Tricon TS3000系統(tǒng)在澤普化肥廠合成氣壓縮機(jī)組的應(yīng)用

吳景寶，楊啟明，蘇國(guó)軍

(1.中石油塔里木油田塔西南公司儀表運(yùn)行維護(hù)工程部，新疆 澤普 844804；2.中石油塔里木油田塔西南新海公司，新疆 澤普 844804)

Tricon TS3000系統(tǒng)在澤普化肥廠合成氣壓縮機(jī)組的應(yīng)用

吳景寶，楊啟明2，蘇國(guó)軍

(1.中石油塔里木油田塔西南公司儀表運(yùn)行維護(hù)工程部，新疆 澤普 844804；2.中石油塔里木油田塔西南新海公司，新疆 澤普 844804)

主要介紹了Tricon TS3000 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及其軟、硬件配制,分析了Tricon TS3000系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)組防喘振控制和超速保護(hù)控制的方法。

高性能可編程序控制器；三重化；喘振；超速保護(hù)

新疆澤普化肥廠合成氨裝置合成氣壓縮機(jī)組是由沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的一單吸入蒸汽透平驅(qū)動(dòng)的多級(jí)離心式壓縮機(jī)，其透平的控制采用了美國(guó)Triconex公司生產(chǎn)的TriconTS3000控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件性能穩(wěn)定可靠，軟件功能豐富齊全，完全能滿足機(jī)組控制需求，本文將主要分析TriconTS3000的特點(diǎn)及其實(shí)現(xiàn)機(jī)組防喘振控制和超速保護(hù)控制的過(guò)程。

1 TS3000硬件結(jié)構(gòu)

TriconTS3000是一種高性能的可編程控制器，具有高水平系統(tǒng)冗余容錯(cuò)能力。它的容錯(cuò)能力是通過(guò)三重化模件冗余(TMR)結(jié)構(gòu)來(lái)完成的，TMR控制技術(shù)具有高可靠性、高可用性、無(wú)單點(diǎn)故障等特點(diǎn)。TriconTS3000不論其部件的硬件故障或者是內(nèi)部或外部的瞬時(shí)故障都能做到無(wú)差錯(cuò)，不會(huì)中斷控制過(guò)程。如圖1所示，它的結(jié)構(gòu)從輸入模件經(jīng)主處理器到輸出模件完全是3重化的，每個(gè)I/O模件內(nèi)部有3個(gè)獨(dú)立的分電路，輸入模件的每個(gè)分電路讀入數(shù)據(jù)并將此信息送到各個(gè)主處理器，3個(gè)主處理器可利用其專有的高速的3條總線(Tribus)進(jìn)行相互之間的通訊。每掃描一次，3個(gè)主處理器通過(guò)3條總線與其相鄰的2個(gè)主處理器進(jìn)行通訊，達(dá)到同步；同時(shí)3條總線可對(duì)其數(shù)字輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行表決，對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，把模擬輸入數(shù)據(jù)復(fù)制并送到每個(gè)主處理器；主處理器執(zhí)行各種控制算法，算出輸出值送到各輸出模件。輸出數(shù)據(jù)的表決是在輸出模件中完成的，這樣可使其盡可能與現(xiàn)場(chǎng)靠近，并對(duì)3條總線表決與驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的最終輸出之間可能發(fā)生的任何錯(cuò)誤進(jìn)行監(jiān)測(cè)和補(bǔ)償具體冗余容錯(cuò)工作方式：(1)I/O模件是3-2-0工作方式。即對(duì)數(shù)字量是3選2輸出；對(duì)模擬量是3選中輸出。如果1個(gè)分電路故障，則2個(gè)好的分電路取平均值輸出；如果2個(gè)分電路故障，剩下的分電路也將無(wú)法工作。(2)主處理器是3-2-1工作方式，當(dāng)只剩下1個(gè)主處理器正常時(shí)，此主處理器仍能工作，只是失去了判斷比較功能。

圖1 TS3000控制器三重化結(jié)構(gòu)圖

2 TriconTS3000系統(tǒng)配置情況和控制功能

2.1 硬件配置

系統(tǒng)硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括主機(jī)架、擴(kuò)展機(jī)架、電源模塊、處理器模塊、智能通訊模塊(EICM)、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊(NCM)及集線器(HUB)、輸入/輸出模塊及安全柵等相應(yīng)附件。系統(tǒng)根據(jù)點(diǎn)數(shù)的多少來(lái)配置一個(gè)主機(jī)架、一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，組成不同規(guī)模的系統(tǒng)。

