TRIDENT三重冗余控制系統(tǒng)在氣壓機上的應(yīng)用

楊祖釗

（長慶石化公司運行保障部，陜西 咸陽 712000）

傳統(tǒng)的壓縮機控制一般采用多種單元聯(lián)合控制的方式，包含調(diào)速單元、振動檢測單元、反喘振控制單元、ESD以及DCS系統(tǒng)等等。這樣分散式系統(tǒng)各部分之間的信號連接采用控制網(wǎng)絡(luò)通信方式進行，通信速度較慢，接線錯綜復(fù)雜，可靠性差，給壓縮機機組的安全穩(wěn)定長周期運行帶來很大威脅。為此，某公司140萬t/年催化裂化裝置氣壓機機組監(jiān)控系統(tǒng)采用TRICONEX TRIDENT三重冗余控制器技術(shù)，保證了設(shè)備的平穩(wěn)運行，大大提高了裝置的安全性。

氣壓機組是以透平驅(qū)動離心式壓縮機，它的主要功能是壓縮來自分餾塔頂油氣分離器來的富氣，然后進行氣液分離。該機組在壓縮氣體的同時，擔(dān)負(fù)著控制沉降器壓力的任務(wù)，正常時，通過調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速，控制反應(yīng)壓力，確保裝置的平穩(wěn)運行。

1 TS3000控制系統(tǒng)的特點

TS3000系統(tǒng)最大的特點是能同時滿足高可靠性、高可用性的容錯控制能力，控制系統(tǒng)可以識別控制系統(tǒng)元件故障，自動把故障的元件加以排除，并允許在繼續(xù)完成指定任務(wù)的同時，對故障元件進行在線修復(fù)而不中斷過程的操作。

TRICON系統(tǒng)有3個主處理器，系統(tǒng)中所有的I/O信號都要經(jīng)過硬件的三取二表決。工作原理圖如下圖1所示。現(xiàn)場變送器過來的信號進入輸入模塊后，分成3路，3路之間彼此光電隔離，分別送到3個主處理器，在TRIBUS總線上對數(shù)字量信號進行表決，對模擬量信號進行傳輸，這樣保證每一個主處理器使用同樣的數(shù)據(jù)進行過程控制，然后把3個處理后的結(jié)果分3路分別輸出到輸出模塊，在輸出模塊上進行數(shù)據(jù)表決，以保證輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 TS3000控制器三重化結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 硬件配置

催化裂化裝置氣壓機控制系統(tǒng)由兩個RITTAL機柜組成，柜內(nèi)安裝1套TRICENT控制器（3塊5101MP卡及底板，兩塊5201CM卡及底板，10塊IO卡及底板；DI：4塊，DO：6塊，AI：3塊，AO：3塊）。機柜外設(shè)設(shè)備包括1個工程師站，1個操作站，1個A4打印機。通信系統(tǒng)由CM模塊、集線器和PC組成工業(yè)以太網(wǎng)，工程師站、操作站與Trident控制器可以通過網(wǎng)絡(luò)進行過程監(jiān)控、程序修改和在線下裝。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件設(shè)計

控制組態(tài)軟件主要采用TriStation 1131，主要用于完成控制器的程序編制。而機組控制系統(tǒng)的人機界面軟件采用Intouch8.0，運行Windows2000操作系統(tǒng)。上下位機通過Modbus通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換。在Intouch中通過選裝與下位控制系統(tǒng)對應(yīng)的I/0 Sever即可實現(xiàn)上下位機的動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）。下位機每個需要交換的數(shù)據(jù)都有一個惟一的Modbus地址，與Intouch中標(biāo)記名字典（Tagname Dictionary）中的變量一一對應(yīng)。

