TRICON系統在MTO主風機中的應用

【摘要】本文通過以Triconex公司的Tricon控制系統在煤制烯烴項目甲醇制烯烴裝置（簡稱MTO裝置）CCS（機組控制系統）中的成功應用為例，重點介紹了該系統的軟硬件組成、Tricon三重化TMR結構和防喘振控制原理，并對日常維護中遇見的問題及處理方案進行了舉例說明。

【關鍵詞】煤化工；Tricon；控制系統；主風機

Abastract：This article mainly introduced the software and hardware composition，Tricon TMR structure and the anti surge control theory of the Triconex compony of Tricon control system，which have been used successfully in the methanol to olefins plant（MTO）CCS of Shenhua Baotou Coal to Olefin Project，In addition，some examples of problems and solutions which were happened in normal maintenance were taken to support the argument in the article.

Key words：coal chemical；Tricon；control system；Blower

引言

某公司煤制烯烴項目，是以煤為原料，通過煤氣化制甲醇、甲醇制烯烴、烯烴生產聚乙烯、聚丙烯的煤化工項目，年產聚乙烯30萬噸、聚丙烯30萬噸。煤化工煤制烯烴工藝，開創了煤基能源化工產業的新途徑，結合我國“富煤少油缺氣”的能源結構特點，充分利用我國儲量豐富的煤資源，大力開發煤炭替代石油的新技術，對于我國保障國家能源安全、降低能源風險，推進低碳經濟發展具有重要意義。某公司煤制烯烴項目甲醇制烯烴裝置（簡稱MTO裝置）采用中國科學院大連化學物理研究所、中國石化集團洛陽石油化工工程公司和陜西新興煤化工科技發展有限責任公司共同開發的DMTO工藝技術。其核心動力設備是由沈陽鼓風機集團有限公司（以下簡稱“沈鼓”）提供的兩套主風機組。

1.機組概述

MTO裝置兩臺主風機組為一主一備，該主風機組用于神華包頭煤化工有限公司MTO裝置甲醇制烯烴單元，機組為雙層布置，戶外安裝，有頂棚，無采暖設備，設備安裝在非防暴場所。壓縮機采用電機驅動，壓縮機主機、增速機及電機采用整體鋼結構底座，布置在廠房二樓，潤滑油站等輔機布置在廠房一樓，潤滑油事故停車高位油箱布置在機組回轉軸中心線上方6米處。

主風機采用電機帶動壓縮機來壓縮。TRICON作為機組控制系統主要實現：壓縮機組啟、停控制；壓縮機組工藝流程控制；離心壓縮機的防喘振控制；壓縮機軸振動、軸位移、軸溫監控；油路系統控制；壓縮機聯鎖保護。

主風機的振動、位移、轉速的監測采用的是本特利內華達3500系統，該系統由電渦流傳感器（探頭）、延伸電纜、前置器、信號電纜、監測系統組成。監測器出來的信號通過硬接線連接到Tricon系統；主風機的測溫元件內埋于軸承瓦塊中，采用Pt100型鉑電阻雙支軸承溫度探頭，信號直接進入Tricon系統。

2.控制系統

2.1 控制系統硬件概述

2.1.1 控制系統硬件結構及工作原理說明

主風機采用的是TRICONEX公司的TS3000控制系統，該控制系統采用TMR冗余容錯控制器，既保證了設備的容錯能力，又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控制，大大提高了系統的安全性和可用性。

三個主處理器為TMR模塊冗余，每個主處理器模塊都可以獨立在線插拔更換，而不影響系統運行，系統所有IO模件都為TMR冗余，系統每個IO模件都有對應的熱備插槽，IO卡件允許在線熱插拔，每一個I/O模件內都包容有三個獨立的分電路。輸入模件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至各個主處理器。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件。

2.1.2 信號處理

卡件并不與信號直接連接，現場信號首先接入專用端子板，再經卡件與端子板之間連接的專用連接電纜進入卡件。信號在端子板上進行必要的轉換、隔離處理，比如DI端子板設有保險，以防止大電流造成的損壞，并設有LED燈用以指示回路斷路。

MTO進入TRICON控制系統的AI信號均經過隔離柵后再接入AI端子板，而AO信號從AO端子板出來后，也要先經過隔離柵后再送至現場；除干觸點外，DI、DO信號全部經過繼電器隔離后接入數字量端子板；重要儀表，比如振動、位移等重要的聯鎖模擬量經過本特利3500監測器后輸出一組模擬量再送到AI端子板，從端子板出來的信號全部進入TRICON系統。