2.2 軟件配置

下位機(jī)組態(tài)軟件：Tristation1131，Version：3.1.3，配機(jī)組用擴(kuò)展函數(shù)，S/NNO：3.10。上位機(jī)組態(tài)軟件：WonderwareInTouch，Version：9.5中文版。

2.3 控制功能

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)合成氣壓機(jī)組的控制及邏輯保護(hù)功能，主要控制回路：蒸汽透平速度和吸入壓力控制，密封油差壓控制，壓縮機(jī)喘振控制，負(fù)荷控制，超速保護(hù)控制；自保聯(lián)鎖控制：機(jī)組允許啟動(dòng)，機(jī)組聯(lián)鎖跳車(chē)。

3 TS3000機(jī)組控制系統(tǒng)的防喘振控制功能

防喘振控制系統(tǒng)就是要保證離心式壓縮機(jī)在任何工況下都工作在安全操作區(qū)，以防止喘振現(xiàn)象的發(fā)生。目前采用的方法有固定極限流量法和可變極限流量法，這兩種方法都是用打回流的方法，使壓縮機(jī)的出口流量部分回流至入口，以便使入口流量保持大于喘振點(diǎn)流量?？勺儤O限流量法，是使入口流量的給定值按一定要求隨操作條件而變化，使離心式壓縮機(jī)在任何工況下都具有相同的防喘振裕度，即沿安全操作線工作，這樣在低轉(zhuǎn)速下操作，回流量也會(huì)減少，提高了壓縮機(jī)的工作效率，降低了能量消耗。

澤普塔西南化肥廠合成氨裝置合成氣壓縮機(jī)組是四級(jí)壓縮機(jī)，在合成氣壓縮機(jī)起動(dòng)時(shí)循環(huán)閥A(FV7)，B(FV8)，C(FV59)被打開(kāi)來(lái)防止壓縮機(jī)喘振。當(dāng)最小控制器速度達(dá)到時(shí)，循環(huán)閥將被手動(dòng)關(guān)閉或喘振控制算法間歇地關(guān)閉它們。壓縮機(jī)在每級(jí)都能獨(dú)立地用TS3000喘振算法打開(kāi)循環(huán)閥A、B、C分別對(duì)應(yīng)1、2、3級(jí)，以便當(dāng)操作點(diǎn)處于每一級(jí)喘振控制線左側(cè)時(shí)為防止喘振，保護(hù)壓縮機(jī)。對(duì)于每級(jí)的喘振控制點(diǎn)的計(jì)算是根據(jù)每一級(jí)對(duì)應(yīng)的流量測(cè)量值FE7，F(xiàn)E8，F(xiàn)E59和對(duì)應(yīng)的每一級(jí)壓力和溫度計(jì)算所得到的。第三級(jí)的質(zhì)量流量是通過(guò)第二級(jí)質(zhì)量流量加上第三級(jí)入口流量得到，第三級(jí)的入口溫度是來(lái)自第二級(jí)出口溫度和第三級(jí)入口溫度而來(lái)。第二級(jí)出口壓力和第三級(jí)入口壓力一致。喘振控制曲線如下圖：