3 關(guān)鍵控制方案的說明

3.1 防喘振控制

重油催化裂化裝置的氣壓機組由于是兩段壓縮，應(yīng)用手段就是將一段的出口流量返回到分餾塔頂富氣冷卻之前，將二段出口流量返回到段間冷卻器之前，通過下位機采集壓縮機入口實際流量、壓力和出口壓力的數(shù)據(jù)，依據(jù)排氣壓力PD與吸氣壓力PS之比和入口流量的關(guān)系形成壓縮機的特性曲線如圖3所示。

圖3 離心式氣體壓縮機喘振線及防喘振線示意圖

壓縮機流體流量設(shè)置點由控制線提供，控制線相對喘振線的位置由速度線的斜率決定，控制線位于喘振線右邊區(qū)域?qū)Υ窨刂破鱌I算法是安全區(qū)域，這種安全關(guān)系確定之后被編譯到控制器，其中PI控制用于控制點和壓縮機運行點的比較，并提供一個輸出信號到防喘振閥，來防止流體減小到控制線下。

在流體流量快速減小的情況下，如效果較差，過程混亂，還需補充以下3種另外的控制。

1）運用一條備用線，位于控制線和喘振線之間，如果壓縮機運行點移動到控制線左側(cè)并且達(dá)到備用線，關(guān)閉PI控制很快強制將防喘振閥打開，作為使流體流量增加的需要。

2）如果在給定時間內(nèi)，壓縮機流體流量出現(xiàn)3次低于備用線設(shè)定流量值的波動，喘振控制設(shè)置點就會移動2%，重新建立一個更大的安全區(qū)域，移動累計最大值可達(dá)到10%。

3）增加一個可變比例分?jǐn)?shù)到控制循環(huán)，來協(xié)助當(dāng)壓縮機的流體流量快速減小時的過程穩(wěn)定性。

3.2 調(diào)速控制

在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，機組的速度控制，包括啟動、調(diào)速、超速試驗和超速保護是由專門的調(diào)速器或調(diào)速器加超速保護器來實現(xiàn)實現(xiàn)，如WOODWARD505控制器、TRI-SEN TS310調(diào)速器等。而在本系統(tǒng)中TriStation 1131軟件針對汽輪機在啟機過程中所處的不同狀態(tài)要求，開發(fā)出各種專用的功能模塊（如表1所示），這些模塊可方便地進行組態(tài)連接，實現(xiàn)機組的起機和調(diào)速功能。完全代替了以上硬件功能，這些模塊具有的強大功能使其滿足機組速度控制的所有要求。

表1 調(diào)速的典型功能模塊

當(dāng)壓縮機組各項起動條件具備，系統(tǒng)發(fā)出允許起動命令后，機組開始起動。起動機組分兩種方式：自動起動或手動起動，自動起動是將按照編好的程序按升速曲線自動升速。當(dāng)機組轉(zhuǎn)速達(dá)到正常轉(zhuǎn)速時，機組進入運行狀態(tài)。在整個升速過程中操作員也可以人為干預(yù)，即操作員可以設(shè)定目標(biāo)速度，按操作員的意愿操作機組，這種操作即手動操作，手動和自動可隨時切換并能做到無擾動。

4 系統(tǒng)故障處理

4.1 故障現(xiàn)象

氣壓機控制系統(tǒng)自2005年8月投用以來，先后于2005年11月24日、2008年1月18日和10月23日出現(xiàn)過三次防喘振對話框自動賦值的異常現(xiàn)象，給工藝操作帶來了一定的影響。三次故障現(xiàn)象一樣，皆為防喘振控制人機界面上“手動輸出”賦值框內(nèi)自動賦值（如圖4所示），該輸出信號控制防喘振閥異常動作。由于此故障現(xiàn)象不維持，而且是軟故障，故障過后一切控制都能恢復(fù)正常，這給故障的分析判斷解決帶來了相當(dāng)?shù)碾y度。

