大慶煉化公司機(jī)電儀廠 徐林慶

GE公司Rx3i冗余控制系統(tǒng)在大機(jī)組中的應(yīng)用

大慶煉化公司機(jī)電儀廠 徐林慶

針對離心壓縮機(jī)組儀表控制系統(tǒng)改造，選用冗余的Rx3i作為控制核心，保持原有的控制方案不變，將程序解讀轉(zhuǎn)化，對PLC、HMI進(jìn)行重新編程，保持原有的操作界面及風(fēng)格，使上位機(jī)與PLC系統(tǒng)緊密結(jié)合，實現(xiàn)過程的監(jiān)控。該項目的成功實施，為RX3i冗余系統(tǒng)的使用和編程奠定堅實基礎(chǔ)，并為國內(nèi)大機(jī)組控制系統(tǒng)改造提供一整套的硬件配置及軟件組態(tài)方案，值得借鑒和參考。

冗余；容錯；程序解讀；編程

1 控制系統(tǒng)改造的背景與環(huán)境

原丙烷壓縮機(jī)、循環(huán)氫壓縮機(jī)儀表控制系統(tǒng)采用GE公司的冗余90-70控制系統(tǒng)如圖1所示，共采用兩套PLC槽架，硬件組成上完全相同，但在硬件配置上有所不同，其中主、從機(jī)架的IP有所不同，主機(jī)架的IP為10.0.0.1，從機(jī)架的IP為10.0.0.2。另外主從機(jī)架的GBC模塊配置有所不同，主機(jī)架GBC模塊的地址為31，從機(jī)架GBC模塊的地址為30。PLC通過GBC對分布式I/O進(jìn)行控制及管理，并通過令牌式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，訪問分布式I/O系統(tǒng)，完成對現(xiàn)場的過程數(shù)據(jù)顯示及控制。

以上方案存在的隱患：

（1）控制系統(tǒng)冗余方案為軟冗余，正常時只有地址為31的GBC機(jī)架有控制權(quán)，當(dāng)有故障發(fā)生時，自動切換到地址為30的GBC，當(dāng)GBC31恢復(fù)后又自動切換到GBC31機(jī)架控制，無法實現(xiàn)人為的主從機(jī)架之間的切換。

（2）冗余方式為單網(wǎng)，所有的分布I/O模塊并接在網(wǎng)絡(luò)上，只有一條控制網(wǎng)絡(luò)，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，I/O模塊將無法控制，將直接導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。

（3）控制系統(tǒng)老化，備件成本較高，上位機(jī)依然采用Win2000操作系統(tǒng)。由于現(xiàn)有的上位機(jī)硬件無法提供Win2000的硬件驅(qū)動，一旦上位機(jī)出現(xiàn)故障，無法及時恢復(fù)。

（4）主從機(jī)架對I/O的控制只采用一個GBC模塊，未實現(xiàn)I/O控制模塊的冗余。鑒于以上原因，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，將90-70控制系統(tǒng)更換為GE PAC Rx3i控制系統(tǒng)。

2 改造系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 控制機(jī)柜電源冗余

在本次改造中為防止電源系統(tǒng)波動造成機(jī)組停機(jī)事故，在實際中采用了兩路供電，一路由UPS供給，另一路由市電供給，分別作用在兩個24VDC電源箱上，電源的輸出端通過二極管模塊輸出，保證了24VDC電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 PLC機(jī)架電源冗余

為防止電源波動，PLC機(jī)架電源模塊被設(shè)計成直流24VDC電源，防止交流電壓一旦出現(xiàn)波動給系統(tǒng)帶來影響，同時無論在主從機(jī)架還是遠(yuǎn)程機(jī)架上都插入兩個電源模塊，以防止電源模塊故障給系統(tǒng)帶來影響。

2.3 控制器冗余

GE控制器有兩種，一種是非冗余的CPU，另一種是用于冗余機(jī)架的CRU，均能夠?qū)崿F(xiàn)冗余設(shè)計，但通過CPU實現(xiàn)的冗余通常為軟冗余，通過CRU可真正實現(xiàn)控制機(jī)架之間控制的硬冗余，同時實現(xiàn)了冗余機(jī)架之間的手動切換。機(jī)架之間的切換有兩種，一種是自動切換，由系統(tǒng)直接控制，當(dāng)與上位機(jī)的以太網(wǎng)環(huán)路出現(xiàn)故障或用于控制分布式I/O的以太網(wǎng)模塊故障（控制分布式I/O的以太網(wǎng)模塊有兩個，需要同時出現(xiàn)故障）時，系統(tǒng)將自動切換主從機(jī)架；另一種是手動切換，可按照人的需求進(jìn)行切換，長時間按住任意機(jī)架RXM模塊的切換鍵就可實現(xiàn)手動切換。

