鄭權(quán)

[摘? ? 要]介紹了TRICON TS3000 系統(tǒng)的三重件冗余容錯(cuò)（TMR）結(jié)構(gòu)在合成氨裝置氨冰機(jī)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用，通過 TS3000 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)組速度控制、開停車順序控制、防喘控制以及聯(lián)鎖停機(jī)保護(hù)功能，確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[關(guān)鍵詞]TS3000系統(tǒng);氨冰機(jī);調(diào)速;順序控制;防喘;聯(lián)鎖

[中圖分類號(hào)]TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）12–00–03

[Abstract]This paper introduces the application of triple parts redundant fault-tolerant （TMR） structure of TRICON TS3000 system in ammonia ice machine control system of ammonia plant. Through TS3000 system， the speed control， opening and stopping sequence control， anti-surge control and interlocking stop protection function of the unit are realized to ensure the safe and stable operation of the unit.

[Keywords]TS3000 system; ammonia ice machine; speed regulation; sequence control; anti-asthmatic; interlocking

巴陵石化合成氨裝置氨冰機(jī)J2501是合成氨裝置的重要設(shè)備，由中壓蒸汽透平驅(qū)動(dòng)，汽輪機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)組，處理由低溫甲醇洗裝置四臺(tái)氨冷器換熱來的氣氨，為低溫甲醇洗裝置循環(huán)提供冷量，滿足低溫甲醇洗裝置的低溫生產(chǎn)需求。氨冰機(jī)選用TRICON TS3000控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的速度控制、開停車順序控制、防喘控制以及聯(lián)鎖停機(jī)保護(hù)功能。

1 TRICON TS3000控制系統(tǒng)簡介

TRICON TS3000控制系統(tǒng)核心基于三重件冗余容錯(cuò)（TMR）結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)控制器，機(jī)架為擴(kuò)展式結(jié)構(gòu)，機(jī)架之間采用三重冗余的I/O BUS相連。從輸入模件到MP到輸出模件的完全的三重化，每一個(gè)IO信號(hào)都擁有相互獨(dú)立的三個(gè)Leg，每一個(gè)Leg自主地讀取輸入信號(hào)并將讀到狀態(tài)送給相應(yīng)的MP，三個(gè)主處理器之間通過TriBus進(jìn)行通訊，每一個(gè)掃描周期每個(gè)MP都會(huì)通過TriBus與其他兩個(gè)MP進(jìn)行通訊和同步，TriBus 把DI的表決結(jié)果和AI的計(jì)算結(jié)果送給每一個(gè)MP，每個(gè)MP獨(dú)立地進(jìn)行Program的運(yùn)算并將結(jié)果送到送出模件。控制系統(tǒng)可以識(shí)別控制元件的故障，自動(dòng)把故障的元件加以排除，滿足高可靠性、高可用性的容錯(cuò)控制能力。

2 氨冰機(jī)轉(zhuǎn)速測量控制

2.1 氨冰機(jī)轉(zhuǎn)速測量與選擇

轉(zhuǎn)速測量由轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)速測量儀表組成，磁感應(yīng)式探頭在機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)在探頭線路上產(chǎn)生一個(gè)頻率信號(hào)，頻率與機(jī)組轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)。氨冰機(jī)轉(zhuǎn)速測量采用AIRPAX轉(zhuǎn)速探頭測量，安裝有7支探頭。1支進(jìn)現(xiàn)場轉(zhuǎn)速表，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速現(xiàn)場顯示;3支進(jìn)超速保護(hù)器，三取二硬超速保護(hù)，輸出一路DO信號(hào)串入現(xiàn)場跳車電磁閥供電回路，一旦超速，DO接點(diǎn)信號(hào)斷開，電磁閥失電，氨冰機(jī)跳車;3支進(jìn)TS3000系統(tǒng)SPD_SELECT03模塊，通過速度選擇模塊選擇判斷，當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器三路正常時(shí)選中值，兩路正常時(shí)選高值，一路正常時(shí)選當(dāng)前值。機(jī)組正常運(yùn)行中三路轉(zhuǎn)速探頭三取二高于超速保護(hù)值或者三路轉(zhuǎn)速探頭全部故障的狀態(tài)下，系統(tǒng)邏輯將輸出調(diào)速系統(tǒng)故障信號(hào)，氨冰機(jī)停機(jī)。

