淺議機組綜合控制系統(tǒng)（ITCC）在三臺離心機組綜合控制中的應(yīng)用

苑大立

摘要：ITCC （Integrated Turbine & Compressor Control System）全稱為透平壓縮機組綜合控制系統(tǒng)。它是集蒸汽透平的速度控制及抽汽控制和壓縮機防喘振控制、性能控制、解耦控制、負荷分配控制等機組特有的控制以及自保護聯(lián)鎖邏輯控制為一體的集成綜合系統(tǒng)。它將傳統(tǒng)上需要多個分立儀表如防喘調(diào)節(jié)器、聯(lián)鎖自保系統(tǒng)、電子調(diào)速器、負荷調(diào)節(jié)器等實現(xiàn)的功能集成在一套可靠性極高的三重模件（TMR）冗余容錯控制系統(tǒng)中完成；因此，減少了各個系統(tǒng)間的連接和故障率，降低了長周期運行成本，并提供了先進的控制技術(shù)和良好的監(jiān)控界面。機組綜合控制系統(tǒng)包括：機組聯(lián)鎖ESD、SOE事件順序記錄、機組控制PID（例如：防喘振控制及調(diào)速控制等）及常規(guī)指示記錄功能、故障診斷功能。目前，ITCC控制系統(tǒng)已經(jīng)成為離心式機組的標準配置。

關(guān)鍵詞：ITCCTS3000TRICON綜合控制系統(tǒng)三臺機組一套控制系統(tǒng)凈化工段離心壓縮機組可行性分析技術(shù)基礎(chǔ)及條件穩(wěn)定性要求

中圖分類號：TH45 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）08（c）-0071-02

1ITCC系統(tǒng)的主要控制功能

（1）機組安全聯(lián)鎖保護。（2）原動機-壓縮機的啟停及升速的聯(lián)鎖保護。（3）機組的安全運行聯(lián)鎖保護。（4）機組的緊急停機聯(lián)鎖保護。（5）機組的軸振動/軸位移監(jiān)視及聯(lián)鎖保護。（6）機組的超速聯(lián)鎖保護。（7）機組潤滑油/調(diào)節(jié)油系統(tǒng)聯(lián)鎖保護。（8）機組輔助設(shè)備的聯(lián)鎖保護。

我公司凈化工段壓縮機廠房內(nèi)共有四臺離心式壓縮機組：CO2機組（電拖，電動機額定功率：5700kW，電動機額定轉(zhuǎn)速： 1485r/min）。氨壓機（電拖，額定功率：4500kW，電動機額定轉(zhuǎn)速：1490r/min）。CO機組（汽拖，機組額定功率：4960kW，機組額定轉(zhuǎn)速：7200r/min）。解析氣壓縮機組（電拖，電動機額定功率：3200kW，電動機額定轉(zhuǎn)速：1494r/min）。四臺機組均為沈鼓供貨，配套TS3000控制系統(tǒng)。對控制方案的整體布置，我公司技術(shù)人員經(jīng)討論，綜合考慮了系統(tǒng)的完整性、整體性、安全性、技術(shù)可行性和經(jīng)濟性，決定由一套透平壓縮機綜合控制系統(tǒng)（ITCC）進行3臺壓縮機（CO機組、解析氣機組、氨冰機）的機組的防喘振控制、性能控制、聯(lián)鎖保護及運行狀態(tài)檢測，目的是在完全能夠保證機組的正常運行和保護的前提下，減少機組的整體成本和采購價格，并提高機組控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性，方便統(tǒng)一布置機柜、輔助操作臺、操作站，為今后長期的生產(chǎn)、運行、備品備件采購和維護提供很大的便利。

2可行性分析

（1）TS3000系統(tǒng)原理：TS3000控制系統(tǒng)采用三重模塊冗余（TMR）結(jié)構(gòu)，保證了設(shè)備的容錯能力，并且能在元部件出現(xiàn)硬件故障或者來自內(nèi)部或外部來源的瞬態(tài)故障的情況下提供完好的不間斷的控制。

每一個I/O模塊內(nèi)都包容有三個獨立的分電路。輸入模塊上的每一分電路讀取過程數(shù)據(jù)并將這些信息傳送給它相應(yīng)的主處理器。三個主處理器通過一個專用的被稱作TriBus的高速總線系統(tǒng)通訊。

