Tricon系統(tǒng)在丙烯腈冷凍機組控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

金玉輝

(中石化上海石油化工股份有限公司化工事業(yè)部,上海 200540)

0 引 言

中石化上海石油化工股份有限公司化工事業(yè)部丙烯腈裝置于2002年建設(shè)投用,其冷凍壓縮機組原控制系統(tǒng)的主要配置:蒸汽透平調(diào)速由Woodward 505實現(xiàn),三取二超速保護由Woodward提供的Pro Tech 203完成,機組軸系監(jiān)控(軸溫、軸振動、軸位移等)由Bently Nevada 3500監(jiān)視系統(tǒng)完成,YORK壓縮機的喘振控制、盤車控制、潤滑油系統(tǒng)等的控制及機組安全保護由Rockwell公司的Allen-Bradley PLC來完成。

該系統(tǒng)故障率較高,自動控制方式運行時幾乎每月發(fā)生一次機組跳車故障,其主要問題:

a)可靠性差,機組無冗余配置、對系統(tǒng)的輸入和輸出信號沒有進行隔離,不適合化工企業(yè)的運行可靠性要求。

b)上位機操作界面上沒有趨勢記錄、SOE信息和操作行為記錄。

c)進系統(tǒng)的信號有一部分是開關(guān)量信號,系統(tǒng)無法對信號的趨勢進行監(jiān)控,給故障的判斷帶來了困難。

d)報警信息少,無故障分析和操作提示。

e)控制聯(lián)鎖過多,容易造成不必要的停車。

鑒于以上狀況,利用 Triconex公司的 Tricon機組綜合控制系統(tǒng)對冷凍壓縮機組原控制系統(tǒng)進行整體改造。其總體方案的確定、硬件配置和軟件設(shè)計應(yīng)考慮以下幾個方面:

a)簡化控制系統(tǒng),使控制系統(tǒng)層次分明,確保所有控制回路的可靠性。

b)主控制系統(tǒng)采用冗余配置,對系統(tǒng)的輸入和輸出信號進行隔離,提高控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。

c)縮短系統(tǒng)掃描周期,使系統(tǒng)的調(diào)速響應(yīng)時間滿足標(biāo)準(zhǔn)API612的調(diào)速要求,同時為建立毫秒級的SOE信息記錄提供保證。

d)根據(jù)機組流程,建立完整的操作、維護界面,以及報警記錄和故障提示,為機組運行操作和檢修提供充足的依據(jù)。

e)解除一些不重要的故障對機組的聯(lián)鎖控制,在確切的操作提示下,對這些故障采用問訊操作方式。

1 改造的總體方案

本次改造采用最新版本的 Tricon10.3版控制系統(tǒng)。Tricon通過三重模件冗余結(jié)構(gòu)(TMR)提供容錯能力。該系統(tǒng)由三重安全相同的系統(tǒng)通道組成。每個系統(tǒng)通道獨立執(zhí)行控制程序,并與其他兩個通道并行工作。硬件表決機制則對所有來自現(xiàn)場的數(shù)字式輸入和輸出進行表決和診斷。模擬輸入則進行三取二,再取中值的處理。原Woodward 505,Pro Tech 203,AB PLC現(xiàn)場防爆機柜和本特利3500等系統(tǒng)的功能全部整合到改造后的Tricon系統(tǒng)中,整個機組控制的一體化和數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)時間同步,利用 Tricon系統(tǒng)強大的專業(yè)機組控制功能塊,SOE毫秒級事件記錄和第一事故自動記錄的功能,使冷凍壓縮機組控制更加優(yōu)化和簡潔。

新系統(tǒng)將系統(tǒng)控制器和主要設(shè)備安裝到中央控制室內(nèi)的機柜間,現(xiàn)場新提供一個正壓防爆的機柜用于安裝現(xiàn)場操作站和需要在現(xiàn)場進行信號轉(zhuǎn)換的設(shè)備。在中控室內(nèi)安裝兩個機柜,一個用于安裝Tricon系統(tǒng)的主機架、擴展機架以及從現(xiàn)場轉(zhuǎn)移過來的Bently 3 500系統(tǒng),另外一個機柜安裝ETP端子板、安全柵、溫度變送器、繼電器、DC電源等。原先進入Woodward 505系統(tǒng)的速度信號、DCS遠程速度設(shè)定和速度控制輸出信號將全部引入到新的 Tricon系統(tǒng)中,Pro Tech 203的三個速度信號也將送入 Tricon系統(tǒng),所有原AB PLC系統(tǒng)的輸入/輸出信號同樣也全部移到 Tricon系統(tǒng)中,如圖1所示。