喘振控制器由標(biāo)準(zhǔn)喘振控制軟件包組成，從HMI(人機(jī)界面)上可以選擇3種工作模式：

(1)AUTO：自動(dòng)模式，模塊的輸出為 TS3000防喘振算法控制輸出；

(2)PARTIAL：半自動(dòng)模式，模塊的輸出在TS3000輸出和MANUAL之間進(jìn)行高選，比較后輸出；

(3)MANUAL：全手動(dòng)模式，輸出為HMI手動(dòng)，此時(shí)防喘振控制失效，故建議正常運(yùn)行時(shí)不要選此模式。

喘振控制器具有如下功能：

(1)采用壓比算法的喘振曲線；

(2)正常運(yùn)行時(shí)，若工作點(diǎn)突然移向喘振區(qū)，喘振設(shè)定值徘徊功能將打開(kāi)回流閥(防喘閥)；

(3)喘振控制器有適配增益和快開(kāi)、慢關(guān)功能；

(4)比例功能可忽略控制器的調(diào)節(jié)，強(qiáng)制打開(kāi)回閥；

(5)速度控制器和喘振控制器進(jìn)行耦合控制，必要時(shí)可進(jìn)行解耦；

(6)使用自動(dòng)、半自動(dòng)、全手動(dòng)控制功能，可使故障檢測(cè)和調(diào)試變得便利；

(7)如果突然發(fā)生喘振或聯(lián)鎖停車(chē)，用開(kāi)關(guān)量信號(hào)使電磁閥動(dòng)作，快速打開(kāi)防喘閥；

(8)發(fā)生喘振后，防喘控制線自動(dòng)向右移2%(可以修改)。

以下說(shuō)明TS3000系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)防喘振控制的方法。

TS3000系統(tǒng)防喘振控制技術(shù)利用壓縮機(jī)入口流量、出口壓力、入口壓力來(lái)定義操作點(diǎn)、喘振曲線和喘振控制曲線，判斷喘振的發(fā)生情況，利用其專用的機(jī)組用擴(kuò)展函數(shù)來(lái)檢測(cè)喘振的發(fā)生情況并做出相應(yīng)的防喘振控制，大大提高了喘振檢測(cè)的準(zhǔn)確性，靈敏度。TS3000控制系統(tǒng)的喘振控制方法可用功能框圖2來(lái)形象地表達(dá)，圖2中每一個(gè)模塊都定義一種具體的控制功能，各種控制功能之間相互作用，構(gòu)成一個(gè)完整的防喘振控制系統(tǒng)。

圖2 防喘振控制功能框圖

(1)SurgeLine：利用 pd/ps～h/ps喘振算法，確定機(jī)組喘振曲線。

(2)SafetyMargin：計(jì)算出機(jī)組喘振裕度。

(3)Recal：喘振裕度校驗(yàn)。如機(jī)組發(fā)生喘振，說(shuō)明喘振安全裕度設(shè)的不太準(zhǔn)確，需自動(dòng)重新進(jìn)行調(diào)整。氣壓機(jī)組喘振裕度為 9%，機(jī)組每發(fā)生一次喘振，喘振控制曲線向右平移2%，最多移動(dòng)6%，復(fù)位后恢復(fù)到原來(lái)的位置。

(4)ControlLine：生成喘振控制曲線，即喘振曲線加總喘振安全裕度得到喘振控制曲線。

(5)TotalSafetyMargin：喘振安全裕度與喘振裕度校驗(yàn)之和即為總喘振安全裕度。

(6)SurgeDetect：監(jiān)測(cè)工作點(diǎn)離喘振控制曲線的遠(yuǎn)近情況。

(7)SPHover：計(jì)算出喘振控制器的設(shè)定值。

喘振控制器的設(shè)定值根據(jù)工作點(diǎn)的變化而變化，如工作點(diǎn)位于喘振控制線的右邊，改設(shè)定值與工作點(diǎn)的距離為某一設(shè)定值，一般為2%～3%。如工作點(diǎn)位于喘振控制線的左邊，則與喘振控制線進(jìn)行高選，來(lái)確定喘振控制器的設(shè)定值。

(8)Manul：手動(dòng)控制模塊。

(9)SurgePID：喘振控制器，這是一個(gè)快速PID控制器，根據(jù)喘振控制器的設(shè)定值及工作點(diǎn)來(lái)計(jì)算出輸出值。一旦工作點(diǎn)向左移動(dòng)進(jìn)入控制線左側(cè)，喘振控制器的PID開(kāi)始起作用。

(10)ProportionalTerm：比例控制器，工作點(diǎn)向左移動(dòng)進(jìn)入控制線左側(cè)，繼續(xù)向左越過(guò)比例控制線就會(huì)使得比例控制起作用。氣壓機(jī)組喘振線右側(cè)6.3%的位置為比例控制線。

(11)ValveSelector：選擇喘振控制程序的輸出值，即在快速PID控制器的輸出值、比例控制器的輸出值、手動(dòng)控制模塊的輸出值三者之間進(jìn)行高選，輸出控制信號(hào)給防喘振控制閥。

4 TS3000機(jī)組控制系統(tǒng)的超速保護(hù)功能

轉(zhuǎn)速控制的目的是使汽輪機(jī)輸出功率與負(fù)荷保持平衡，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)大氣門(mén)，增大進(jìn)氣量，保持在負(fù)荷變化時(shí)汽輪機(jī)的正常轉(zhuǎn)速。另外當(dāng)負(fù)荷突然減小時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)也要防止轉(zhuǎn)速急速升高。氣壓機(jī)組超速保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

