基于三重化處理系統在稀硝酸機組上的應用

王剛

摘 要：針對硝酸機組的工藝特點及其技術要求，基于ITCC技術，實現了化工機組生產過程監控的自動化控制系統，討論了由現場級、ITCC控制級和HMI監控級三層結構組成的自動化控制系統的結構、功能和控制方法。用喘振控制模式、啟停車控制邏輯模式、PID回路控制及轉速控制調節實現了機組控制的目標。所完成的控制系統成功的應用于10萬噸稀硝酸機組控制系統，實現了機組運行過程的實時監控、喘振控制、啟停車聯鎖邏輯及機組轉速調節控制等功能，取得了明顯的應用成效。

關鍵詞：ITCC；ICS T6300；IFIX；MODBUS

引言

TRUSTED ICS是一個基于三重化處理器的系統，系統硬件采用冗余結構設計。所有模塊均能在線熱更換。這種設計使得系統幾乎可以保持100%在線。

因此，該系統被用來實時地處理各種復雜和危險的生產過程的控制，接受現場信號，執行邏輯運算、PID等各種控制程序，輸出控制信號，驅動現場執行單元。鑒于該系統的特性，應用在稀硝酸機組的監控和保護上顯得非常優越，我們公司已經成功應用了多套，取得了顯著效果。

1 系統概述

1.1 稀硝酸工藝流程簡述

液氨進入氨蒸發器蒸發經氨過熱器到氨空混合器。氨和空氣混合以后進入氧化爐生成NO，氮氧化物氣體從吸收塔底部進入，工藝水從吸收塔頂部噴淋而下，二者逆流接觸，生成58%-60%的硝酸，在經過漂白處理后到酸冷卻器冷卻，進入成品酸貯罐，稀硝酸工藝中最核心的設備是四合一壓縮機組，正常生產時通過硝酸自產蒸汽帶動汽輪機，由汽輪機帶動空氣壓縮機、氧化氮壓縮機和尾氣透平。該機組的正常運行是保證硝酸生產的關鍵，所以，對該機組的監控和保護非常重要。

1.2 自動控制系統

自動控制系統采用TRUSTED ICS雙機熱備系統和 I/O子站組成控制站， IFIX人機界面軟件和DELL工控機組成操作站。形成ITCC系統。系統的整個構成情況如圖1所示。

該ITCC控制系統的ES站和OS站與ICS系統由以太網MODBUS協議連接，ITCC控制站由一個主機架和一個從機架組成。主機框架內有CPU（T8110B）模塊，通訊模塊T8151B，轉速模塊T8442，從機框架內有AI、DI、AO、DO輸入輸出模塊。主機框架與從機框架由一個延伸電纜連接并通訊。ICS系統提供兩種在線更換的方法，即熱備槽方式和智能槽方式。無論被組態為熱備槽方式還是智能槽方式，在線更換工作均不會影響系統的正常工作。

2 網絡結構

該系統由現場總線網絡層和人機界面控制層兩層網絡組成。

2.1 現場總線網絡層

ITCC控制器通過主從機架的延伸電纜通訊，向從機架 I/O站發送或接收數據。ITCC控制器通過modbus RTU通訊，采集BENTLY 3500儀表的測振信號。DCS系統通過ITCC的modbus從站模塊，接收機組運行或狀態信息。

2.2 人機界面控制層

ES站和OS站與ITCC的以太網模塊（T8151B）組成局域網，以IFIX的OPC協議實現與控制器的通訊，進而實現對機組的監控和操作。該控制系統的上位機采用的是國內普遍應用的IFIX人機界面軟件，具有很高的開放性，可以很好的與工廠遠程調度或ERP通訊。

3 控制站和操作站

3.1 控制站

ICS T6300控制站所有模塊都采用TMR技術。Triplex Modular Redundancy，即TMR采用的三重化技術。三重化電路的輸出信號在成為系統輸出之前，經過一個三選二的表決處理器。當三個電路中有一路發生故障，輸出錯誤信號，經過三選二表決后該錯誤信號被屏蔽掉，系統仍然輸出正確的信號（電壓、電流或開關狀態），當出現兩個以上的錯誤信號時，系統報警并采取措施保護機組。系統不會因為內部故障而對過程產生影響，實現連續的、可預測的控制，保護機組。這是這個系統的核心。

3.2 操作站

操作站配置DELL工控機，采用windows xp操作系統，系統可以通過以太網（TCP/IP）連接多臺操作員工作站。任何一臺上位機可同時接收或發送ITCC T6300的數據，兩套上位機可組成冗余系統，OS站安裝有IFIX運行版軟件，其中ES站安裝有IFIX開發版軟件和TOOLSET編程軟件，以便工程師開發或修改組態畫面或ITCC T6300程序。工程師站可以完成下面工作。