2.1.3 工程師站

工程師站安裝基于WindowsXP的Tristation 1131軟件，可以實現系統組態、應用程序開發、系統維護、系統診斷、離線仿真、邏輯修改變更等功能。允許在線下裝到正在運行的程序控制器中，而既不干擾安全保護，也不干擾工藝過程控制。工程師站在緊急情況下可以作為操作員站使用。同時，工程師站上安裝了SOE（順序事件記錄）的相關軟件，用于在線記錄系統的各類報警及動作事件，并進行存儲，可供查詢、追溯、打印，SOE的時間分辨率可達到毫秒級，可一次性記錄數據量達60，000條，為事故分析提供了有力保證。

2.1.4 操作員站

操作員站冗余的以太網通過TSC工業以太網交換機與Tricon系統TCM通訊卡接口相連接，中間由高速冗余的光纖傳輸數據。操作員站安裝在UCR中，安裝專業的人機界面Intouch軟件，用于實現對壓縮機組完整的操作、監控。

2.1.5 系統供電

CCS系統供電接受兩路220VAC UPS供電。另外，還接受一路220VAC市電。機柜內照明、風扇及插座等供電由市電供電。CCS系統提供專門的24VDC冗余電源，用于柜內其它設備及現場儀表回路供電。

2.2 控制系統軟件概述

2.2.1 Tristation1131的運行環境

Tristation1131是TRICON系統的組態軟件，運行于Windows/XP或者更高的操作系統，它的主要作用是對機架（包括主機架、擴展機架、遠程機架）組態、I/O卡件組態、Tristation 1131的通訊配置、TCM通訊設置組態，軟件分為仿真面板、控制面板、診斷面板。Tristation 1131程序支持三種語言：方塊圖（FBD），梯形圖（LD），結構文本（ST）。使用語言編輯器可以開發和執行程序，TRICON系統可以設置每一種模塊，為每一種I/O模塊設置點；設置TRICON系統事件順序記錄（SOE）功能；運用不同的“用戶名”和“密碼”權限等級，來保護工程文件和程序；利用仿真功能，調試邏輯程序；通過控制面板可以顯示系統參數和診斷信息。

2.2.2 DDE通訊設置組態

DDE（Dynamic Data Exchange）動態數據交換是Tristation 1131與Intouch的通訊協議，它是Microsoft開發的一種通訊協議，可供應用程序發送/接收數據與指令。通訊配置：

（1）運行DDE SERVER建立1131NODE名稱

（2）在InTouch中建立新的訪問名，包括應用程序名和主題名

（3）在InTouch中建立I/O類型標記名，項目名與1131中的地址信息（Alias）相對應

2.2.3 Tricon系統的監控軟件（Intouch）

Tricon控制系統選用的監控軟件是英國Wonderware公司開發的Intouch，它具有世界領先的HMI和面向對象的圖形開發環境，便于高效、快捷地配置用戶的應用程序。該軟件平臺基于Windows/XP操作系統，通過高速網絡與控制器通訊，確保數據及時刷新，從而更好地實現操作人員監控和操作。

2.2.4 增強型診斷監視軟件（Enhanced Diagnostic Monitor）

打開軟件，組態好要診斷系統的信息，包括節點名稱、節點號、IP地址，然后進入系統的診斷面板，當一個TRICON卡件上的紅色指示燈亮起時，說明TRICON自檢發現自身有問題或者是發現了接線或現場設備有問題，此時雙擊該故障的卡件會彈出其屬性窗口，該指示框對每一個故障都有一個列表，有Field Faults（現場故障）、Power Faults（電源故障）、Voter Faults（表決故障）。

3.控制系統網絡

Tricon系統外部通訊采用兩個TCM通訊模件冗余配置。每個通訊模件都提供2個TCP/IP協議RJ45端口，每個端口通訊速率100Mb。每個通訊模塊還有4個串行端口，采用MODBUS RTU協議，通訊速率115Kbps。系統內部通訊也是完全三重化冗余。

該網絡冗余設置，主機架與擴展機架專用電纜連接，擴展機架與遠程機架光纖連接；工程師站/操作員站通過TSC工業以太網交換機與主機架的TCM通訊模塊相連，操作員站是通過光纖傳輸數據；Tricon系統通過TCM冗余的RS-485接口與DCS系統進行串行通訊，執行MODBUS RTU的通訊協議，DCS系統為主機，CCS系統為從機。

4.防喘振控制

因為喘振發生得很快，必須使用特殊的控制技術來保證防喘閥及時打開。TRICON控制器的運算速度很快，而且能夠高效處理復雜的算法，所以TRICON控制器可以理想地實現防喘控制。

MTO壓縮機使用的是入口流量（hc）與出入口壓比（PD/PS）的喘振線，依靠調整出口放空防喘振閥門的開度，達到增大入口流量的效果，從而使工作點向坐標的右側移動，達到遠離喘振線的目的。而防喘振控制就是控制好防喘振閥門的開度，使工作點盡可能的在防喘振線右側，同時為了節能、又盡可能的接近防喘振線。其中喘振線是依據機組廠家提供的特性曲線進行繪制的一個曲線圖。

