀態(tài)。但未考慮當(dāng)PLC 產(chǎn)生故障時(shí)，PLC 程序無(wú)法運(yùn)行，SR 觸發(fā)器無(wú)法輸出使J22 得電的信號(hào)，因此存在設(shè)計(jì)缺陷。

2.3 邏輯優(yōu)化及測(cè)試

針對(duì)PLC 控制器故障時(shí)進(jìn)行停機(jī)控制的繼電器無(wú)法得電的缺陷，將相應(yīng)控制程序段修改為RS 觸發(fā)器置位優(yōu)先模式，同時(shí)將J22 常閉觸點(diǎn)改為常開觸點(diǎn)。這樣在機(jī)組狀態(tài)正常時(shí)，J22 繼電器得電，常開觸點(diǎn)閉合，機(jī)組正常運(yùn)行；當(dāng)PLC 產(chǎn)生故障時(shí)，程序停止，J22 立即失電，繼電器觸點(diǎn)恢復(fù)至常開狀態(tài)，機(jī)組停機(jī)。當(dāng)控制系統(tǒng)恢復(fù)正常后接收到停車信號(hào)反饋給PLC，將RS 觸發(fā)器置1，確保機(jī)組能處于可啟機(jī)狀態(tài)(圖4)。

圖4 優(yōu)化后的停機(jī)邏輯Fig.4 Stop logic after optimization

對(duì)程序修改后，正常停機(jī)狀態(tài)時(shí)J22 繼電器處于得電狀態(tài)，常開觸點(diǎn)閉合，機(jī)組處于可啟機(jī)狀態(tài)。此時(shí)按下啟機(jī)按鈕，啟動(dòng)控制回路閉合機(jī)組運(yùn)行。一旦PLC 發(fā)生故障，PLC 無(wú)法正常輸出控制信號(hào)使J22保持在得電狀態(tài)，J22 繼電器斷電，主機(jī)停機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了在保證原有正常停機(jī)邏輯情況下PLC 本身故障的停機(jī)保護(hù)(圖5)。

圖5 修改優(yōu)化后的停機(jī)信號(hào)繼電器Fig.5 Stop signal relay after adjustment

3 借鑒意義

西門子PLC 控制器應(yīng)用較為廣泛，普遍用于各種大中型設(shè)備的自動(dòng)控制。在設(shè)備控制程序中SR 和RS 觸發(fā)器為常用功能塊，在使用時(shí)需要重點(diǎn)考慮PLC 控制器故障狀態(tài)下的信號(hào)輸出，確保停機(jī)功能的本質(zhì)安全[3]。

作為低壓伴生氣壓縮系統(tǒng)中重要而又普遍使用的設(shè)備，低壓氣回收機(jī)發(fā)揮著極為重要的作用。發(fā)現(xiàn)機(jī)組故障現(xiàn)象進(jìn)行低壓回收機(jī)儀控系統(tǒng)邏輯優(yōu)化改造，在不改變?cè)斜Ｗo(hù)邏輯的前提下，解決了系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)缺陷，保證了壓縮機(jī)儀控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，其他單元亦可同步對(duì)低壓回收機(jī)程序進(jìn)行相應(yīng)檢查確認(rèn)，具有較強(qiáng)的普遍推廣意義。

4 總結(jié)

加強(qiáng)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能減排工作是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的一個(gè)重要途徑，海上石油開采平臺(tái)低壓伴生氣回收有助于企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，低壓伴生氣回收裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行顯得尤為關(guān)鍵。

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮流程和設(shè)備參數(shù)異常情況下的停機(jī)邏輯外，也必須考慮控制系統(tǒng)失效場(chǎng)景下的停機(jī)保護(hù)邏輯，否則機(jī)組將處于失控的運(yùn)行狀態(tài)，給設(shè)備帶來一定的損失。

針對(duì)低壓伴生氣回收機(jī)本身設(shè)計(jì)缺陷，通過程序優(yōu)化改造，保證了低壓伴生氣回收機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了降本增效，同時(shí)為生產(chǎn)平臺(tái)降低碳排放目標(biāo)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。