* 應用程序組態

* 系統控制

* 實時和歷史數據趨勢記錄

* SOE記錄

* 報警組態和記錄

4 系統功能

利用該系統具有的三重化處理功能對機組實現自動控制、監視，機組啟停車聯鎖控制，防喘振控制，停機事件記錄SOE功能實現，機組轉速控制。

5 防喘振功能

防喘振控制系統按照廠家提供的機組性能曲線（一般都是理論計算值）參數進行防喘振曲線的設置，在現場具備條件的時候做驗證實驗，來保證機組防喘振控制的安全性。這項實驗的目的，是檢驗當工作點向上一定范圍之內的區域都是安全的。

根據壓縮機廠商實測的喘振點繪制喘振折線，如圖2所示。

數學模型為： h=f（Pd、Ps、Ts）

其中：h為壓差。

Pd為壓縮機的出口壓力。

Ps為壓縮機的入口壓力。

Ts為壓縮機的入口溫度。

根據喘振線向右移動5%-10%，產生防喘振線，給出的現場HMI畫面中的折線就是通過這種方法算出來的。

6 轉速調節控制

6.1 現場與HMI控制切換

根據實際情況，可以在HMI對現場機組轉速進行控制，如啟機、停機、轉速SP上設定，轉速SP下設定、繼續、中斷、暖機到額定、復位等操作。endprint

6.2 閥門限制器

閥門限制器的作用是用來手動或是自動打開閥門，用來閥門標定用的。

6.3 閥門標定

閥門標定是在機組開機前可以對閥門進行閥位的限制，正常為0-100%，但由于閥門長時間使用或是現場工況情況，可以把閥門的上限或是下限進行限止。比如說5-90%。

6.4 轉速參數設定

我們可以輸入一些跟機組轉速有關的參數。比如說盤車電機轉速、第一臨界起始點、第二臨界起始點、額定轉速、轉速的上下限、可控制轉速上下限、按鈕轉速SP步長、臨界轉速SP步長、轉速臨界超時設定、使能第一臨界、使能第二臨界、使能順序控制、使能超速試驗。

每一個機組都會有相應的臨界轉速，機組在臨界轉速下時間越長，軸振動就會大大的增加，對機組產生的影響就會越大，因此要減少機組在臨界轉速下的時間。從這一理論下，機組轉速在臨界的時候，臨界時的SP就會以成倍的設定值往上走，這樣，根據差值和PID的調節，轉速就會隨著快速變化增長，在短時間內越過臨界。

6.5 報警跳車監視

報警跳車界面主要是監視2個轉速探頭。失轉或是安裝探頭不正確、第一臨界超時、第二臨界超時、超速。

6.6 參數監視

通過參數監視界面能監視機組的轉動情況。在第一臨界、第二臨界的時間，外部聯鎖動作、啟動情況。

6.7 轉速PID控制

根據機組實際轉速和設定轉速之間的差值，自動進行PID調節。KP和KI據有上下限，會根據轉速的差值大小來自動改變PID參數，從而更精確的計算，滿足生產需要。保持轉速穩定。

6.8 暖機參數設定

機組在沖轉時或是沖臨界時，必須要進行暖機。暖機時間為機組廠家指定，在系統上可以設定。

7 部分程序

部分程序如圖3所示。

8 結束語

該系統采用了技術成熟的ITCC ICS T6300產品和IFIX人機界面軟件，接口開放，易于向上或向下延伸，系統擴展方便，跳車及生產情況記錄及時，數據采集實時顯示精確度高，目前機組運行接近一年，運行平穩，安全可靠，深受用戶好評。

TRUSTED ICS三重化處理器系統在稀硫酸機組上的應用是成功地，在使用過程中TRUSTED ICS保證系統在內部出現故障的狀態下，仍能正確地執行程序。系統所有的模塊均能在線熱更換。這種設計使得TRUSTED ICS系統保持100%在線。TRUSTED ICS被用來實時地處理各種復雜和危險的生產過程的控制，接受現場信號，執行邏輯運算、PID等各種控制程序，輸出控制信號，驅動現場執行單元切實可行。

參考文獻

[1]ITCC ICS 學習手冊[S].

[2]154學生手冊[M].上海：intellution，2001.endprint

6.2 閥門限制器

閥門限制器的作用是用來手動或是自動打開閥門，用來閥門標定用的。

6.3 閥門標定

閥門標定是在機組開機前可以對閥門進行閥位的限制，正常為0-100%，但由于閥門長時間使用或是現場工況情況，可以把閥門的上限或是下限進行限止。比如說5-90%。

6.4 轉速參數設定

我們可以輸入一些跟機組轉速有關的參數。比如說盤車電機轉速、第一臨界起始點、第二臨界起始點、額定轉速、轉速的上下限、可控制轉速上下限、按鈕轉速SP步長、臨界轉速SP步長、轉速臨界超時設定、使能第一臨界、使能第二臨界、使能順序控制、使能超速試驗。

