DCS系統變頻控制回路的保護研究及應用

廖旭芳，王密

中國石油西南油氣田公司，四川成都，610500

0 引言

天然氣處理廠的主要功能是對開采出來的天然氣進行凈化和加工，去除里面的雜質（酸、水、硫等），提高天然氣的純度，避免在使用過程中出現問題，同時，通過進一步的加工處理，可以生產一系列的天然氣附加產品，從而提高經濟效益。在凈化和加工過程中需要經過諸多的工序，需要對生產過程進行實時監控，同時需要實現異常報警響應，因此配備DCS系統以實現精細化、安全化、可控化生產。

1 DCS系統在天然氣處理廠的應用

1.1 天然氣處理廠工藝組成

阿姆河第二天然氣處理廠設計規模為年處理天然氣90×108m3/a、生產模凝析油54.16×104t/a。處理廠工藝裝置包括集氣裝置、脫硫脫碳裝置、脫水裝置、脫烴裝置、酸氣處理裝置、凝析油穩定裝置、胺液凈化裝置、凈化氣外輸出站閥組區和凝析油外輸發送裝置；生產輔助裝置：火炬及放空系統、凝析油罐區、污水處理裝置、全廠工藝及熱力系統管道、氣田水蒸發、焚燒池等；公用工程：給排水系統、消防系統、循環冷卻水系統、供配電系統、通信系統、鍋爐房、空氣氮氣站和燃料氣系統等[1]。

1.2 DCS系統概述

根據工藝裝置分布及功能劃分情況，全廠設計了7套DCS控制站。DCS系統采用橫河電機公司的CENTUM VP系統。DCS控制系統綜合了計算機技術、CRT和過程控制技術、網絡技術等，在可操作性、可靠性、發生故障率等方面具有突出優勢，是天然氣處理系統中非常核心的、具有長遠前景的一項控制技術。隨著現代技術的飛速發展，天然氣處理廠的自動化水平逐步得到提高，對DCS系統的依賴程度也越來越突出。

DCS系統采用容錯設計，可以保證當某一臺計算機出現故障時不會影響到系統中其他功能的運行。另外，DCS系統中的每臺計算機都承擔著相對單一的任務，故可以通過配備特定的系統，有針對性地在不同計算機上實現所需功能，這種運行方式間接性地提高了系統的可靠性。DCS系統的控制功能相對開放。系統程序可以對任意任務預先設定優先級和運行周期，在實現復雜調節回路功能的基礎上，可以做到開關量的快速控制。DCS的系統配置靈活多變。該系統通過在簡單的調用算法庫中選擇適當的控制程序配合從圖形庫調用基本圖形來實現多種監控和報警畫面。DCS系統維護相對簡單。由于DCS系統采用分散結構，每臺計算機都有特定功能，故對故障的檢測與維修相對簡單。DCS系統的工作站之間具有相互協調性。工作站之間通過通信網絡來實現信息和數據的傳送，以達到信息的共享及工作的協調，因此在優化處理方面有一定的優勢。

處理廠所采用的橫河電機CENTUM VP系統具有以下技術特點：①采用千兆帶寬的控制網；②點對點的網絡結構；③99.99999%（7個9）的系統可用性；④獨有的4CPU 控制技術；⑤靈活的結構；⑥先進的人機交互機制；⑦統一的報警管理；⑧便捷優異的組態功能。

CENTUM VP系統采用非服務器/客戶端的結構，因為在典型的服務器/客戶端結構中，當服務器停止工作后，所有的HMI客戶端也都將停止工作，而PC機服務器的可靠性有時并不是十分高。而此非服務器/客戶端的結構的先進性體現為：雖然PC機的可靠性不是十分高，但是它并不影響橫河電機DCS過程操作功能的整體可靠性；每臺PC機獨立運行，互為冗余，規避了由單個設備故障引起整個處理廠一系列的事故。