2.4 在用機(jī)架的判斷

正常情況下主從機(jī)架之間只有一個機(jī)架處于在用位置，具有實際的控制權(quán)，必須通過RXM上的狀態(tài)指示燈用于判斷哪個在用，哪個備用。如表1、表2所示。

表1 在用機(jī)架狀態(tài)

表2 備用機(jī)架狀態(tài)

2.5 對分布I/O控制冗余

對分布I/O的控制是通過主從機(jī)架上的ETH模塊實現(xiàn)的，在每個機(jī)架上都有兩個ETH模塊用于對分布I/O的控制，當(dāng)正在控制的一個ETH模塊故障時，自動切換到另一個ETH模塊，如果兩個ETH模塊都出現(xiàn)故障，主從機(jī)架之間將自動實現(xiàn)切換，這樣對分布I/O就實現(xiàn)了雙網(wǎng)絡(luò)、雙控制器的冗余。

2.6 機(jī)架之間數(shù)據(jù)同步

為保證冗余機(jī)架之間的互為備用，必須保證做到冗余機(jī)架之間數(shù)據(jù)的同步，當(dāng)出現(xiàn)切換時才能保證無擾動。數(shù)據(jù)的同步是通過RXM模塊實現(xiàn)的，在RXM模塊上設(shè)有光纖連接接口，將主從機(jī)架的RXM模塊相連接就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步，同時在組態(tài)方面需配置同步的數(shù)據(jù)類型及同步的字節(jié)長度。在主機(jī)架上有兩個RXM模塊分別與從機(jī)架上的RXM模塊進(jìn)行配對，實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)的冗余，只要有一條同步網(wǎng)絡(luò)正常工作，就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。

2.7 高速以太網(wǎng)

控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)采用10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，并通過交換機(jī)與LCP與OIC相連，其中LCP距離較近，通過RJ45電纜直接與上位機(jī)相連接，但OIC較遠(yuǎn)，通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)OIC上的上位機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，將不會影響LCP上位機(jī)系統(tǒng)。

2.8 上位機(jī)系統(tǒng)

用于過程的顯示與控制，共有兩個上位機(jī)系統(tǒng)，分別是LCP（本地控制盤）與OIC（遠(yuǎn)程控制盤），均可實現(xiàn)機(jī)組的控制。

2.9 采用遠(yuǎn)距離的光纖通訊

由于遠(yuǎn)程操作站與控制站之間距離較遠(yuǎn)，電纜敷設(shè)過程中要通過壓縮機(jī)、機(jī)泵等，存在大量的電磁干擾源，為此在通訊媒介上采用了光纖，由于光纖對電磁干擾屏蔽，避免了干擾源對信號傳輸?shù)挠绊憽?/p>

3 調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 啟動條件的建立

機(jī)組啟動前需建立啟動條件，啟動條件滿足后，才能對機(jī)組啟動，啟動過程中或啟動完成后，如果由于工藝條件的改變，啟機(jī)條件已不滿足，但并不影響機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。加氫循環(huán)氫壓縮機(jī)的啟動條件包括：

? 重啟計時器超時（第二次的啟動時間與上次停機(jī)的時間超過3分鐘）；

? 潤滑油供給壓力正常；

? 潤滑油總管壓力正常；

? 高位油箱液位正常；

? 潤滑油溫度正常；

? 防喘振閥全部打開；

? 無聯(lián)鎖停機(jī)信號；

? ESD允許啟動；

? T&T閥處與關(guān)閉位置；

? 壓縮機(jī)密封緩沖器壓力正常。

3.2 轉(zhuǎn)速的控制方案

調(diào)速的控制是一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，只能通過對目標(biāo)轉(zhuǎn)速的改變實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，回路只能處于自動狀態(tài)（控制框圖如圖2所示）。當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速改變后，設(shè)定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差，轉(zhuǎn)速控制器按照偏差的大小，自動打開或關(guān)閉主氣門調(diào)節(jié)閥，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)手段有本地控制和吸氣壓力串級控制兩種（轉(zhuǎn)速控制面板如圖3所示）。

