溫 旭

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)自動控制系統(tǒng)工程有限公司，沈陽 110869)

Mark VIe系統(tǒng)是美國GE公司為燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、離心式壓縮機(jī)專門定制開發(fā)的透平機(jī)械控制系統(tǒng)，系統(tǒng)模塊采用完全硬件獨(dú)立的三重化冗余容錯(TMR)技術(shù)，系統(tǒng)發(fā)生故障時可繼續(xù)正確地執(zhí)行控制任務(wù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用100 M快速以太網(wǎng)和G3防腐技術(shù)，10 ms、20 ms、40 ms控制周期可選，采用先進(jìn)的入口滑工況壓縮機(jī)控制算法，其故障分散，維護(hù)簡單，可在線更換。

1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Mark VIe系統(tǒng)包括IO Net網(wǎng)絡(luò)接口和控制網(wǎng)絡(luò)接口(UDH-Unit Data Highway)，通過IO Net網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，使控制器和I/O卡件進(jìn)行通信，所有的I/O卡件與IO Net網(wǎng)絡(luò)相連接。I/O模塊可以安裝在本地機(jī)柜，也可以通過光纖遠(yuǎn)程分布式安裝。UDH用于和HMI通信或與其他控制器通信。IO Net網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)的通信速率為100 MB。

Mark VIe系統(tǒng)從IO Net網(wǎng)絡(luò)讀取參數(shù)，從CPU通過IO Net網(wǎng)絡(luò)輸出命令。系統(tǒng)通過3取2表決屏蔽錯誤信號，CPU根據(jù)表決結(jié)果進(jìn)行邏輯運(yùn)算。系統(tǒng)通過自診斷功能檢測報(bào)錯設(shè)備，強(qiáng)大的診斷功能能夠最大限度縮短平均修復(fù)時間(MTTR)。根據(jù)現(xiàn)場工藝要求和用戶資金狀況，檢測元件可以是1、2或3個。每個I/O模塊獨(dú)立運(yùn)行在各自IO Net網(wǎng)絡(luò)，允許在線替換報(bào)錯模塊，不會影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

控制器和I/O模塊之間的通信通過內(nèi)部的IO Net網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行(見圖1)。控制器上有3個IO Net網(wǎng)絡(luò)口，通過交換機(jī)和I/O模塊相連。IO Net網(wǎng)絡(luò)的帶寬為100 MB，該網(wǎng)絡(luò)可以組態(tài)成非冗余、雙冗余和三冗余網(wǎng)絡(luò)，IO Net網(wǎng)絡(luò)通過EGD方式和I/O進(jìn)行通信。EGD是基于 UDP/IP(RFC 768)層的實(shí)時網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，EGD的數(shù)據(jù)包以一定的幀頻從控制器廣播到I/O模塊來響應(yīng)輸入數(shù)據(jù)。

IO Net和 IEEE 802.3的標(biāo)準(zhǔn)相符合，通信介質(zhì)可以采用100 Base Tx和100 Base Fx(光纖)用于遠(yuǎn)距離的通信，以降低工業(yè)噪聲、雷擊和接地干擾。星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖2)用于控制器在一端、交換機(jī)在中間、I/O模塊在末端的結(jié)構(gòu)。

圖1 I/O網(wǎng)絡(luò)Fig.1 I/O network

圖2 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Star network topology

2 SOE功能

SOE按時間記錄機(jī)組順序發(fā)生的各種事件狀態(tài)，與歷史趨勢配合對機(jī)組故障后查找原因有非常大的幫助[1]。SOE精確到1 ms，可記錄報(bào)警信息及操作事件并打上時間標(biāo)記，生成報(bào)表。SOE順序事件記錄器具有以下特點(diǎn)：一是所有的DI/DO點(diǎn)的動作的先后順序能完全真實(shí)地記錄下來，不會發(fā)生記錄丟失；二是分辨率精確到毫秒級記錄事件順序；三是機(jī)組跳閘復(fù)位后采集數(shù)據(jù)；四是精準(zhǔn)記錄和查詢并進(jìn)行數(shù)據(jù)寫保護(hù)，防止惡意刪除功能；五是自動按日期備份SOE數(shù)據(jù)；六是進(jìn)行實(shí)時打印記錄報(bào)表；七是SOE記錄條數(shù)為60 000。