2.2 氨冰機(jī)轉(zhuǎn)速控制

轉(zhuǎn)速選擇模塊輸出的轉(zhuǎn)速測量值，經(jīng)過TS3000系統(tǒng)邏輯運(yùn)算，輸出4～20 mA電流信號(hào)，經(jīng)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換器放大至20～160 mA，控制現(xiàn)場油動(dòng)機(jī)行程，使主汽門開度達(dá)到設(shè)定值，以達(dá)到控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

氨冰機(jī)轉(zhuǎn)速控制基于TS3000系統(tǒng)SC_VPID模塊完成，根據(jù)轉(zhuǎn)速測量值，通過調(diào)節(jié)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)輸出與轉(zhuǎn)速設(shè)定值相匹配。該控制模塊為正作用，比例、積分、微分項(xiàng)可以被禁止或允許。如果有任何一個(gè)常量是0.0，控制作用失效。機(jī)組通過臨界區(qū)時(shí)，控制模塊會(huì)強(qiáng)制自動(dòng)操作。

氨冰機(jī)的升速通過SC_SRAMP3模塊生成速度設(shè)定值，此模塊帶爬坡速度設(shè)定點(diǎn)功能、手動(dòng)升高/降低功能和跟蹤功能，其中目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)設(shè)有上下限值。

3 氨冰機(jī)啟動(dòng)順序模式控制

TS3000系統(tǒng)針對(duì)氨冰機(jī)在啟機(jī)過程中所處的不同狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)機(jī)組的速度控制，氨冰機(jī)啟動(dòng)順序有如下幾種種運(yùn)行模式，表示各種運(yùn)行狀態(tài)。

3.1 模式0：聯(lián)鎖停機(jī)模式

氨冰機(jī)機(jī)組處于聯(lián)鎖停車狀態(tài)。此時(shí)聯(lián)鎖條件只要有一項(xiàng)不滿足聯(lián)鎖就無法解鎖（除非將氨冰機(jī)聯(lián)鎖投用/切除開關(guān)的位置打到切除）。當(dāng)停車聯(lián)鎖條件都恢復(fù)正常后，按下氨冰機(jī)超速保護(hù)復(fù)位按鈕，超速保護(hù)復(fù)位成功;按下機(jī)組復(fù)位按鈕，使停機(jī)聯(lián)鎖解鎖;跳車電磁閥線圈帶電。聯(lián)鎖解鎖且啟動(dòng)條件滿足，或選擇啟動(dòng)條件旁路開關(guān)即啟動(dòng)條件切除時(shí)，按下畫面或輔助操作臺(tái)上的“啟動(dòng)確認(rèn)按鈕”，此時(shí)允許啟動(dòng)燈變綠表示啟動(dòng)條件正常，進(jìn)入下一個(gè)模式。

3.2 模式1：允許啟動(dòng)模式

啟動(dòng)條件正常后進(jìn)入模式1允許啟動(dòng)狀態(tài)，氨冰機(jī)組啟動(dòng)前需要對(duì)調(diào)速系統(tǒng)做靜態(tài)調(diào)試。靜態(tài)調(diào)試只有在模式小于3且機(jī)組聯(lián)鎖復(fù)位狀態(tài)下才可以進(jìn)行。調(diào)試合格后確認(rèn)現(xiàn)場主汽閥處在正常位置，作好啟動(dòng)準(zhǔn)備，當(dāng)?shù)玫街噶詈?，按下“啟?dòng)機(jī)組”按鈕，進(jìn)入下一模式。

3.3 模式2：機(jī)組啟動(dòng)模式

當(dāng)進(jìn)入機(jī)組啟動(dòng)模式后，操作人員在氨冰機(jī)速度控制調(diào)節(jié)器上給定閥位輸出值，將現(xiàn)場調(diào)速閥開至相應(yīng)的開度，然后緩慢打開主汽門，按機(jī)組啟動(dòng)要求暖機(jī)、沖轉(zhuǎn)、升速，升速過程要快速越過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)。速度一旦超過設(shè)定轉(zhuǎn)速值，將結(jié)束啟動(dòng)過程，進(jìn)入下一模式。