圖2 轉(zhuǎn)速控制框圖

圖3 轉(zhuǎn)速控制面板見

3.3 啟動過程

機(jī)組啟動過程包括自動、手動和半自動三種，本機(jī)組只采用手動方式啟機(jī)。

當(dāng)啟動條件建立后就可啟動機(jī)組，人為方式按下啟動按鈕，現(xiàn)場控制油電磁閥帶電，人為復(fù)位電磁閥后自動關(guān)閉控制油回油建立控制油，設(shè)定轉(zhuǎn)速自動上升到8939RPM，主汽門全部打開，工藝人員緩慢打開T&T閥進(jìn)行沖轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速過程歷經(jīng)低速暖機(jī)、穿越臨界轉(zhuǎn)速、高速暖機(jī)后，進(jìn)入壓縮機(jī)的最低可控轉(zhuǎn)速8939RPM，轉(zhuǎn)速控制器開始控制，將轉(zhuǎn)速維持在8939RPM，工藝緩慢將T&T閥全部打開后，完成啟機(jī)過程。

4 防喘振功能的實現(xiàn)

4.1 防喘振控制器的激活

在此次改造中對防喘振的激活方案進(jìn)行了變更（原方案是當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到8939RPM后方可激活防喘振控制器），當(dāng)機(jī)組停機(jī)時自動打開防喘振控制閥后，停機(jī)后均可在手動情況下對防喘振閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，這有利與啟機(jī)前防喘振閥的檢查及調(diào)校，但要求在啟機(jī)前防喘振閥必須處于全開位置。

4.2 防喘振控制曲線

壓縮機(jī)的防喘振曲線由壓縮機(jī)的出入口壓力，壓縮機(jī)入口流量組成（如圖4、圖5所示），改圖的縱坐標(biāo)為壓縮機(jī)的壓比（出入口壓力比），橫坐標(biāo)為壓縮機(jī)入口流量（包括壓力和溫度的補(bǔ)償）。在圖中有喘振線、后備線和控制線，其中后備線設(shè)計安全余量比喘振線上的流量高8%，控制線設(shè)計安全余量比后備線上的流量高8%，十字星的位置為設(shè)定點，實心圓點處的位置為實際的工作點。正常操作下設(shè)定點位于控制線上，操作點位于設(shè)定點的右端或與設(shè)定點重合，操作點為實際壓縮機(jī)的工作狀態(tài)點，反映壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 防喘振曲線

圖5 防喘振流程圖

4.3 壓縮機(jī)的防喘振控制

在壓縮機(jī)正常運(yùn)行過程中，操作點以設(shè)定點作為SP（設(shè)定值），操作點一直跟蹤設(shè)定點調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的回流量。當(dāng)工藝系統(tǒng)不穩(wěn)定時，則有可能使操作點瞬間降到后備線上，這時防喘振閥將瞬間打開，試圖將流量增加到后備線以上，如果出現(xiàn)第二次，則防喘振閥開度將在第一次開度的基礎(chǔ)上進(jìn)行疊加，直到操作點遠(yuǎn)離后備線為止。

如果流量出現(xiàn)低于后備線設(shè)定值時，其喘振控制設(shè)定點將逐步偏移到高一點的流量位置，給喘振發(fā)生時留下更大的安全裕度。如果流量下降，跨過后備線幾次（例如3次），并且都在某一時間內(nèi)（5分鐘），其喘振控制設(shè)定值將要按照一定的增量（2%）向右步進(jìn)遷移，在喘振畫面上表現(xiàn)為設(shè)定點“十字”向右遷移。如果再次重復(fù)出現(xiàn)以上過程，則喘振設(shè)定點將在第一次的基礎(chǔ)上在向右遷移2%，直到最大遷移量10%為止。待工藝正常后，可按“復(fù)位偏差”按鈕，使設(shè)定點向左進(jìn)行遷移，每次按“復(fù)位偏差”按鈕時，設(shè)定點向左移動2%，直到設(shè)定點回到控制線上為止。

5 改造過程中存在的問題及解決

5.1 遠(yuǎn)程操作站的故障處理

丙烷壓縮機(jī)控制系統(tǒng)在升級改造后，不定期地出現(xiàn)通訊故障，主要表現(xiàn)為，上位機(jī)上的數(shù)據(jù)顯示問號，過一段時間后通訊故障自動消失，上位機(jī)數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，上位機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)圖如圖6所示。

