淺議機組綜合控制系統（ITCC）在三臺離心機組綜合控制中的應用

苑大立

摘要：ITCC （Integrated Turbine & Compressor Control System）全稱為透平壓縮機組綜合控制系統。它是集蒸汽透平的速度控制及抽汽控制和壓縮機防喘振控制、性能控制、解耦控制、負荷分配控制等機組特有的控制以及自保護聯鎖邏輯控制為一體的集成綜合系統。它將傳統上需要多個分立儀表如防喘調節器、聯鎖自保系統、電子調速器、負荷調節器等實現的功能集成在一套可靠性極高的三重模件（TMR）冗余容錯控制系統中完成；因此，減少了各個系統間的連接和故障率，降低了長周期運行成本，并提供了先進的控制技術和良好的監控界面。機組綜合控制系統包括：機組聯鎖ESD、SOE事件順序記錄、機組控制PID（例如：防喘振控制及調速控制等）及常規指示記錄功能、故障診斷功能。目前，ITCC控制系統已經成為離心式機組的標準配置。

關鍵詞：ITCCTS3000TRICON綜合控制系統三臺機組一套控制系統凈化工段離心壓縮機組可行性分析技術基礎及條件穩定性要求

中圖分類號：TH45 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）08（c）-0071-02

1ITCC系統的主要控制功能

（1）機組安全聯鎖保護。（2）原動機-壓縮機的啟停及升速的聯鎖保護。（3）機組的安全運行聯鎖保護。（4）機組的緊急停機聯鎖保護。（5）機組的軸振動/軸位移監視及聯鎖保護。（6）機組的超速聯鎖保護。（7）機組潤滑油/調節油系統聯鎖保護。（8）機組輔助設備的聯鎖保護。

我公司凈化工段壓縮機廠房內共有四臺離心式壓縮機組：CO2機組（電拖，電動機額定功率：5700kW，電動機額定轉速： 1485r/min）。氨壓機（電拖，額定功率：4500kW，電動機額定轉速：1490r/min）。CO機組（汽拖，機組額定功率：4960kW，機組額定轉速：7200r/min）。解析氣壓縮機組（電拖，電動機額定功率：3200kW，電動機額定轉速：1494r/min）。四臺機組均為沈鼓供貨，配套TS3000控制系統。對控制方案的整體布置，我公司技術人員經討論，綜合考慮了系統的完整性、整體性、安全性、技術可行性和經濟性，決定由一套透平壓縮機綜合控制系統（ITCC）進行3臺壓縮機（CO機組、解析氣機組、氨冰機）的機組的防喘振控制、性能控制、聯鎖保護及運行狀態檢測，目的是在完全能夠保證機組的正常運行和保護的前提下，減少機組的整體成本和采購價格，并提高機組控制系統的協調性，方便統一布置機柜、輔助操作臺、操作站，為今后長期的生產、運行、備品備件采購和維護提供很大的便利。

2可行性分析

（1）TS3000系統原理：TS3000控制系統采用三重模塊冗余（TMR）結構，保證了設備的容錯能力，并且能在元部件出現硬件故障或者來自內部或外部來源的瞬態故障的情況下提供完好的不間斷的控制。

每一個I/O模塊內都包容有三個獨立的分電路。輸入模塊上的每一分電路讀取過程數據并將這些信息傳送給它相應的主處理器。三個主處理器通過一個專用的被稱作TriBus的高速總線系統通訊。

每掃描一次，主處理器都通過TriBus與其相鄰的主處理器進行通訊，達到同步。TriBus表決數字輸入數據、比較輸出數據、并將模擬輸入數據拷貝到各個主處理器。主處理器執行控制程序并把由控制程序所產生的輸出送給輸出模塊。除對輸入數據作表決之外，Tricon在離現場最近的輸出模塊上完成輸出數據的表決，使其盡可能地與現場靠近，以便檢測出任何錯誤并予以修復。

對于每個I/O模塊，系統可以支持一個可選的熱備模塊。如果裝有備件，在運行中，如主模塊發生故障時，備件投入控制。熱備位置也被用于系統的在線修理。

（2）一套TRICON的TS3000系統最大所能帶的I/O點數為1000點，在此點數內，系統的掃描周期和運算速度完全不受影響。

（3）CO2壓縮機、解析氣壓縮機、氨壓縮機全部的I/O點共計711個點，少于系統性能上限。

（4）在711個控制點的使用情況下，系統掃描周期完全不受影響，能夠達到70ms的系統掃描周期。在保證掃描周期的前提下，系統完全能夠完成三臺機組的軸系儀表檢測、防喘振控制和超速保護功能。