每掃描一次，主處理器都通過TriBus與其相鄰的主處理器進行通訊，達到同步。TriBus表決數(shù)字輸入數(shù)據(jù)、比較輸出數(shù)據(jù)、并將模擬輸入數(shù)據(jù)拷貝到各個主處理器。主處理器執(zhí)行控制程序并把由控制程序所產(chǎn)生的輸出送給輸出模塊。除對輸入數(shù)據(jù)作表決之外，Tricon在離現(xiàn)場最近的輸出模塊上完成輸出數(shù)據(jù)的表決，使其盡可能地與現(xiàn)場靠近，以便檢測出任何錯誤并予以修復(fù)。

對于每個I/O模塊，系統(tǒng)可以支持一個可選的熱備模塊。如果裝有備件，在運行中，如主模塊發(fā)生故障時，備件投入控制。熱備位置也被用于系統(tǒng)的在線修理。

（2）一套TRICON的TS3000系統(tǒng)最大所能帶的I/O點數(shù)為1000點，在此點數(shù)內(nèi)，系統(tǒng)的掃描周期和運算速度完全不受影響。

（3）CO2壓縮機、解析氣壓縮機、氨壓縮機全部的I/O點共計711個點，少于系統(tǒng)性能上限。

（4）在711個控制點的使用情況下，系統(tǒng)掃描周期完全不受影響，能夠達到70ms的系統(tǒng)掃描周期。在保證掃描周期的前提下，系統(tǒng)完全能夠完成三臺機組的軸系儀表檢測、防喘振控制和超速保護功能。

（5）每套機組如果各帶一套控制系統(tǒng)，則系統(tǒng)的CPU模塊的性能存在很大富余，且需各自配置相應(yīng)的通訊和電源模塊，價格上必然產(chǎn)生相應(yīng)浪費，配電系統(tǒng)和輸入輸出繼電器的整體設(shè)計也較為分散。

3現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)及條件

（1）離心機組的防喘振控制方案已完全成熟。（2）相應(yīng)的防喘振控制閥、回流閥的控制精度及響應(yīng)速度已經(jīng)滿足使用要求。（3）TS3000系統(tǒng)的技術(shù)特點：

①提供三重模塊冗余結(jié)構(gòu)，三個完全相同的分電路各自獨立地執(zhí)行控制程度。而且備有專用的硬件/軟件結(jié)構(gòu)，可對輸入和輸出進行“表決”；②能耐受嚴酷的工業(yè)環(huán)境；③能夠現(xiàn)場安裝，可以現(xiàn)場在線地進行模塊級的安裝和修復(fù)工作而不需打亂現(xiàn)場接線；④能支持多達118個I/O模塊（模擬的和數(shù)字的）和選裝的通訊模塊，通訊模塊可以與Modbus主站和從站連接，或者和Foxboro與Honeywell分布控制系統(tǒng)（DCS）、其它在Peer-to-Peer網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個Tricon、以及在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的外部主機相連接；⑤可以支持位于遠離主機架12km（7.5英里）以內(nèi)的遠程I/O模塊；⑥利用基于WINDOWS系統(tǒng)的編程軟件完成控制程序的開發(fā)及調(diào)試；⑦在輸入和輸出模塊內(nèi)備有智能功能，減輕主處理器的工作負荷。每個I/O模塊都有三個微處理器。輸入模塊的微處理器對輸入進行過濾和修復(fù)，并診斷模塊上的硬件故障。輸出模塊微處理器為輸出數(shù)據(jù)的表決提供信息、通過輸出端的反饋回路電壓檢查輸出狀態(tài)的有效性、并能診斷現(xiàn)場線路的問題；⑧提供全面的在線診斷，并具有修理能力；⑨可以在Tricon正常運行時進行常規(guī)維護而不中斷控制過程；⑩對I/O模塊提供“熱備”支持，可用在某些不能及時提供服務(wù)的關(guān)鍵場合；TS3000機架的擴展能力：對于V9 Tricon系統(tǒng)，有三種型式的機架：主機架、擴展機架、和遠程機架。一個Tricon系統(tǒng)可以最多包含15個機架，用以容納各安裝種輸入、輸出和熱插備用模塊，以及通訊模塊等的適當?shù)慕M合。