工況點和安全裕度：機組入口經過溫壓補償后的標準流量與出口和入口的壓力比作為喘振圖的工作點，即工況點；依據喘振圖，運算出工況點與喘振線的距離，即安全裕度。

安全裕度重校：如果系統檢測到工作點越過喘振線，表示喘振已發生，喘振控制線將被自動調節到右方，而加大安全余量。每當喘振被檢測到，安全裕度增加（控制線右移）一個校準量。系統組態為每次增加一個固定量2%，重校發生的最大次數組態為10次。可以通過手動復位，復位掉防喘振線的校準量。

設定點浮動線：一般情況下，壓縮機不會在喘振線上持續運行或過長時間運行。當工作點在控制線右方（安全區域），喘振控制器的設定線須在當前h值的某一可設百分比范圍內以可設值移動。當工作點越過設置點（浮動線），以小幅快速向喘振線竄動時，將發生如下情形：防喘閥迅速打開，實現快開功能；設定點浮動線將以可設值移動直至防喘閥全關，實現慢關功能；新工作點建立。

手自動控制：如果防喘振控制在自動情況下時，以防喘振PID、防喘振比例項的輸出的最大值進行調整；半手動時，增加一個手動輸入進行高選；純手動時，僅以手動輸入值作為輸出值。同時此輸出須經過開、關閥速率調整才能直接輸出給閥門，從而能夠更好的控制閥門的變化。

比例功能：系統有一純比例調節階段，該階段可獨立于正常PI控制器打開防喘閥。當工作點移到喘振控制線左方，而正常PI控制器無法提供足夠響應，可能導致嚴重的過程失序時，則進入該階段。亦即在控制線左方到達某一特定裕度，則打開防喘閥，進入該階段。當工作點與喘振線重合時，防喘閥全開。換言之，工作點進入喘振控制線及喘振線之間時，防喘閥按比例打開。該比例階段是由信號選擇器來實現的。控制器的反饋動作迫使控制器輸出跟蹤該階段。即使在喘振控制器失調情況下，此特性仍可保護機組

DUMP輸出：當向喘振控制線左方出現特定竄動時，一個觸點輸出打開大功率電磁閥，來使防喘閥快開。當系統從喘振狀態回來時，電磁閥關。對閥的控制則可從比例控制恢復到正常的喘振控制。

5.日常維護中遇見的問題及解決方法

在日常使用過程中，發現有以下幾個問題：

（1）沈鼓提供的主風機沒有盤車電機。在運行初期，每次啟動過程中，高速軸軸振動就會高報，甚至達到跳車值，導致機組開不起來，此機組軸振動的跳車邏輯是一取一，只要軸振動高高報，就會停機，所以不得不把高速軸軸振動旁路掉。經分析：軸振動之所以這么高，是因為在沒有盤車電機盤動的情況下，直接由主電機通過齒輪箱帶動壓縮機轉子高速轉動，會產生很大的扭力矩，在這個時候軸振動很高，而且沒有盤車過程，且機組為冷機，在大扭矩力的作用下，很可能會損壞機組。所以，很有必要安裝盤車電機，安裝位置只能在增速機前端，而增速機前端安裝有三取二的軸位移探頭，考慮到推力軸還有一組三取二軸位移探頭，去掉增速機前端的軸位移探頭不會影響機組的安全運行，所以，增加了盤車電機。

（2）時鐘同步。在機組運行過程中，經常由于各個控制器之間、各個系統之間時間不同，在事故分析時，給我們帶來了很大麻煩，往往由于前因后果判斷不出來，導致問題分析不清楚。所以，在大檢修時我們將Tricon系統與同裝置DCS、SIS 等系統做了時鐘同步，確保裝置所有信息在相同時基下運行。在本方案中，Tricon系統接受來自DCS 的時鐘校對信號（DO），定時校準Tricon系統的時鐘與DCS保持同步。Tricon系統控制器和上位機之間通過基于以太網上的SNTP自動實現時鐘同步。當時鐘同步故障時，Tricon系統將提示報警并自動執行自己的時鐘。

（3）操作員因誤操作退出監控畫面或關掉DDE，導致畫面數據變為死值，沒有動態變化。因此我們要限制操作員權限，操作員只能監視和調整工藝參數，同時禁掉Windows任務欄，屏蔽Alt鍵、Esc鍵、Window鍵等，有效防止操作員因誤操作關掉監控畫面和DDE。

6.結束語

本裝置的Tricon系統在裝置的開工初期經過大量的調試、處理缺陷，目前已正常運行。該系統通過三重模件冗余結構（TMR）提供容錯能力，大大提高了設備的安全性和可用性，為壓縮機安全平穩運行提供了有力保障。

參考文獻

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作者簡介：賈國華（1983—），男，2007年畢業于內蒙古農業大學食品科學與工程專業，現供職于中國神華煤制油化工有限公司包頭煤化工分公司機電儀中心。