2 變頻控制回路在天然氣處理工藝中的應用

2.1 變頻控制回路的工藝應用

變頻控制（DCS系統對變頻器的控制）在天然氣處理廠實際的應用主要為工藝介質溫度的冷卻風機的變頻控制和再生氣壓縮機冷吹氣流量的變頻控制。天然氣處理廠共有四列主體裝置，每一列主體裝置有5臺變頻風機和2臺再生氣壓縮機（一備一用），其在工藝中的應用主要為：①脫硫脫碳單元的貧液溫度控制。②脫硫脫碳單元的酸氣溫度控制。③脫水單元的富再生氣溫度控制。④脫水單元的冷吹氣流量的控制。

2.2 變頻控制回路的工作原理

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。

DCS系統對變頻器的控制，主要就是對變頻器的調速控制。而變頻器的調速實質就是控制IGBT的觸發與導通。通過控制IGBT的觸發與導通，可以將經整流后的直流電源轉換成頻率和電壓都可以任意調節的交流電源，從而達到調速的目的。

3 變頻控制回路實際應用中的問題

3.1 DCS系統故障問題

從處理廠投產試運起，自控儀表管理人員檢查DCS系統時，陸續發現DCS系統的AO卡件有頻繁的掉線現象，如圖2的DCS系統狀態中紅色卡件所示。雖然通過重新熱插拔可以暫時恢復AO卡件的使用，但對DCS系統的可靠性是個極大的隱患。

3.2 故障原因分析

為了弄清DCS系統AO卡件掉線原因，我們進行了仔細的分析與實際排查工作。首先進行了掉線AO卡件的完好性檢查，發現AO卡件本身并無故障問題，而且并非每次都是該卡件掉線，所以更加排除了卡件本身質量問題。其次對掉線AO卡件上的控制電纜依次進行檢查，未發現問題，同時線纜絕緣良好，對地也絕緣良好。最后檢查測試是否存在強干擾影響該卡件上的控制回路，最終檢查測試也排除了該可能性。我們從DCS系統和儀表本身運行情況出發，并未找到導致AO卡頻繁掉線原因，故只有從其他地方查找原因。之后結合工藝操作和DCS系統AO卡掉線記錄研究發現，AO卡掉線總是在工藝操作人員停掉現場冷卻風機或者再生氣壓縮機時出現的，并且該冷卻風機或者再生氣壓縮機均為該AO卡件上的變頻控制回路對象。至此，我們基本上確定了AO卡掉線是由于變頻冷卻風機或再生氣壓縮機停用，變頻器斷電所致[2]。

為了確定真正原因，我們對冷變頻器的控制回路電阻值進行測試，發現變頻器正常通電，電阻約為300Ω；斷電后，電阻值約為9000Ω，已經遠遠超出DCS系統模擬量輸出通道要求的可負載電阻范圍0～750Ω。故當AO卡件檢測到負載回路電阻超出其負載范圍后，AO卡件將自動掉線以保護其卡件及DCS系統。在變頻器恢復通電后，DCS系統的掉線AO卡件需要通過重新熱插拔的方式才能恢復正常使用。

DCS系統AO卡件掉線后，冗余的卡件啟動運行，系統暫時工作正常。但如果回路負載沒有及時恢復正常，長時間運行會對冗余啟動的卡件精度和壽命造成影響，甚至損壞卡件，從而導致卡件其他正常回路失控，最終可能造成裝置的停車。

為了徹底解決AO卡掉線問題，我們進行了詳細分析。冷卻風機和再生氣壓縮機變頻控制的變頻器均為施耐德的ATV61系列變頻器。由于ATV61系列變頻器的固有特性：其斷開三相輸入電源后，內部直流模塊及相關保護停止工作，為了防止外部浪涌損壞板件，采用斷電后增大模擬輸入回路電阻的方式來實現。由于該固有特性的存在，不可能從改變變頻器方面解決AO卡掉線問題，同時由于工藝操作的安全性及檢維修安全性考慮，也無法使變頻器永不斷電來保證其正常電阻值從而防止AO卡掉線，故只有從DCS系統方面想辦法解決該問題。

4 AO卡掉線整改方案

由于確定了是變頻控制的風機和再生氣壓縮機停用，變頻器斷電導致DCS系統AO卡掉線的原因后，我們從DCS系統控制回路方面著手整改措施。天然氣處理廠為易燃易爆區域，所以與DCS系統相連接的儀表設備均為防爆隔離型的，且滿足設計的防護等級。故DCS系統的設計控制回路圖為：

