Tricon系統在丙烯腈冷凍機組控制系統改造中的應用

金玉輝

(中石化上海石油化工股份有限公司化工事業部,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部丙烯腈裝置于2002年建設投用,其冷凍壓縮機組原控制系統的主要配置:蒸汽透平調速由Woodward 505實現,三取二超速保護由Woodward提供的Pro Tech 203完成,機組軸系監控(軸溫、軸振動、軸位移等)由Bently Nevada 3500監視系統完成,YORK壓縮機的喘振控制、盤車控制、潤滑油系統等的控制及機組安全保護由Rockwell公司的Allen-Bradley PLC來完成。

該系統故障率較高,自動控制方式運行時幾乎每月發生一次機組跳車故障,其主要問題:

a)可靠性差,機組無冗余配置、對系統的輸入和輸出信號沒有進行隔離,不適合化工企業的運行可靠性要求。

b)上位機操作界面上沒有趨勢記錄、SOE信息和操作行為記錄。

c)進系統的信號有一部分是開關量信號,系統無法對信號的趨勢進行監控,給故障的判斷帶來了困難。

d)報警信息少,無故障分析和操作提示。

e)控制聯鎖過多,容易造成不必要的停車。

鑒于以上狀況,利用 Triconex公司的 Tricon機組綜合控制系統對冷凍壓縮機組原控制系統進行整體改造。其總體方案的確定、硬件配置和軟件設計應考慮以下幾個方面:

a)簡化控制系統,使控制系統層次分明,確保所有控制回路的可靠性。

b)主控制系統采用冗余配置,對系統的輸入和輸出信號進行隔離,提高控制系統的可靠性和抗干擾能力。

c)縮短系統掃描周期,使系統的調速響應時間滿足標準API612的調速要求,同時為建立毫秒級的SOE信息記錄提供保證。

d)根據機組流程,建立完整的操作、維護界面,以及報警記錄和故障提示,為機組運行操作和檢修提供充足的依據。

e)解除一些不重要的故障對機組的聯鎖控制,在確切的操作提示下,對這些故障采用問訊操作方式。

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。Tricon通過三重模件冗余結構(TMR)提供容錯能力。該系統由三重安全相同的系統通道組成。每個系統通道獨立執行控制程序,并與其他兩個通道并行工作。硬件表決機制則對所有來自現場的數字式輸入和輸出進行表決和診斷。模擬輸入則進行三取二,再取中值的處理。原Woodward 505,Pro Tech 203,AB PLC現場防爆機柜和本特利3500等系統的功能全部整合到改造后的Tricon系統中,整個機組控制的一體化和數據采集實現時間同步,利用 Tricon系統強大的專業機組控制功能塊,SOE毫秒級事件記錄和第一事故自動記錄的功能,使冷凍壓縮機組控制更加優化和簡潔。

新系統將系統控制器和主要設備安裝到中央控制室內的機柜間,現場新提供一個正壓防爆的機柜用于安裝現場操作站和需要在現場進行信號轉換的設備。在中控室內安裝兩個機柜,一個用于安裝Tricon系統的主機架、擴展機架以及從現場轉移過來的Bently 3 500系統,另外一個機柜安裝ETP端子板、安全柵、溫度變送器、繼電器、DC電源等。原先進入Woodward 505系統的速度信號、DCS遠程速度設定和速度控制輸出信號將全部引入到新的 Tricon系統中,Pro Tech 203的三個速度信號也將送入 Tricon系統,所有原AB PLC系統的輸入/輸出信號同樣也全部移到 Tricon系統中,如圖1所示。

圖1 丙烯腈冷凍機控制系統改造方案示意

在該配置下,機組控制系統大大簡化,系統中斷不影響機組的正常運行,進一步提高了系統的可靠性。由于進系統所有的信號全部采用模擬信號,實現了趨勢的跟蹤,對系統的運行狀態、故障檢測和分析帶來益處。通訊光纜的使用提高了系統的抗干擾性,保證了機組的穩定運行,滿足在現場巡檢和開車的基本要求。此外,正壓防爆柜也滿足了系統的防爆要求。

2 主要硬件配置

a)控制系統。控制系統配置三個獨立的控制器,以構成完整的具有三重冗余容錯功能的控制站。每個控制器均采用雙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數據的采集和在線維護。三套獨立的控制器都能在線插拔、更換。控制系統與工程師站、SOE站、操作站之間采用冗余以太網通信。