Tricon系統(tǒng)的主機架安裝主處理器模塊以及最多六個I/O模塊組。在機架內(nèi)的各I/O模塊通過三重的RS-485雙向通訊口而連接。

圖中：①Tricon擴展機架#3②擴展機架#4-14③Tricon擴展機架#15號④Tricon擴展機架#2⑤Tricon主機架（機架#1）⑥TriStation（IBM PC兼容）。

擴展機架（機架2～15）每一個可以支持最多八個I/O組。擴展機架通過一個三重的RS-485雙向通訊口而和主機架連接?？梢杂脕磉B接一組主機架和擴展機架的標準纜的總長最多為30m（100英尺）。遠程擴展機架可以讓系統(tǒng)擴展到遠距的位置，最多距離主機架12km（7.5英里）。

4應(yīng)用內(nèi)容

（1）I/O 擴展：TriconI/O總線可以提供支持于最多15臺機架。絕大多數(shù)情況下，擴展機架都裝在主機架的附近，限制如下：

擴展機架限制：限度

機架的最大臺數(shù)：15

I/O模塊最大數(shù)量：118

I/O總線最大總長：30m（100英尺）

正常情況下，如I/O總線長度大于30m（100英尺）時必須用遠程機架支持。

（2）RS-485擴展總線口的使用：每臺Tricon機架底板的左上角裝有六個RS-485I/O擴展總線接口，如圖2～4所示。為護展機架和遠程機架提供三重串行通訊通道。用I/O電纜把擴展機架的RS-485口接到其他機架。每臺機架都是多個I/O擴展總線內(nèi)的一個節(jié)點。

I/O口為三對，形成TriconI/O總線的三重化擴展。數(shù)據(jù)通過三重化的I/O總線傳輸，與Tricon內(nèi)部的I/O總線傳輸速率一樣，為375K波特。用這種方式、三條控制分電路在物理上和邏輯上延伸到擴展機架而不損害性能。

其他方面有以下幾點。

（1）系統(tǒng)是以微處理器為基礎(chǔ)的智能分散結(jié)構(gòu)，軟硬件的緊密結(jié)合使系統(tǒng)能力充分發(fā)揮。（2）控制器采用冗余配置，具有高度的可靠性，系統(tǒng)內(nèi)任何一個組件發(fā)生故障，均不會影響整個系統(tǒng)的工作。（3）底層連接的網(wǎng)絡(luò)化、I/O模塊的全智能化，熱備份的冗余技術(shù)，可靠的帶電拔插的技術(shù)特征。（4）組態(tài)軟件功能具有標準的sfc、fbd、ld、st、fm 5種組態(tài)工具，圖形工具里有豐富的圖形庫，很快就能繪出界面友好的流程圖。（5）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為100m冗余快速以太網(wǎng)，極大加速了網(wǎng)絡(luò)速度，對將來的擴容和改造留下了充分的余地。（6）采用完全開放的、先進的軟硬件技術(shù)，結(jié)構(gòu)靈活、安全便利、維護簡單。安全性能達到TUVAK6，IEC SIL3。

5采取的技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)

通過對各臺壓縮機的整體考慮，應(yīng)用TS3000的總線系統(tǒng)成熟的擴展能力，在不增加控制器模塊的前提下，對系統(tǒng)的容量（即AI＼AO＼DI＼DO＼PI）進行擴展，達到一套系統(tǒng)控制3臺機組的控制能力。

總線系統(tǒng)及電源分配。

三條三重總線系統(tǒng)都蝕刻在機架背板上，三條總線為TriBus、I/O總線、及通訊總線。

TriBus包括三條獨立的串聯(lián)的鏈路，在4Mband下運行。它在每一掃描開始時使各主處理器同步。然后，每個主處理器將它的數(shù)據(jù)送入它的上游和下游的主處理器。TriBus完成下列三種功能。

（1）傳輸模擬的、診斷的、和通訊的數(shù)據(jù)。（2）傳輸和表決數(shù)字輸入數(shù)據(jù)。（3）對上次掃描的輸出數(shù)據(jù)和控制程序存貯器進行數(shù)據(jù)比較并對不同之處進行標識。