圖6 故障時的上位機(jī)與PLC通訊配置圖

在每次出現(xiàn)故障時PLC都出現(xiàn)硬件故障報警，因此對PLC的故障進(jìn)行診斷，故障代碼為9、454。其中代碼454為“Network interface event 網(wǎng)絡(luò)接口事件”， 代碼9為“SRTP server event SRTP服務(wù)事件（HMI和PLC的通訊為SRTP）”，通過故障代碼判斷為網(wǎng)絡(luò)物理連接不穩(wěn)定。為此將HUH更換為交換機(jī)，并更換了本地操作站的網(wǎng)線，但故障依然存在。在排除故障時為了避免遠(yuǎn)程操作站對網(wǎng)絡(luò)的影響，將粗纜拆除斷開遠(yuǎn)程操作站，發(fā)現(xiàn)通訊故障消失，觀察一周后故障再未出現(xiàn)過，因此判斷故障是由于遠(yuǎn)程操作站網(wǎng)絡(luò)工作不穩(wěn)定造成的。

利用檢修期間對控制站與遠(yuǎn)程操作站之間的通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，將粗纜更換為光纖，同時在控制站及遠(yuǎn)程操作站增加光電轉(zhuǎn)換器（如圖7所示），改造后故障被排除，通訊穩(wěn)定。

圖7 改造后的上位機(jī)與PLC通訊配置圖

5.2 I/O子站ETH模塊無法復(fù)位

對系統(tǒng)調(diào)試過程中，在對ETH模塊進(jìn)行復(fù)位時，發(fā)現(xiàn)分布式I/O狀態(tài)出現(xiàn)擾動，表現(xiàn)為上位機(jī)無顯示，分布式I/O站所帶卡件（AI、AO、DI、DO卡件）出現(xiàn)重啟現(xiàn)象，I/O站自動初始化。

如果在機(jī)組運(yùn)行期間對ETH模塊進(jìn)行復(fù)位將直接導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。為此對PLC的分布式I/O站重新進(jìn)行組態(tài)，將NIU與ETH的安裝位置進(jìn)行顛倒，排除了以上故障的發(fā)生。如圖8所示。

圖8 對PLC的分布式I/O站重新組態(tài)

5.3 主PLC機(jī)架ETH故障時主從機(jī)架無法自動切換

在使用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)與上位機(jī)通訊的ETH故障時，PLC未做到主從機(jī)架自動切換，由于上位機(jī)只與主PLC的ETH進(jìn)行通訊，ETH故障從而導(dǎo)致上位機(jī)數(shù)據(jù)無法更新，上位機(jī)過程數(shù)據(jù)顯示問號。為避免這種故障，對PLC的程序進(jìn)行重新組態(tài)（修改邏輯如圖9所示），增加了ETH故障判斷功能，當(dāng)ETH故障時通過程序自動對主從PLC進(jìn)行切換，保證了上位機(jī)通訊的正常運(yùn)行。

圖9 ETH故障判斷邏輯圖

在邏輯中HMI_LAN[15]為LAN Interface OK（以太網(wǎng)連接正常），HMI_LAN[12] LAN OK（以太網(wǎng)狀態(tài)正常），正常情況下HMI_LAN[15]與HMI_LAN[12]均為“1”，只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障或卡件故障時才變?yōu)椤?”。為防止出現(xiàn)擾動，對故障狀態(tài)位進(jìn)行延時，當(dāng)故障時間持續(xù)5秒時才進(jìn)行主從機(jī)架之間的切換。

6 結(jié)語

綜上所述，通過對儀表系統(tǒng)的升級改造，成功解決了原有控制系統(tǒng)的安全隱患，改造后機(jī)組控制系統(tǒng)的安全性、可靠性、實用性均有所提高。在隨后的試車及開車過程中，儀表的顯示、報警、聯(lián)鎖均運(yùn)行正常，說明此次改造是成功的。通過此次改造對GE Rx3i冗余系統(tǒng)有了較深刻的認(rèn)識，為以后的機(jī)組改造探索出一條新的道路。

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徐林慶（1966-），男，遼寧本溪人，工程師，本科，現(xiàn)就職于大慶煉化公司機(jī)電儀廠，主要研究方向為現(xiàn)場儀表與過程控制系統(tǒng)的維護(hù)與維修。