3 系統(tǒng)要求

電源要求。項(xiàng)目需要提供兩路獨(dú)立的不間斷AC 220 V供電，電壓浮動不能超過±5%。

接地要求。Mark VIe系統(tǒng)的接地分為保護(hù)接地和信號接地。接地工程符合規(guī)格書要求的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(SH/T3081-2003，IEC354-5-548-1996，ISA-RP12.6-1995)，采用等電位連接方式接地，連接到電氣接地系統(tǒng)，接地工程資料通過CE認(rèn)證。Mark VIe系統(tǒng)硬件具體系統(tǒng)接地要求如下：保護(hù)接地小于等于4歐姆，信號接地小于等于4歐姆，等電位接地。

程序要求。要求對Control ST軟件增加工程師級別用戶。對程序進(jìn)行調(diào)試及修改、下裝時，要有工程師權(quán)限方能進(jìn)行。要求對上位操作畫面增加操作員權(quán)限，用于監(jiān)控安全生產(chǎn)。

硬件檢查及替換要求。通過上位軟件中的系統(tǒng)狀態(tài)圖、各硬件指示燈的狀態(tài)指示進(jìn)行日常巡檢，當(dāng)發(fā)現(xiàn)存在硬件故障時應(yīng)及時處理，可按下系統(tǒng)狀態(tài)圖中的“系統(tǒng)復(fù)位”按鈕進(jìn)行復(fù)位。非硬件故障一般都可以通過“復(fù)位”操作進(jìn)行復(fù)位處理，若為硬件故障，需要進(jìn)一步判斷及更換處理。更換故障卡件時，要確認(rèn)故障卡件位置，佩戴防靜電手套進(jìn)行更換。需要斷電時，不要誤操作導(dǎo)致系統(tǒng)誤停車。更換的新卡件，要確認(rèn)好卡件型號，若為端子背板故障，要停下系統(tǒng)更換，進(jìn)行軟件組態(tài)修改及下裝。

系統(tǒng)停運(yùn)檢查要求。為保證CCS控制系統(tǒng)的安全性和有效性，要求每投運(yùn)1年后，對CCS系統(tǒng)硬件及功能進(jìn)行停車校驗(yàn)，每3年做1次點(diǎn)檢。

4 控制功能

4.1 控制邏輯

監(jiān)視及操作壓縮機(jī)組所有控制邏輯，控制邏輯條件均滿足后，執(zhí)行命令。

4.2 報(bào)警和信息查詢

監(jiān)視及操作壓縮機(jī)和汽輪機(jī)所有參與報(bào)警點(diǎn)的位號、測量值、設(shè)定值及報(bào)警狀態(tài)。具有安全級別可以修改低報(bào)警設(shè)定值、高報(bào)警設(shè)定值、低低報(bào)警設(shè)定值、高高報(bào)警設(shè)定值。設(shè)置報(bào)警信息查詢，詳細(xì)記載報(bào)警和事件，以優(yōu)先級確認(rèn)報(bào)警信息和聯(lián)鎖信息或事件信息的發(fā)生，可以第一時間提醒操作人員機(jī)組發(fā)生事件的具體詳細(xì)內(nèi)容，以便預(yù)警和查詢操作記錄等。

4.3 聯(lián)鎖和首出

監(jiān)視及操作壓縮機(jī)和汽輪機(jī)所有參與聯(lián)鎖點(diǎn)的位號、測量值、設(shè)定值及聯(lián)鎖狀態(tài)。具有安全級別可以修改設(shè)定值欄下的低低聯(lián)鎖設(shè)定值、高高聯(lián)鎖設(shè)定值，聯(lián)鎖旁路等。首出功能記錄本次發(fā)生聯(lián)鎖的第一事故信息和日期、時間，直到下次聯(lián)鎖發(fā)生重新記錄。開車前需系統(tǒng)復(fù)位，有聯(lián)鎖不可以開車。

4.4 流程系統(tǒng)