3.4 模式3：接管運(yùn)行模式

一旦機(jī)組速度超過設(shè)定轉(zhuǎn)速值，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入接管運(yùn)行模式。此時(shí)“氨冰機(jī)速度控制調(diào)節(jié)器”操作狀態(tài)強(qiáng)制由手動(dòng)改為自動(dòng)。轉(zhuǎn)速實(shí)際給定值按照升速速率趨進(jìn)目標(biāo)給定值，調(diào)速汽門的輸出依據(jù)轉(zhuǎn)速測量值與實(shí)際給定值的偏差緩慢跟蹤變化，20s后轉(zhuǎn)為正常調(diào)節(jié)。這時(shí)改變比例度和積分時(shí)間可以控制轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。待調(diào)速汽門輸出變化平穩(wěn)后，現(xiàn)場繼續(xù)緩慢開啟主汽門，注意開啟速度的平穩(wěn)度，當(dāng)主汽門全開后接管完成，氨冰機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行范圍。

3.5 模式4：正常停機(jī)模式

正常停機(jī)模式，系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定停機(jī)目標(biāo)值，以固定速率降速，直至主汽門全關(guān)，系統(tǒng)停機(jī)。

3.6 模式5：超速試驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

超速試驗(yàn)分電子超速試驗(yàn)和機(jī)械超速試驗(yàn)。在電子超速試驗(yàn)狀態(tài)下，不能做機(jī)械超速試驗(yàn)，因?yàn)殡娮映僭囼?yàn)的量程范圍被限制。當(dāng)進(jìn)入超速試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，氨冰機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值將超過超速保護(hù)跳車值 ， 一旦實(shí)際轉(zhuǎn)速值超過跳車值，氨冰機(jī)便會(huì)聯(lián)鎖停車，可以通過上位畫面按鈕取消超速試驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

產(chǎn)生任何聯(lián)鎖停車信號(hào)將使系統(tǒng)回到模式 0。系統(tǒng)中設(shè)置了氨冰機(jī)組停機(jī)冷卻保護(hù)時(shí)間，只有當(dāng)停機(jī)冷卻時(shí)間計(jì)時(shí)器達(dá)到設(shè)定值才能重新啟動(dòng)。

4 氨冰機(jī)防喘控制

正常運(yùn)行階段，TS3000系統(tǒng)根據(jù)氨冰機(jī)入口流量、入口壓力、出口壓力以及相應(yīng)入口溫度，利用TRICONEX獨(dú)特的防喘振技術(shù)來給出壓縮機(jī)喘振線、實(shí)際工作點(diǎn)的喘振工況圖，以此判斷是否發(fā)生喘振并使工作點(diǎn)工作在最小喘振開度，由防喘振控制器控制防喘閥。防喘振調(diào)節(jié)控制示意圖如圖1所示。

氨冰機(jī)的工作點(diǎn)由各段出口壓力與入口壓力之比及入口流量儀表測出的入口流量計(jì)算得出。

喘振控制器提供適應(yīng)性增益和非對(duì)稱響應(yīng)。當(dāng)工作點(diǎn)在喘振控制線右方時(shí)，會(huì)減少比例動(dòng)作，當(dāng)工作點(diǎn)在喘振控制線右方的操作裕度超過設(shè)定距離，則調(diào)用適應(yīng)性增益特性。根據(jù)比例或積分，使防喘閥快速響應(yīng)，快速打開。當(dāng)工作點(diǎn)回到控制線的右方，防喘閥以設(shè)定速率慢關(guān)，調(diào)整到新的工作條件下?？刂破饔腥N控制模式：手動(dòng)、自動(dòng)和半自動(dòng)。手動(dòng)模式下，防喘閥不受喘振控制器作用，全手動(dòng)控制;自動(dòng)模式下，防喘閥受喘振控制器作用;半自動(dòng)模式，在這種模式下，手動(dòng)輸出值和控制器自動(dòng)運(yùn)算值經(jīng)過高選后，輸出到防喘閥。

如果系統(tǒng)檢測到工作點(diǎn)越過喘振線，表示喘振已發(fā)生，喘振控制線將按組態(tài)參數(shù)的大小自動(dòng)向右調(diào)節(jié)一定的裕度，從而加大安全余量。安全裕度會(huì)等百分比增加，喘振發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生喘振計(jì)數(shù)，每次喘振發(fā)生會(huì)自動(dòng)累加裕度量，可以通過喘振計(jì)數(shù)清零使控制器回到最初預(yù)設(shè)的初始安全裕度。