Tricon容錯結(jié)構(gòu)的一個重要特征是，每一個MP使用了同一個數(shù)據(jù)發(fā)送器將數(shù)據(jù)同時送給上游的和下游的主處理器，這樣保證了同樣上游處理器和下游處理器接收相同的數(shù)據(jù)。

每個I/O模塊通過其對應(yīng)的端子板接收現(xiàn)場信號或向現(xiàn)場傳送數(shù)據(jù)。機架相鄰的物理槽位視作同一個邏輯槽位。第一個位置上放置工作模塊，第二位置放置熱備I/O模塊。端子板通過背板頂部的Elco插頭相連，同時連接工作和熱備的I/O模塊。所以，這兩個模塊接收的是相同的來自端子板的信號。

I/O總線可使信息在I/O模塊和主處理器之間傳送，速率為375K波特。三重化I/O總線沿著背板的底部敷設(shè)。I/O總線的每一分電路在一個主處理器與其相應(yīng)的I/O模塊上的相應(yīng)的分電路間傳遞信息。I/O總線通過一組三條I/O總線纜在各機架間的延伸。

通訊總線在主處理器和通訊模塊之間傳輸信息，其速率為2M波特。對機架的電力被分配在兩個獨立的電源軌上，并分給背板的中心。機架上的各個模塊從兩條電源軌上通過雙重電源調(diào)節(jié)器同時吸取電力。每一塊輸入輸出板上有四組電源調(diào)節(jié)器：一組對應(yīng)一個支路（A、B和C），剩下一組用于狀態(tài)指示燈。

應(yīng)用后達到的技術(shù)指標：

系統(tǒng)掃描周期：小于50ms

Bad 速率：375M 波特/秒

波特：2M 波特/秒

6安全性分析及對策

TS3000控制系統(tǒng)采用三重化冗余技術(shù)，三重化冗余綜合控制系統(tǒng)必須具備TUV 6級或SIL-3級認證，就是說：當系統(tǒng)中出現(xiàn)一個或者多個故障時，系統(tǒng)能正常運行，同時故障模塊能夠在線更換。如果故障超出了系統(tǒng)的容錯能力，則系統(tǒng)將按照預(yù)先的設(shè)定，轉(zhuǎn)為失效—安全模式，確保用戶生產(chǎn)裝置和設(shè)備的安全。這種設(shè)計適用于高可靠性、高可用度以及對系統(tǒng)在線時間要求很高的應(yīng)用場合。ITCC系統(tǒng)的控制目標就是保證大型高速離心設(shè)備的安全保護，因此其設(shè)計上重心是系統(tǒng)的可靠性。三臺機組采用一套控制系統(tǒng)進行控制，客觀上控制系統(tǒng)失效的影響被放大，系統(tǒng)檢修的條件也更難以具備，但系統(tǒng)采用三重冗余技術(shù)，其控制器模塊和輸入、輸出運算回路是三重冗余設(shè)計，通訊、電源模塊采用雙重冗余，并可在線更換故障卡件，因此，理論上系統(tǒng)崩潰導(dǎo)致三機組轉(zhuǎn)為失效—安全模式屬于非常極端的情況，可以通過加強維護、強化巡檢、結(jié)合停車檢修進行系統(tǒng)檢查來提前避免。

7結(jié)語

我公司工程項目建設(shè)對資金控制較為嚴格，力圖本著多快好省的原則，在保證安全穩(wěn)定生產(chǎn)的前提下，最大限度的避免浪費資金。基于以上要求，我方在機組控制系統(tǒng)方案論證階段，多方考察了各品牌的產(chǎn)品性能指標、應(yīng)用業(yè)績，在借鑒集團其他兄弟單位應(yīng)用經(jīng)驗、充分考慮對系統(tǒng)檢修、運行性能的影響的基礎(chǔ)上，經(jīng)與賣方單位充分論證，進一步提出由一套控制系統(tǒng)對三臺離心壓縮機組進行綜合控制。此方案充分開發(fā)了系統(tǒng)性能，節(jié)約了相應(yīng)的控制器、電源模塊、通訊模塊，為公司項目建設(shè)節(jié)約了資金。

參考文獻

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