（5）每套機組如果各帶一套控制系統，則系統的CPU模塊的性能存在很大富余，且需各自配置相應的通訊和電源模塊，價格上必然產生相應浪費，配電系統和輸入輸出繼電器的整體設計也較為分散。

3現有技術基礎及條件

（1）離心機組的防喘振控制方案已完全成熟。（2）相應的防喘振控制閥、回流閥的控制精度及響應速度已經滿足使用要求。（3）TS3000系統的技術特點：

①提供三重模塊冗余結構，三個完全相同的分電路各自獨立地執行控制程度。而且備有專用的硬件/軟件結構，可對輸入和輸出進行“表決”；②能耐受嚴酷的工業環境；③能夠現場安裝，可以現場在線地進行模塊級的安裝和修復工作而不需打亂現場接線；④能支持多達118個I/O模塊（模擬的和數字的）和選裝的通訊模塊，通訊模塊可以與Modbus主站和從站連接，或者和Foxboro與Honeywell分布控制系統（DCS）、其它在Peer-to-Peer網絡內的各個Tricon、以及在TCP/IP網絡上的外部主機相連接；⑤可以支持位于遠離主機架12km（7.5英里）以內的遠程I/O模塊；⑥利用基于WINDOWS系統的編程軟件完成控制程序的開發及調試；⑦在輸入和輸出模塊內備有智能功能，減輕主處理器的工作負荷。每個I/O模塊都有三個微處理器。輸入模塊的微處理器對輸入進行過濾和修復，并診斷模塊上的硬件故障。輸出模塊微處理器為輸出數據的表決提供信息、通過輸出端的反饋回路電壓檢查輸出狀態的有效性、并能診斷現場線路的問題；⑧提供全面的在線診斷，并具有修理能力；⑨可以在Tricon正常運行時進行常規維護而不中斷控制過程；⑩對I/O模塊提供“熱備”支持，可用在某些不能及時提供服務的關鍵場合；TS3000機架的擴展能力：對于V9 Tricon系統，有三種型式的機架：主機架、擴展機架、和遠程機架。一個Tricon系統可以最多包含15個機架，用以容納各安裝種輸入、輸出和熱插備用模塊，以及通訊模塊等的適當的組合。

Tricon系統的主機架安裝主處理器模塊以及最多六個I/O模塊組。在機架內的各I/O模塊通過三重的RS-485雙向通訊口而連接。

圖中：①Tricon擴展機架#3②擴展機架#4-14③Tricon擴展機架#15號④Tricon擴展機架#2⑤Tricon主機架（機架#1）⑥TriStation（IBM PC兼容）。

擴展機架（機架2～15）每一個可以支持最多八個I/O組。擴展機架通過一個三重的RS-485雙向通訊口而和主機架連接。可以用來連接一組主機架和擴展機架的標準纜的總長最多為30m（100英尺）。遠程擴展機架可以讓系統擴展到遠距的位置，最多距離主機架12km（7.5英里）。

4應用內容

（1）I/O 擴展：TriconI/O總線可以提供支持于最多15臺機架。絕大多數情況下，擴展機架都裝在主機架的附近，限制如下：

擴展機架限制：限度

機架的最大臺數：15

I/O模塊最大數量：118

I/O總線最大總長：30m（100英尺）

正常情況下，如I/O總線長度大于30m（100英尺）時必須用遠程機架支持。

（2）RS-485擴展總線口的使用：每臺Tricon機架底板的左上角裝有六個RS-485I/O擴展總線接口，如圖2～4所示。為護展機架和遠程機架提供三重串行通訊通道。用I/O電纜把擴展機架的RS-485口接到其他機架。每臺機架都是多個I/O擴展總線內的一個節點。

I/O口為三對，形成TriconI/O總線的三重化擴展。數據通過三重化的I/O總線傳輸，與Tricon內部的I/O總線傳輸速率一樣，為375K波特。用這種方式、三條控制分電路在物理上和邏輯上延伸到擴展機架而不損害性能。

其他方面有以下幾點。

（1）系統是以微處理器為基礎的智能分散結構，軟硬件的緊密結合使系統能力充分發揮。（2）控制器采用冗余配置，具有高度的可靠性，系統內任何一個組件發生故障，均不會影響整個系統的工作。（3）底層連接的網絡化、I/O模塊的全智能化，熱備份的冗余技術，可靠的帶電拔插的技術特征。（4）組態軟件功能具有標準的sfc、fbd、ld、st、fm 5種組態工具，圖形工具里有豐富的圖形庫，很快就能繪出界面友好的流程圖。（5）系統網絡為100m冗余快速以太網，極大加速了網絡速度，對將來的擴容和改造留下了充分的余地。（6）采用完全開放的、先進的軟硬件技術，結構靈活、安全便利、維護簡單。安全性能達到TUVAK6，IEC SIL3。