圖4 防喘振控制輸出畫面

4.2 原因分析

故障現(xiàn)象第一次發(fā)生時，恰逢冬季冰雪天氣，初始懷疑可能是凈化風(fēng)帶水凍凝造成氣路堵塞而導(dǎo)致防喘振閥誤動作，但通過對歷史趨勢畫面的研讀，發(fā)現(xiàn)防喘振閥是在系統(tǒng)輸出的控制下動作的，即是說問題不在現(xiàn)場，通過對現(xiàn)場的檢查也進一步認(rèn)證了這一觀點，在排除操作失誤的情況后，確定故障發(fā)生在系統(tǒng)本身。故障現(xiàn)象第一次發(fā)生后對系統(tǒng)軟硬件及通信均作了詳細(xì)的檢查和診斷，沒有發(fā)現(xiàn)存在什么問題，重新起動上位操作站后“恢復(fù)正常”； 2008年1月18日同樣的故障現(xiàn)象再次出現(xiàn)，在檢查工程師站時發(fā)現(xiàn)桌面上開始菜單失效，初步懷疑這就是故障原因，針對此現(xiàn)象做了兩個方面的工作：一是把原來用Ctrl+Alt+Del組合鍵強制退出Intuch的方式改為正常程序退出的方式。二是還原了操作系統(tǒng)注冊表的改變。更改后控制系統(tǒng)運行正常；但是，當(dāng)故障現(xiàn)象在2008年11月23日再次出現(xiàn)說明問題的真正原因還沒有找到，為此，結(jié)合前兩次故障處理過程，分析種種可能后，最后確定可能是連接上位和控制系統(tǒng)的兩個（冗余）HUB（24端口以太網(wǎng)集線器）在通信上存在問題。

該系統(tǒng)上位機通過DDE SERVER與TRIDENT控制器交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)監(jiān)視和控制功能。DDE SERVER使用TRICONEX TSAA協(xié)議從TRIDENT控制器讀寫數(shù)據(jù)，INTOUCH監(jiān)控程序使用Windows DDE 協(xié)議與DDE server交換數(shù)據(jù)，Windows DDE協(xié)議以客戶-服務(wù)器方式實現(xiàn)應(yīng)用程序之間互相訪問數(shù)據(jù)。如圖5所示。

圖5 TRICONEX DDE SERVER工作原理圖

由此可見，整個通信主要就由系統(tǒng)通信模塊（CM）、HUB以及軟件DDE SERVER來完成，通過了解，該控制系統(tǒng)在其他數(shù)據(jù)處理上都是正常的，從未發(fā)生類似的問題，那說明軟件DDE SERVER是沒有問題的。從TRICONEX DDE SERVER工作原理圖來看，更加確認(rèn)是HUB（24端口以太網(wǎng)集線器）出了問題。

在大檢修期間，通過點檢維護對該系統(tǒng)進行了全面測試，測試結(jié)果正常，通過快速插拔網(wǎng)線模擬通信中斷時，故障現(xiàn)象再次出現(xiàn)，至此可以判斷是通信瞬間中斷后又恢復(fù)造成了故障的發(fā)生，檢查網(wǎng)絡(luò)連接端口，連接緊固，不會物理上造成通信中斷。集線器的工作機理是廣播，無論是從哪一個端口接收到什么類型的信包，都以廣播的形式將信包發(fā)送給其余的所有端口，由連接在這些端口上的網(wǎng)卡（NIC）判斷處理這些信息，符合的留下處理，否則丟棄掉，這樣很容易產(chǎn)生大量的信息堆積，造成HUB的執(zhí)行效率比較低，導(dǎo)致上位機和控制系統(tǒng)出現(xiàn)通信瞬間中斷。

4.3 解決措施

采用基于MAC地址進行交換的交換機替換了原來的HUB。采用的交換機是TSC工業(yè)以太網(wǎng)交換機（Carat1008FC），同樣用冗余模式。更換以后，運行至今尚未出現(xiàn)類似情況。