圖1 丙烯腈冷凍機控制系統(tǒng)改造方案示意

在該配置下,機組控制系統(tǒng)大大簡化,系統(tǒng)中斷不影響機組的正常運行,進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。由于進系統(tǒng)所有的信號全部采用模擬信號,實現(xiàn)了趨勢的跟蹤,對系統(tǒng)的運行狀態(tài)、故障檢測和分析帶來益處。通訊光纜的使用提高了系統(tǒng)的抗干擾性,保證了機組的穩(wěn)定運行,滿足在現(xiàn)場巡檢和開車的基本要求。此外,正壓防爆柜也滿足了系統(tǒng)的防爆要求。

2 主要硬件配置

a)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)配置三個獨立的控制器,以構(gòu)成完整的具有三重冗余容錯功能的控制站。每個控制器均采用雙32位,50 MHz的主處理器,配置雙口16MB DRAM和6MB的 Flash PROM,具有硬件表決和比較電路,支持SOE數(shù)據(jù)的采集和在線維護。三套獨立的控制器都能在線插拔、更換。控制系統(tǒng)與工程師站、SOE站、操作站之間采用冗余以太網(wǎng)通信。

Tricon系統(tǒng)的控制站配置了調(diào)速、防喘振等專用控制軟件包。信號從輸入卡到控制器,經(jīng)程序處理到輸出,全過程時間小于50 ms。

b)模擬量輸入模塊。采用差分輸入,DC耦合,分電路隔離,12位分辨率。模件內(nèi)具有三個相互完全隔離并獨立工作的分電路,每個分電路從輸入點接受電壓信號,并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送給三個主處理器。AI卡的各通道都具有獨立的A/D轉(zhuǎn)換器。

c)模擬量輸出模塊。12位分辨率,DC耦合。模擬輸出模件三條分電路從對應(yīng)的主處理器接收輸出信號;每一組數(shù)據(jù)都進行表決,選出一條良好的分電路以驅(qū)動輸出。模件的每一分電路都檢驗?zāi)M信號的精度和負(fù)載是否存在分電路的選擇。AO卡的各通道都具有獨立的D/A轉(zhuǎn)換器。AO輸出端子(ETP)為通用型,既可有源輸出,也可無源輸出。

d)數(shù)字量輸入模塊。隔離型DI,模件內(nèi)具有三個相互完全隔離并獨立工作的分電路;Tricon和現(xiàn)場間全部光電隔離;具有測試“STUCK ON”(指模件無法檢測到現(xiàn)場信號斷開)現(xiàn)象能力;來自現(xiàn)場的干接點信號直接接至 ETP端子板。DI卡輸入端能承受220 VAC,50 Hz的過電壓。

e)數(shù)字量輸出模塊。隔離型DO,觸點輸出。模件內(nèi)具有三個相互完全隔離并獨立工作的分電路,使用專門的“方型表決器”,對每個輸出信號在它們送至負(fù)載之前進行表決;OVD診斷(輸出表決器診斷)確保完全的故障覆蓋率。所有DO信號經(jīng)繼電器轉(zhuǎn)換后送至現(xiàn)場電磁閥,MCC或其他地方。DO卡輸出端能承受220 VAC,50 Hz的過電壓,輸出負(fù)載能力為24 VDC,2A/點,ETP帶保險絲。

3 軟件設(shè)計

針對丙烯腈冷凍壓縮機組控制系統(tǒng)的重整,首要任務(wù)是對原控制程序的研讀,在充分理解原PLC程序控制思想的基礎(chǔ)上,根據(jù)運行的經(jīng)驗,用TRISTATION 1131 V4.4作為 TRICON系統(tǒng)的基本軟件開發(fā)平臺,糾正原控制策略的不足和錯誤部分,在復(fù)制和重現(xiàn)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化原系統(tǒng)所有的控制邏輯和功能,豐富人機界面信息和操作指導(dǎo)信息。機組控制軟件包主要包括:防喘振控制、速度控制、抽汽控制、性能控制等模塊。