5采取的技術路線及關鍵技術

通過對各臺壓縮機的整體考慮，應用TS3000的總線系統成熟的擴展能力，在不增加控制器模塊的前提下，對系統的容量（即AI＼AO＼DI＼DO＼PI）進行擴展，達到一套系統控制3臺機組的控制能力。

總線系統及電源分配。

三條三重總線系統都蝕刻在機架背板上，三條總線為TriBus、I/O總線、及通訊總線。

TriBus包括三條獨立的串聯的鏈路，在4Mband下運行。它在每一掃描開始時使各主處理器同步。然后，每個主處理器將它的數據送入它的上游和下游的主處理器。TriBus完成下列三種功能。

（1）傳輸模擬的、診斷的、和通訊的數據。（2）傳輸和表決數字輸入數據。（3）對上次掃描的輸出數據和控制程序存貯器進行數據比較并對不同之處進行標識。

Tricon容錯結構的一個重要特征是，每一個MP使用了同一個數據發送器將數據同時送給上游的和下游的主處理器，這樣保證了同樣上游處理器和下游處理器接收相同的數據。

每個I/O模塊通過其對應的端子板接收現場信號或向現場傳送數據。機架相鄰的物理槽位視作同一個邏輯槽位。第一個位置上放置工作模塊，第二位置放置熱備I/O模塊。端子板通過背板頂部的Elco插頭相連，同時連接工作和熱備的I/O模塊。所以，這兩個模塊接收的是相同的來自端子板的信號。

I/O總線可使信息在I/O模塊和主處理器之間傳送，速率為375K波特。三重化I/O總線沿著背板的底部敷設。I/O總線的每一分電路在一個主處理器與其相應的I/O模塊上的相應的分電路間傳遞信息。I/O總線通過一組三條I/O總線纜在各機架間的延伸。

通訊總線在主處理器和通訊模塊之間傳輸信息，其速率為2M波特。對機架的電力被分配在兩個獨立的電源軌上，并分給背板的中心。機架上的各個模塊從兩條電源軌上通過雙重電源調節器同時吸取電力。每一塊輸入輸出板上有四組電源調節器：一組對應一個支路（A、B和C），剩下一組用于狀態指示燈。

應用后達到的技術指標：

系統掃描周期：小于50ms

Bad 速率：375M 波特/秒

波特：2M 波特/秒

6安全性分析及對策

TS3000控制系統采用三重化冗余技術，三重化冗余綜合控制系統必須具備TUV 6級或SIL-3級認證，就是說：當系統中出現一個或者多個故障時，系統能正常運行，同時故障模塊能夠在線更換。如果故障超出了系統的容錯能力，則系統將按照預先的設定，轉為失效—安全模式，確保用戶生產裝置和設備的安全。這種設計適用于高可靠性、高可用度以及對系統在線時間要求很高的應用場合。ITCC系統的控制目標就是保證大型高速離心設備的安全保護，因此其設計上重心是系統的可靠性。三臺機組采用一套控制系統進行控制，客觀上控制系統失效的影響被放大，系統檢修的條件也更難以具備，但系統采用三重冗余技術，其控制器模塊和輸入、輸出運算回路是三重冗余設計，通訊、電源模塊采用雙重冗余，并可在線更換故障卡件，因此，理論上系統崩潰導致三機組轉為失效—安全模式屬于非常極端的情況，可以通過加強維護、強化巡檢、結合停車檢修進行系統檢查來提前避免。

7結語

我公司工程項目建設對資金控制較為嚴格，力圖本著多快好省的原則，在保證安全穩定生產的前提下，最大限度的避免浪費資金。基于以上要求，我方在機組控制系統方案論證階段，多方考察了各品牌的產品性能指標、應用業績，在借鑒集團其他兄弟單位應用經驗、充分考慮對系統檢修、運行性能的影響的基礎上，經與賣方單位充分論證，進一步提出由一套控制系統對三臺離心壓縮機組進行綜合控制。此方案充分開發了系統性能，節約了相應的控制器、電源模塊、通訊模塊，為公司項目建設節約了資金。

參考文獻

[1] 孫繼閱.康吉森公司產品技術交流資料.

[2] 康吉森.過程控制培訓教材.

[3] TRICON設計與安裝手冊.

[4] 侯大宇.機組集成控制系統ICS T6300.

[5] 魏宏.基于TRICON的機組控制系統應用.