5 調(diào)速問題

5.1 故障現(xiàn)象

本系統(tǒng)調(diào)速控制用Tristation 1131中的VIPD04調(diào)速軟件模塊代替了傳統(tǒng)的WOODWARD505調(diào)速器，氣壓機的轉(zhuǎn)速控制能夠達(dá)到控制要求，但在起機過程中轉(zhuǎn)速波動較大，一直達(dá)不到理想的控制水平，如圖6所示。

圖6 氣壓機升速曲線（檢修前）

圖中黃線為轉(zhuǎn)速設(shè)定值，綠線實際轉(zhuǎn)速值，從圖中可以看出在1200RPM暖機階段轉(zhuǎn)速有較大幅度的波動，在目標(biāo)轉(zhuǎn)速2500RPM 處出現(xiàn)了較大的超調(diào)量，且在升速階段出現(xiàn)實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速跟蹤性不好的現(xiàn)象。

5.2 原因分析

根據(jù)控制原理逐步分析可能存在以下幾個原因：①系統(tǒng)輸出設(shè)定值震蕩；②PID參數(shù)設(shè)置不當(dāng)；③調(diào)節(jié)氣門開度控制信號波動較大；④油動機錯油門不夠靈活；⑤起機階段負(fù)荷較輕。針對以上可能原因我們進行逐項排查。

由圖6可以看出輸出設(shè)定值沒有任何波動，且調(diào)速控制回路的 PID參數(shù)進行過多次調(diào)整沒有效果。調(diào)速閥的控制信號確實出現(xiàn)了波動，也可能是油動機錯油門或速關(guān)閥動作不夠靈敏造成。由于機組當(dāng)時處于運行狀態(tài)，無法確定是錯油門或速關(guān)閥問題，只好擇機對氣壓機調(diào)速系統(tǒng)做靜態(tài)試驗，確定問題所在，并解決調(diào)速效果不佳的情況。

5.3 解決方案

大檢修時我們對氣壓機的調(diào)速系統(tǒng)做了靜態(tài)試驗，實驗數(shù)據(jù)不理想，達(dá)不到正常工作要求，特別在在 0%～50%階段，線性極差，對電液轉(zhuǎn)換器反復(fù)進行調(diào)整，仍然達(dá)不到理想效果。后對油動機進行了解體檢查，更換了錯油門的滑閥閥芯后，重新進行靜態(tài)試驗，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 氣壓機調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)表

從上表2可以看出，更換滑閥閥芯后靜態(tài)試驗情況明顯好轉(zhuǎn)，雖然存在量程中某些部分線性度不好的情況，但基本達(dá)到控制要求。

對于暖機階段的負(fù)荷過小的問題，與工藝操作人員進行了協(xié)商，將暖機階段的入口閥開度由原有的10%調(diào)整至30%，增加負(fù)荷后，轉(zhuǎn)速控制效果明顯變好，波動幅度700～800RPM減小至200～300RPM，取得了較好的效果。但還是出現(xiàn)了實際轉(zhuǎn)速曲線畸變，存在單邊波動，是典型的執(zhí)行機構(gòu)摩擦力較大情況下曲線，如圖7所示。其原因應(yīng)是氣門調(diào)節(jié)機構(gòu)盤根過緊、摩擦力過大造成卡澀，運行一段時間后隨著摩擦力的減小，這種現(xiàn)象會有所改善乃至消失。

圖7 氣壓機檢修后升速曲線

6 結(jié)論

傳統(tǒng)的壓縮機控制方案采用各獨立控制系統(tǒng)一起運行，并相互通信的模式，可靠性較差。TRIDENT三重化冗余容錯集成控制系統(tǒng)是一種較為先進的壓縮機組控制方案，該催化裂化裝置TRIDENT控制系統(tǒng)的一次開車成功，既縮短了建設(shè)周期，又增加了系統(tǒng)的獨立性和可靠性。

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