由于變頻控制回路在變頻器斷電后，其回路阻抗不滿足0～750歐姆的要求，不能直接接入DCS控制系統，故可以在DCS系統與變頻器之間的輸出回路中通過增加隔離式安全柵的方式解決該問題[3]。

4.1 安全柵介紹

安全柵應用在本安防爆系統的設計中，它是安裝于安全場所并含有本安電路和非本安電路的裝置，電路中通過限流和限壓電路限制了送往現場本安回路的能量，從而防止非本安電路的危險能量串入本安電路，是本安系統的重要組成部分。由于安全柵被設計為介于現場設備與控制室設備之間的一個限制能量的接口，因此無論控制室設備處于正常或故障狀態，安全柵都能確保通過它傳送給現場設備的能量是本質安全的。

隔離式安全柵除具有限壓與限流的作用之外，還帶有電流隔離的功能。隔離式安全柵通常由回路限能單元、電流隔離單元和信號處理單元三部分組成。回路限能單元為安全柵的核心部分。此外，輔助有用于驅動現場儀表的回路供電電路和用于儀表信號采集的檢測電路。信號處理單元則根據安全柵的功能要求進行信號處理。由于隔離式安全柵采用了限壓、限流、隔離等措施，不僅能防止危險能量從本安端子進入危險現場，提高系統的本安防爆性能，而且還增加了系統的抗干擾能力，大大提高了系統運行的可靠性。

4.2 控制回路整改

本次整改是在控制回路中增加了隔離式安全柵的回路圖為：

4.3 KF系列隔離式安全柵特點

本次改造選用PEPPERL+FUCHS的KF系列隔離式安全柵（標準型）型號為KFD2-SCD-EX1.LK。此隔離式安全柵具有以下特點：單通道、可安裝在危險區zone2、短路與斷路檢測、HART信號傳遞（電氣隔離）、電磁兼容性符合NAMUR NE 21、根據IEC61508安全等級可達到SIL2等級[4]。

其功能主要為：將4～20mA電流從安全區傳遞到危險區。智能數字信號疊加在安全區和危險區的模擬信號上。HART信號允許安全區和危險區雙向傳輸。線路檢測，輸入特性：正常狀態下負載電阻，現場側帶載能力100Ω～700Ω；現場短路，安全側輸入阻抗小于50Ω；線路開路，當I_ON=20mA時，安全側輸入阻抗大于2kΩ。負載電阻大于700Ω時，電流信號無法傳輸。當線路短路時，輸入阻抗大于100kΩ，電流降到1mA以下，紅色故障指示燈LED閃爍。正常狀態下，輸入壓降小于4VDC(200Ω/20mA時），交流輸入阻抗與輸出阻抗相對應。

5 變頻控制回路整改后的實際運行情況及評價

為了天然氣處理廠的平穩安全運行，我們第一時間購買了隔離式安全柵，以最快的速度完成了DCS系統控制回路整改。從整改后運行至今，DCS系統的變頻控制回路所在AO卡件再沒出現過掉線情況，實際DCS系統狀態完好，如圖5：

從DCS系統實際的運行情況看，該變頻控制回路保護性改造非常成功，保證了DCS系統的完整、安全、可靠性。由于該變頻控制回路與其他的控制對象隸屬于同一塊DCS輸出卡件，一旦該變頻器斷電，DCS輸出回路負載電阻變大，超出負載要求范圍，整塊DCS輸出卡件將失效，如果不能及時發現和恢復，將有可能導致同一塊DCS輸出卡件的其他控制回路控制失效，甚至導致裝置停車。故為天然氣連續生產處理產生了巨大的經濟效益[5]。

6 結論

通過在DCS系統變頻控制回路中增加隔離式安全柵的措施，使系統與外部設備進行了隔離保護，很好地解決由于變頻器停用斷電后導致DCS系統模擬量輸出卡掉線的問題。由于隔離式安全柵采用了將輸入、輸出以及電源三方之間相互電氣隔離的電路結構，同時符合本安型限制能量的要求，因此可以應用到很多其他類似場合。