檢測壓縮機(jī)和汽輪機(jī)的氣路系統(tǒng)、軸系系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、干氣密封系統(tǒng)和蒸汽空冷器系統(tǒng)等設(shè)備流程參數(shù)，具體包括機(jī)組進(jìn)出口溫度、壓力和流量，機(jī)組軸承溫度、軸承振動、軸承位移、軸承鍵相和轉(zhuǎn)速，潤滑油的溫度、壓力、液位和差壓，干氣密封氣的流量、壓力和差壓，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等。

4.5 歷史和實(shí)時趨勢

設(shè)置歷史趨勢和實(shí)時趨勢功能，查詢某測量點(diǎn)之前某一時間段變化趨勢?？梢赃x擇歷史趨勢功能。查詢某測量點(diǎn)當(dāng)前變化，可以選擇實(shí)時趨勢功能，二者可以有效準(zhǔn)確地提供機(jī)組運(yùn)行情況。依據(jù)壓縮機(jī)組不同的工作階段，配置對應(yīng)的采樣周期，利用采樣周期記錄壓縮機(jī)組在各個工作階段內(nèi)的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便對壓縮機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測[2]。

4.6 調(diào)速控制

開環(huán)啟動。速度控制器啟動后，控制模式顯示為自動開環(huán)啟動。速度控制器輸出100%，通過調(diào)節(jié)速關(guān)閥執(zhí)行的開環(huán)啟動，手動沖轉(zhuǎn)。手動沖轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)速PV值達(dá)到控制轉(zhuǎn)速1 500 rpm，調(diào)速PID立即自動接管，調(diào)速PID自動調(diào)整調(diào)速汽門開度。

暖機(jī)。調(diào)速PID接管后自動爬坡升速，轉(zhuǎn)速設(shè)定達(dá)到暖機(jī)要求。預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速，進(jìn)入暖機(jī)1狀態(tài)，實(shí)際控制模式顯示為暖機(jī)1，當(dāng)暖機(jī)1完成后，需要繼續(xù)升速，直接點(diǎn)擊暖機(jī)2按鈕，轉(zhuǎn)速設(shè)定爬坡升速到達(dá)到暖機(jī)2預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速，進(jìn)入暖機(jī)2狀態(tài)。

過臨界。暖機(jī)1升速、暖機(jī)2升速或額定升速過程中，進(jìn)入臨界區(qū)，調(diào)速器將轉(zhuǎn)速設(shè)定SP值的上升速率自動改為跨臨界斜坡速率50 rpm，以便快速通過臨界區(qū)。通過臨界區(qū)后調(diào)速器將轉(zhuǎn)速設(shè)定SP值的上升速率自動改回暖機(jī)斜坡速率5 rpm，過臨界報(bào)警在PV值未通過臨界區(qū)時一直存在，直到轉(zhuǎn)速PV值完全通過臨界區(qū)。

額定升速。暖機(jī)1、暖機(jī)2過程完成后，需要升到額定轉(zhuǎn)速或無需暖機(jī)過程，也可直接升到額定轉(zhuǎn)速，直接點(diǎn)擊控制按鈕額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速設(shè)定SP值將自動到達(dá)額定轉(zhuǎn)速。

跳車原因。啟動故障安全跳車(開環(huán)啟動后一個延時周期內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍未達(dá)到最小控制轉(zhuǎn)速，啟動故障安全跳車)，外部緊急聯(lián)鎖跳車(ESD緊急跳車信號，啟動外部緊急跳車)，操作員緊急停車命令(工藝操作面板上的ESD按鍵，啟動操作員停車)，調(diào)速器失速跳車(正常運(yùn)行時，轉(zhuǎn)速因探頭故障突然消失或小于100轉(zhuǎn))，調(diào)速器超速跳車(轉(zhuǎn)速超過跳車設(shè)定值)，調(diào)速器正常停車(通過停透平命令緩慢減速直至停車)，停車手動誤啟動跳車(在停車手動操作模式中，防止因閥門誤操作，如主汽門打開蒸汽進(jìn)入，造成汽輪機(jī)誤沖轉(zhuǎn)動作)。

超速回避。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速大于超速回避門檻值后，調(diào)速汽門以O(shè)SP_TM(超速回避一階時滯探測時間)的時間檢測一次，閥門關(guān)OSP_DM(超速回避閥門階梯關(guān)度)的關(guān)度，直到檢測到實(shí)際轉(zhuǎn)速小于超速回避門檻值。

