安全柵在空壓機組TRICON控制系統卡件報警中的應用

韋靖博， 楊 光

(安徽晉煤中能化工股份有限公司 安徽臨泉 236400)

安徽晉煤中能化工股份有限公司600 kt/a合成氨原料路線調整節能技術改造項目包含空分、氣化、合成等主要工藝裝置。空分裝置采用低溫精餾法進行空氣分離，配套德國曼(MAN)54 000 m3/h空壓機組，透平壓縮機綜合控制系統(ITCC)采用TRICON TS3000系統。

1 TRICON系統簡介

TRICON系統從主處理器到輸入、輸出模件采用完全三重化的容錯設計，當空壓機組出現異常情況時，將機組控制在一個安全狀態[1]。TRICON系統具有高容錯能力，自身發生錯誤后，系統還能正常控制生產設備；當裝置發生異常時，根據工況變化，能夠自動調整壓縮機運行狀態，保障機組穩定控制和長周期運行[2]。TRICON系統三重冗余結構中的每個I/O通道內都有3個獨立的分電路,輸入卡件的分電路讀入過程數據并將此信息送至各主處理器。3個獨立處理器通過Tribus總線通訊[3]，最后控制輸出卡件，達到控制現場設備的目的。

TRICON系統由控制系統機架(包括1個主機架和2個擴展機架，見圖1)以及控制系統軟件(包括上位機組態軟件InTouch和下位機組態軟件TriStation 1131)等2個主要部分組成。

圖1 TRICON系統構成示意

2 ITCC系統報警與分析

600 kt/a合成氨原料路線調整節能技術改造項目自聯調結束正常投產后，空壓機組TRICON系統1#主機架、3#擴展機架一直處于報警狀態，不僅干擾操作人員監控生產情況，而且為生產系統安全穩定長周期運行埋下了隱患，成為迫切需要解決的問題。

2.1 故障現象

系統3#擴展機架8R熱備卡槽空置，8L位置現有處于工作狀態的3805E型模擬輸出(AO)卡件，處于LOAD監督超載報警狀態，觸發3#擴展機架電源模塊報警，進而引起1#主機架電源模塊報警。上位機監控畫面同步顯示1#主機架和3#擴展機架的報警信息，且無法對報警信息進行確認消除，嚴重影響生產安全。8L報警卡件共有8路AO通道(即0～7路)，系統使用前3路，即0號通道為空壓機放空閥FV1451，1號通道為空壓機入口導葉FV1452，2號通道為增壓機末級去高壓換熱器控制閥FV1902；卡件后5路為空余通道，為避免觸發報警，系統開車前已在所有AO卡件空余通道上接裝阻值為220 Ω的負載電阻。3路通道調節控制回路都是系統重要的生產閥門，正常生產時0號通道閥門全關，1號通道閥門保持27%～45%的開度，2號通道閥門全開，正常開車期間閥門禁止動作調試。

2.2 報警原因分析

裝置停車后，控制系統報警現象隨之消失。利用檢修機會，首先對報警卡件進行更換處理，同時對機柜系統電源、線路、接地等全面排查后進行分析，未見異常，機架電源模塊亦功能正常。裝置正常開車后，報警現象再次出現，排除了AO卡件功能故障等原因觸發報警的可能性。

報警信息復現后，使用系統自有的診斷軟件Enhanced Diagnostic Monitor進行系統自診斷，通過分析收集到的診斷信息，判斷為報警卡件(8L卡件)2號通道負載電壓超限，即FV1902控制閥定位器負載電壓超過卡件輸出控制信號帶負載電壓的上限值，引發機架電源模塊報警。該定位器為azbil AVP102型電氣智能閥門定位器，支持HART協議，正輸出，即100%開度對應20 mA回路電流信號。由歐姆定律U=IR可知，能通過減小負載電阻和回路電流值來降低負載電壓，但智能閥門定位器的輸入電阻通常較高(見表1)，采用更換定位器來減小輸入電阻，不僅需要更改現場閥門儀表空氣風管線，而且各型定位器安裝方式不同，更換其他型號定位器難度較大。回路電流值則是AO卡件根據現場控制閥門所需開度大小輸出的控制信號，不可更改。電阻和電流值都無法降低或更改，則需要提高電壓值來滿足需求，提高系統AO卡件供電電壓上限成為較可行的方案。即需要保證閥門全開位置時的定位器回路電流為20 mA，回路負載電壓最大時的系統負載電壓能夠滿足需求，可解決卡件負載電壓超限報警問題。

表1 不同型號智能定位器的負載電阻

3 改造措施

通過分析論證后，決定利用在主控機柜報警卡件對應通道后端加入模擬量輸出型安全柵的方式來放大AO卡件帶載能力。經過不斷對比和參數分析后,最終選擇德國倍加福KFD2-CD-Ex1.32型安全柵，輸入端連接調節輸出控制信號，輸出端連接現場智能定位器，將電流信號從控制機柜安全區域驅動到現場氣動閥門定位器危險區域，完成主控室至現場閥門的調節控制。此款安全柵為單通道24 V直流供電，4～20 mA模擬量輸入輸出，工作額定電壓20～35 V(直流)，額定電流≤50 mA，負載電阻≤850 Ω，控制端電流值20 mA時的電壓值≤4 V，完全滿足使用需求。

等待停車檢修時對安全柵進行了加裝，并對FV1902閥門進行了全行程開度試驗，卡件LOAD燈正常，卡件一直處于正常工作狀態，系統報警未出現。裝置開車運行后，閥門FV1902全開，且其他兩路閥門均開至正常生產閥位后，系統報警現象未復現，控制系統穩定運行一段時間后機架報警問題未再出現。利用加裝安全柵有效驗證了TRICON模擬輸出卡件LOAD監督超載報警出現的情況，成功解決了空壓機組控制系統機架報警的問題。

4 結語

常規電氣閥門定位器輸入電阻實測在200 Ω左右，而智能閥門定位器的輸入電阻通常高于300 Ω，且隨輸入電流的增加而增大，配置HART協議型的輸入電阻則會更大(如表1中FISHER DVC6200型定位器)。對于電流驅動型的電路，電阻越大，負載兩端電壓越高，消耗的功率越大，輸入電阻越小，則對電流源的負載就越輕。在選用智能型電氣閥門定位器時，一定要與調節器輸出控制信號的帶載能力相匹配，建議帶載應大于550 Ω，才能保證執行機構正輸出時，閥門大開度甚至全開時定位器的正常工作。

當調節器輸出控制信號帶載能力不足時，應在閥門定位器輸入信號回路中加裝信號隔離器件，提升控制信號的帶負載能力，即選用負載阻值高的中間隔離驅動器件，對于防爆場所則選用帶負載能力高的隔離式安全柵，文中所選用的安全柵最大負載電阻為850 Ω。或通過定位器選型采用4線制連接方式，通過單獨配接24 V直流電源的方式來減小定位器的輸入電阻。如果不需要智能定位器配置HART協議支持，應盡可能選取同系列無HART協議型，來降低調節器輸出控制信號帶載能力不足的風險。

卡件報警通常有多種因素觸發，文中僅分析了其中一種引起報警的原因，生產實際中如遇到此類卡件報警問題還需從多個方面認真分析，不斷試驗，才能找到解決問題的方法。