一般情況下，氨冰機(jī)不會(huì)在喘振線上持續(xù)運(yùn)行或過長時(shí)間運(yùn)行。當(dāng)工作點(diǎn)在控制線右方，喘振控制器的設(shè)定點(diǎn)將在當(dāng)前工作點(diǎn)（Hx）的左側(cè)，并與工作點(diǎn)始終保持在5%的設(shè)定值。如果設(shè)定值與喘振控制線重合時(shí)，喘振控制器的設(shè)定值將不再向左移，這時(shí)如果工作點(diǎn)還向左移，系統(tǒng)將逐漸打開防喘閥以防機(jī)組喘振。當(dāng)工作點(diǎn)向喘振區(qū)移動(dòng)的速度大于且越過設(shè)定點(diǎn)時(shí)，喘振控制器將執(zhí)行以下動(dòng)作：設(shè)定點(diǎn)將按相同的速率快速減小，直至防喘閥打開。

5 氨冰機(jī)保護(hù)聯(lián)鎖停機(jī)

聯(lián)鎖緊急停機(jī)是保證氨冰機(jī)組安全而采取的最后一道安全保護(hù)措施，TS3000系統(tǒng)組態(tài)聯(lián)鎖信號(hào)為故障安全型，即在各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)正常時(shí)狀態(tài)信號(hào)為“1”，跳車狀態(tài)下信號(hào)為“0”。聯(lián)鎖條件在邏輯圖中為邏輯“與”關(guān)系，并且每一個(gè)聯(lián)鎖停車條件在上位畫面上均設(shè)有一個(gè)軟旁路開關(guān)，當(dāng)旁路開關(guān)處于切除狀態(tài)，即開關(guān)位置為“1”，可以屏蔽掉相應(yīng)的聯(lián)鎖停機(jī)條件，便于調(diào)試和檢修。

氨冰機(jī)組聯(lián)鎖停機(jī)條件如下。

①氨冰機(jī)組潤滑油壓力三取二低低;②氨冰機(jī)組控制油壓力三取二低低;③氨冰機(jī)組軸位移二取二高高;④氨冰機(jī)組軸振動(dòng)二取一高高;⑤氨冰機(jī)組入口分離器液位三取二高高;⑥氨冰機(jī)組轉(zhuǎn)速三取二高高以及測速探頭選擇模塊輸出探頭狀態(tài)故障信號(hào);⑦氨冰機(jī)組軸瓦溫度二取二高高;⑧氨冰機(jī)組干氣密封各端泄漏量高高;⑨氨冰機(jī)表面冷凝器壓力三取二高高;⑩氨冰機(jī)組控制室緊急停車按鈕發(fā)出停車信號(hào); 氨冰機(jī)組現(xiàn)場操作柱緊急停車按鈕發(fā)出停車信號(hào)。

以上任意一個(gè)條件滿足，均會(huì)觸發(fā)聯(lián)鎖，現(xiàn)場跳車電磁閥失電，控制油卸壓，調(diào)速汽門全關(guān)，氨冰機(jī)停機(jī)。

6 結(jié)束語

TS3000系統(tǒng)硬件基于三重冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)控制器，并可通過Enhanced Diagnostic Monitor 軟件在線監(jiān)控診斷系統(tǒng)硬件運(yùn)行狀態(tài)。軟件基于 Windows 10操作環(huán)境，使用Tristation1131編程軟件 ，將機(jī)組的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控、速度控制、開停車順序控制、防喘控制以及聯(lián)鎖停機(jī)保護(hù)功能在內(nèi)的各項(xiàng)功能集成于一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)上完成 ，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的高度集成性、可靠性及完整性。同時(shí)，通過SOE軟件可記錄故障發(fā)生的時(shí)間和事件的類型，通過DDE通訊軟件配合Intouch上位監(jiān)控軟件，可以為技術(shù)管理及操作人員提供良好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)視控制、過程報(bào)警及歷史數(shù)據(jù)采集等功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 邢元棟，李 霞.TS3000 系統(tǒng)在蒸汽輪機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.石油化工自動(dòng)化，2006（3）：53.

[2] 朱錦智.TS3000 在催化裂化壓縮機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)上的應(yīng)用.石油化工自動(dòng)化，2005（6）：62.

[3] 王五紅，栗進(jìn)濤. TS3000 系統(tǒng)在焦?fàn)t氣制甲醇空分裝置空壓機(jī)組的應(yīng)用. 化肥設(shè)計(jì)， 2011（12）：11.