(1)速度信號(hào)選擇處理。速度探頭的選擇采用了Triconex的擴(kuò)展函數(shù)SPEED_SELECT02功能塊。現(xiàn)場(chǎng)共有6支轉(zhuǎn)速探頭，其中3個(gè)作為速度調(diào)節(jié)之用，另外3個(gè)直接進(jìn)三取二超速保護(hù)裝置，中間沒(méi)有任何轉(zhuǎn)換裝置，因此保護(hù)是有效可靠的。而該功能塊最多可以輸入4個(gè)轉(zhuǎn)速探頭信號(hào)，因此，用了2個(gè) SPEED_SELECT02功能塊。每個(gè)速度選擇功能塊的基本算法：4個(gè)探頭信號(hào)均正常，選擇第二高的速度值；3個(gè)探頭信號(hào)均正常，選擇中間速度值；2個(gè)探頭信號(hào)均正常，選擇高速度值；1個(gè)探頭信號(hào)正常，選擇其自身速度值。

當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速大于500 r·min-1后，任何1支小于200r·min-1的探頭都被認(rèn)為故障且不參與選擇，直到重新恢復(fù)正常為止；任何1支轉(zhuǎn)速探頭故障都會(huì)產(chǎn)生報(bào)警標(biāo)志，同時(shí)發(fā)出聲音報(bào)警。任何2支轉(zhuǎn)速探頭的轉(zhuǎn)速差大于200 r·min-1時(shí)，同樣產(chǎn)生報(bào)警。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于等于 9050 r·min-1時(shí)，產(chǎn)生超速聯(lián)鎖標(biāo)志并聯(lián)鎖跳車(chē)。

(2)轉(zhuǎn)速 PID控制。其目標(biāo)設(shè)定值由 Triconex的擴(kuò)展函數(shù) SRAMP03功能塊來(lái)提供。SRAMP03是Triconex開(kāi)發(fā)的專門(mén)用于速度控制的斜坡函數(shù)。在此項(xiàng)目中，正常的升降速速率設(shè)為1000r/min，升降按鈕所用的速率為600r/min，沖臨界轉(zhuǎn)速的速率為5000r/min；臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域?yàn)?700～4650r/min。聯(lián)鎖停車(chē)時(shí)，直接將SRAMP03模塊的輸入目標(biāo)值強(qiáng)制為0。允許啟動(dòng)后目標(biāo)值設(shè)為1500r/min，直到解除惰性轉(zhuǎn)速后才可以繼續(xù)升速。轉(zhuǎn)速PID控制采用了Triconex的專用速度PID擴(kuò)展函數(shù)VPID03功能塊，VPID03功能塊的設(shè)定值輸入是 SRAMP03功能塊的輸出，聯(lián)鎖停車(chē)時(shí)，直接將VPID03模塊的輸出強(qiáng)制為0。

當(dāng)機(jī)組處于轉(zhuǎn)速控制時(shí)(轉(zhuǎn)速在5585～8380r·min-1之間)，VPID03具有比例、積分、微分功能，若機(jī)組處于壓縮機(jī)入口壓力控制時(shí)，VPID03模塊只完成一項(xiàng)功能，就是其設(shè)定值輸入跟蹤測(cè)量反饋值。

5 結(jié)語(yǔ)

用TRICONTS3000系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)組控制，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)上講，具有完善的綜合安全性能和高可用性，TRICON系統(tǒng)達(dá)到了IEC61508設(shè)備使用安全標(biāo)準(zhǔn)暫行條例規(guī)定的3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并獲Tuv安全標(biāo)準(zhǔn)第 5、6級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。與老裝置控制、聯(lián)鎖系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有邏輯功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)起來(lái)靈活，沒(méi)有過(guò)多的硬接線，故障率低，并將透平調(diào)速控制、防喘振控制、自保聯(lián)鎖邏輯控制等整合為一體，給操作人員提供了直觀、豐富、醒目的信息和靈活、方便、快捷的操作手段，給維護(hù)人員提供了方便的診斷方法和事故追憶功能，大大提高了裝置的管理和控制水平。

Application of Tricon TS3000 System in Synthesis Gas Compressor

WU Jing-bao, YANG Qi-ming, SU Guo-jun
(Tarim Oilfield, PetroChina, Poskam 844004, China)

TQ 113.2

B

1671-9905(2010)09-0054-04

吳景寶(1979 - ) ,男 ,吉林長(zhǎng)春人，助理工程師,畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè),現(xiàn)在新疆塔里木油田塔西南公司儀表運(yùn)行維護(hù)工程部從事儀表維護(hù)工作，電話：13899127362， 0998-7585774，郵箱：wujb-txn@petrochina.com.cn

2010-05-13