通信功能由通信模塊(4351)實現(xiàn),該模塊支持標(biāo)準(zhǔn) Modbus通信協(xié)議,每個4351卡共有4個RS-232/485串行通信口,其中一個BNC接口支持802.3以太網(wǎng)協(xié)議,可連接工程師站、操作站、SOE站;另一個BNC接口用于 Tricon系統(tǒng)間的PEER TO PEER通信和時種同步。

Tricon系統(tǒng)主處理器可分配16個存儲區(qū)域,用于SOE的記錄存儲,最大記錄1×105個事件,可保存一個月以上的歷史數(shù)據(jù),SOE分辨率為毫秒級,記錄文件可存儲在硬盤中作為永久保存,并可打印出來。SOE站不僅能記錄各報警、動作事件,還能記錄模擬量信號和歷史趨勢。SOE站滿足所有種類數(shù)據(jù)的記錄需要,可由用戶選定記錄的參數(shù)、采樣時間和記錄長度,并可對記錄的數(shù)據(jù)進行編排處理和調(diào)用。硬盤容量滿足全部事件記錄需要量2倍以上的容量,且可轉(zhuǎn)存到其他存儲設(shè)備上。

Tricon系統(tǒng)的自診斷可以在線監(jiān)測所有卡件和I/O通道電路的狀態(tài),實時監(jiān)測系統(tǒng)的掃描時間和內(nèi)存使用情況。

4 操作站運行畫面設(shè)計

該系統(tǒng)設(shè)計有獨立的操作站,監(jiān)控軟件選用Wonderware公司的Intouch軟件,其系統(tǒng)平臺基于Win XP操作系統(tǒng),該軟件通過高速網(wǎng)絡(luò)與控制器通信,確保數(shù)據(jù)的及時刷新,從而更好地實現(xiàn)操作人員監(jiān)控和操作。主要操作畫面有:流程圖畫面,機組順控啟動畫面,調(diào)速畫面,壓縮機喘振控制畫面,實時趨勢畫面和歷史趨勢畫面,報警歷史畫面。

5 結(jié)束語

改造后壓縮機機組控制系統(tǒng)性能較改造前明顯提高,主要體現(xiàn)在:

a)系統(tǒng)掃描時間小于35 ms,滿足了API612的標(biāo)準(zhǔn)。

b)調(diào)速效果良好,現(xiàn)速度的平穩(wěn)性在10轉(zhuǎn)左右,完全滿足了速度的平穩(wěn)控制要求。系統(tǒng)簡化,省略了WOODWARD505和Pro Tech 203超速保護系統(tǒng)等單機儀表,超速保護、連鎖保護等功能的調(diào)試與工藝吻合,大大提高了可靠性。

c)加入了自診斷功能,對現(xiàn)場的異常短路和斷路加以識別,任何硬件的單點故障都不會造成系統(tǒng)失效,避免由于設(shè)備原因而導(dǎo)致的停車。

d)控制回路全部投入自動控制后,運行平穩(wěn),并通過對機組的能量平衡控制方案優(yōu)化,真正達到了YORK所謂的機組能量平衡控制方案,達到了顯著節(jié)能效果。

e)增加了機組的維護畫面,為機組的維護和檢查提供了極大的方便,每次開機都能做到一次成功。

f)毫秒級的SOE功能將為故障及事件分析提供了極大幫助。

二年來運行良好。

[1] TRICONEX公司.Tricon設(shè)計與安裝手冊[G].TRICONEX公司,2000.

[2] 李英俊,袁利劍,袁大輝.綜合控制系統(tǒng)在壓縮機防喘振控制中的應(yīng)用[J].石油化工自動化,2003,(6):23-25.

[3] American Petroleum Institute. APISTANDARD 612 Petroleum Petrochemical and NaturalGasIndustries —Steam Turbines—Special-purpose Applications[S].FIFTH EDITION,APRIL,2003.

[4] 張建華.大型離心式壓縮機組控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及主要技術(shù)特點[J].化肥工業(yè),1999,(01):36-39.

[5] 楊蜀生,姚 遙.基于Tricon的機組綜合控制系統(tǒng)應(yīng)用[J].數(shù)字石油和化工,2009,(7):51-55.

[6] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設(shè)計手冊[M].3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[7] 國家石油和化學(xué)工業(yè)局.SH 3005-1999石油化工自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國石化出版社,1999.