電超速試驗(yàn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速PV值達(dá)到跳車門檻值，調(diào)速器關(guān)閉輸出停車信號。本次跳車原因顯示調(diào)速器超速跳車，最高轉(zhuǎn)速記錄下跳車轉(zhuǎn)速值，跳車試驗(yàn)完成后復(fù)位調(diào)速器。

4.7 防喘振控制

用于實(shí)現(xiàn)基于無關(guān)坐標(biāo)系的防喘振控制算法，基于5條控制線的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)防喘振PI控制和開環(huán)快速保護(hù)，見圖3。

圖3 防喘振控制功能圖Fig.3 Anti-surge control function diagram

PI響應(yīng)。當(dāng)工作點(diǎn)越過SCL(喘振控制線)時，防喘振控制算法PI作用輸出，逐漸打開防喘振閥，根據(jù)工作點(diǎn)與防喘振線的距離產(chǎn)生相應(yīng)的比例積分響應(yīng)，防止工作點(diǎn)進(jìn)入喘振區(qū)。

微分響應(yīng)。通過檢測工作點(diǎn)向喘振方向的變化率來影響增加防喘振線安全裕度(變化快，裕度增加大；變化小，裕度增加小。變化率與裕度增加量是實(shí)時隨動的)，這樣工作點(diǎn)向喘振方向移動但沒有實(shí)質(zhì)喘振危險時不會打開防喘振閥，只有工作點(diǎn)處于防喘振線時，通過加大安全裕度，使得微分響應(yīng)輸出，從而加大回流量。這對于一般的工藝擾動可以保持工藝過程穩(wěn)定，又可以防止喘振發(fā)生。

階躍響應(yīng)。在SLL(喘振極限線)和SCL之間按一定比例設(shè)定FOL(階躍響應(yīng)線)，如果對于一個較大較快的擾動，當(dāng)微分響應(yīng)和比例積分響應(yīng)都不能使工作點(diǎn)保持在SCL的右側(cè)安全區(qū)時，工作點(diǎn)瞬間越過FOL，則階躍響應(yīng)就會快速產(chǎn)生階躍響應(yīng)輸出。采用等比例或變比例控制方式快速打開防喘振閥[3]，增加足夠流量防止喘振，保證機(jī)組安全前提下，盡可能穩(wěn)定上下游工況。

安全響應(yīng)。如果因意外情況發(fā)生(工藝流程變化、操作失誤或特別嚴(yán)重的波動)使工作點(diǎn)越過ESL(深度喘振線)發(fā)生喘振，則安全響應(yīng)會重新設(shè)定防喘振線裕度，使防喘振線向右平移，增加喘振線與防喘振線調(diào)節(jié)區(qū)域，在下一個喘振周期將喘振止住，防止離心壓縮機(jī)深度喘振。

TSL響應(yīng)。為應(yīng)對防喘振閥門在小開度下開關(guān)不靈活的情況，設(shè)定TSL(緊關(guān)線)保證壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)接近SCL時閥門從全關(guān)位置快速響應(yīng)防止喘振又不會使工藝過程產(chǎn)生不必要的波動。

退守策略。作為一種備選控制策略，當(dāng)參與喘振計(jì)算的離心壓縮機(jī)出入口監(jiān)測點(diǎn)發(fā)生故障時，可以提供一個經(jīng)驗(yàn)的缺省值以保持喘振控制功能。

超馳控制。通過對喘振預(yù)判，壓力超馳控制保證工藝在大幅波動時，壓縮機(jī)入口壓力不低于低限跳車閾值和壓縮機(jī)出口壓力不高于高限跳車閾值。

5 結(jié)語

基于Mark VIe安全系統(tǒng)控制環(huán)境，結(jié)合壓縮機(jī)控制功能特性，給出一套完整的壓縮機(jī)控制系統(tǒng)，在壓縮機(jī)組安全運(yùn)行的同時，保證了工藝流程的穩(wěn)定。先進(jìn)的控制方案提高了機(jī)組的安全性和穩(wěn)定性，為壓縮機(jī)控制提供了參考。