Tricon系統的控制站配置了調速、防喘振等專用控制軟件包。信號從輸入卡到控制器,經程序處理到輸出,全過程時間小于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。模件內具有三個相互完全隔離并獨立工作的分電路,每個分電路從輸入點接受電壓信號,并將其轉換成數字信號發送給三個主處理器。AI卡的各通道都具有獨立的A/D轉換器。

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應的主處理器接收輸出信號;每一組數據都進行表決,選出一條良好的分電路以驅動輸出。模件的每一分電路都檢驗模擬信號的精度和負載是否存在分電路的選擇。AO卡的各通道都具有獨立的D/A轉換器。AO輸出端子(ETP)為通用型,既可有源輸出,也可無源輸出。

d)數字量輸入模塊。隔離型DI,模件內具有三個相互完全隔離并獨立工作的分電路;Tricon和現場間全部光電隔離;具有測試“STUCK ON”(指模件無法檢測到現場信號斷開)現象能力;來自現場的干接點信號直接接至 ETP端子板。DI卡輸入端能承受220 VAC,50 Hz的過電壓。

e)數字量輸出模塊。隔離型DO,觸點輸出。模件內具有三個相互完全隔離并獨立工作的分電路,使用專門的“方型表決器”,對每個輸出信號在它們送至負載之前進行表決;OVD診斷(輸出表決器診斷)確保完全的故障覆蓋率。所有DO信號經繼電器轉換后送至現場電磁閥,MCC或其他地方。DO卡輸出端能承受220 VAC,50 Hz的過電壓,輸出負載能力為24 VDC,2A/點,ETP帶保險絲。

3 軟件設計

針對丙烯腈冷凍壓縮機組控制系統的重整,首要任務是對原控制程序的研讀,在充分理解原PLC程序控制思想的基礎上,根據運行的經驗,用TRISTATION 1131 V4.4作為 TRICON系統的基本軟件開發平臺,糾正原控制策略的不足和錯誤部分,在復制和重現的基礎上,優化原系統所有的控制邏輯和功能,豐富人機界面信息和操作指導信息。機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)實現,該模塊支持標準 Modbus通信協議,每個4351卡共有4個RS-232/485串行通信口,其中一個BNC接口支持802.3以太網協議,可連接工程師站、操作站、SOE站;另一個BNC接口用于 Tricon系統間的PEER TO PEER通信和時種同步。

Tricon系統主處理器可分配16個存儲區域,用于SOE的記錄存儲,最大記錄1×105個事件,可保存一個月以上的歷史數據,SOE分辨率為毫秒級,記錄文件可存儲在硬盤中作為永久保存,并可打印出來。SOE站不僅能記錄各報警、動作事件,還能記錄模擬量信號和歷史趨勢。SOE站滿足所有種類數據的記錄需要,可由用戶選定記錄的參數、采樣時間和記錄長度,并可對記錄的數據進行編排處理和調用。硬盤容量滿足全部事件記錄需要量2倍以上的容量,且可轉存到其他存儲設備上。

Tricon系統的自診斷可以在線監測所有卡件和I/O通道電路的狀態,實時監測系統的掃描時間和內存使用情況。

4 操作站運行畫面設計

該系統設計有獨立的操作站,監控軟件選用Wonderware公司的Intouch軟件,其系統平臺基于Win XP操作系統,該軟件通過高速網絡與控制器通信,確保數據的及時刷新,從而更好地實現操作人員監控和操作。主要操作畫面有:流程圖畫面,機組順控啟動畫面,調速畫面,壓縮機喘振控制畫面,實時趨勢畫面和歷史趨勢畫面,報警歷史畫面。

5 結束語

改造后壓縮機機組控制系統性能較改造前明顯提高,主要體現在:

a)系統掃描時間小于35 ms,滿足了API612的標準。

b)調速效果良好,現速度的平穩性在10轉左右,完全滿足了速度的平穩控制要求。系統簡化,省略了WOODWARD505和Pro Tech 203超速保護系統等單機儀表,超速保護、連鎖保護等功能的調試與工藝吻合,大大提高了可靠性。

c)加入了自診斷功能,對現場的異常短路和斷路加以識別,任何硬件的單點故障都不會造成系統失效,避免由于設備原因而導致的停車。

d)控制回路全部投入自動控制后,運行平穩,并通過對機組的能量平衡控制方案優化,真正達到了YORK所謂的機組能量平衡控制方案,達到了顯著節能效果。

e)增加了機組的維護畫面,為機組的維護和檢查提供了極大的方便,每次開機都能做到一次成功。

f)毫秒級的SOE功能將為故障及事件分析提供了極大幫助。

二年來運行良好。

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