每一個機組都會有相應的臨界轉速，機組在臨界轉速下時間越長，軸振動就會大大的增加，對機組產生的影響就會越大，因此要減少機組在臨界轉速下的時間。從這一理論下，機組轉速在臨界的時候，臨界時的SP就會以成倍的設定值往上走，這樣，根據差值和PID的調節，轉速就會隨著快速變化增長，在短時間內越過臨界。

6.5 報警跳車監視

報警跳車界面主要是監視2個轉速探頭。失轉或是安裝探頭不正確、第一臨界超時、第二臨界超時、超速。

6.6 參數監視

通過參數監視界面能監視機組的轉動情況。在第一臨界、第二臨界的時間，外部聯鎖動作、啟動情況。

6.7 轉速PID控制

根據機組實際轉速和設定轉速之間的差值，自動進行PID調節。KP和KI據有上下限，會根據轉速的差值大小來自動改變PID參數，從而更精確的計算，滿足生產需要。保持轉速穩定。

6.8 暖機參數設定

機組在沖轉時或是沖臨界時，必須要進行暖機。暖機時間為機組廠家指定，在系統上可以設定。

7 部分程序

部分程序如圖3所示。

8 結束語

該系統采用了技術成熟的ITCC ICS T6300產品和IFIX人機界面軟件，接口開放，易于向上或向下延伸，系統擴展方便，跳車及生產情況記錄及時，數據采集實時顯示精確度高，目前機組運行接近一年，運行平穩，安全可靠，深受用戶好評。

TRUSTED ICS三重化處理器系統在稀硫酸機組上的應用是成功地，在使用過程中TRUSTED ICS保證系統在內部出現故障的狀態下，仍能正確地執行程序。系統所有的模塊均能在線熱更換。這種設計使得TRUSTED ICS系統保持100%在線。TRUSTED ICS被用來實時地處理各種復雜和危險的生產過程的控制，接受現場信號，執行邏輯運算、PID等各種控制程序，輸出控制信號，驅動現場執行單元切實可行。

參考文獻

[1]ITCC ICS 學習手冊[S].

[2]154學生手冊[M].上海：intellution，2001.endprint

6.2 閥門限制器

閥門限制器的作用是用來手動或是自動打開閥門，用來閥門標定用的。

6.3 閥門標定

閥門標定是在機組開機前可以對閥門進行閥位的限制，正常為0-100%，但由于閥門長時間使用或是現場工況情況，可以把閥門的上限或是下限進行限止。比如說5-90%。

6.4 轉速參數設定

我們可以輸入一些跟機組轉速有關的參數。比如說盤車電機轉速、第一臨界起始點、第二臨界起始點、額定轉速、轉速的上下限、可控制轉速上下限、按鈕轉速SP步長、臨界轉速SP步長、轉速臨界超時設定、使能第一臨界、使能第二臨界、使能順序控制、使能超速試驗。

每一個機組都會有相應的臨界轉速，機組在臨界轉速下時間越長，軸振動就會大大的增加，對機組產生的影響就會越大，因此要減少機組在臨界轉速下的時間。從這一理論下，機組轉速在臨界的時候，臨界時的SP就會以成倍的設定值往上走，這樣，根據差值和PID的調節，轉速就會隨著快速變化增長，在短時間內越過臨界。

6.5 報警跳車監視

報警跳車界面主要是監視2個轉速探頭。失轉或是安裝探頭不正確、第一臨界超時、第二臨界超時、超速。

6.6 參數監視

通過參數監視界面能監視機組的轉動情況。在第一臨界、第二臨界的時間，外部聯鎖動作、啟動情況。

6.7 轉速PID控制

根據機組實際轉速和設定轉速之間的差值，自動進行PID調節。KP和KI據有上下限，會根據轉速的差值大小來自動改變PID參數，從而更精確的計算，滿足生產需要。保持轉速穩定。

6.8 暖機參數設定

機組在沖轉時或是沖臨界時，必須要進行暖機。暖機時間為機組廠家指定，在系統上可以設定。

7 部分程序

部分程序如圖3所示。

8 結束語

該系統采用了技術成熟的ITCC ICS T6300產品和IFIX人機界面軟件，接口開放，易于向上或向下延伸，系統擴展方便，跳車及生產情況記錄及時，數據采集實時顯示精確度高，目前機組運行接近一年，運行平穩，安全可靠，深受用戶好評。

TRUSTED ICS三重化處理器系統在稀硫酸機組上的應用是成功地，在使用過程中TRUSTED ICS保證系統在內部出現故障的狀態下，仍能正確地執行程序。系統所有的模塊均能在線熱更換。這種設計使得TRUSTED ICS系統保持100%在線。TRUSTED ICS被用來實時地處理各種復雜和危險的生產過程的控制，接受現場信號，執行邏輯運算、PID等各種控制程序，輸出控制信號，驅動現場執行單元切實可行。

參考文獻

[1]ITCC ICS 學習手冊[S].

[2]154學生手冊[M].上海：intellution，2001.endprint