ITCC系統(tǒng)用戶程序中的缺陷分析與改進(jìn)

韓平

(中海石油建滔化工有限公司，海南 東方 572600)

ITCC系統(tǒng)用戶程序中的缺陷分析與改進(jìn)

韓平

(中海石油建滔化工有限公司，海南 東方 572600)

分析了ITCC系統(tǒng)用戶程序中存在的缺陷以及對(duì)設(shè)備運(yùn)行和聯(lián)鎖保護(hù)的不利影響，從安全生產(chǎn)和設(shè)備運(yùn)行實(shí)際需要出發(fā)，對(duì)用戶程序進(jìn)行了探討和論證，針對(duì)性地制訂出有效的改進(jìn)方案，成功地彌補(bǔ)了原程序的漏洞，從而增強(qiáng)了該用戶程序的適用性、嚴(yán)密性和可靠性，為裝置安全運(yùn)行和穩(wěn)定生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

透平壓縮機(jī) 機(jī)泵 用戶程序 缺陷

透平壓縮機(jī)一體化控制系統(tǒng)ITCC(Integrated Turbine Compressor Control)被廣泛用于石油化工等行業(yè)生產(chǎn)裝置中大型機(jī)械設(shè)備和復(fù)雜程度較高的機(jī)組、機(jī)泵的監(jiān)測(cè)、操作與管理。該系統(tǒng)除了采用以三冗余結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的硬件設(shè)備，同時(shí)功能強(qiáng)大、組態(tài)靈活的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件也廣受青睞。由于工程技術(shù)人員對(duì)工藝、設(shè)備和操作方面認(rèn)識(shí)的局限，編制用戶程序時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤和缺陷。筆者結(jié)合3個(gè)實(shí)例，分析了ITCC用戶程序缺陷的原因與采取的改進(jìn)措施。

1 壓縮機(jī)透平冷凝液泵控制程序的分析改進(jìn)

1.1現(xiàn)象

合成氣透平壓縮機(jī)主冷凝器設(shè)置有三冗余液位變送器LT021861A/B/C，控制邏輯中選取三者中值進(jìn)入比較器，低于設(shè)定值時(shí)觸發(fā)聯(lián)鎖保護(hù)。

某儀表人員發(fā)現(xiàn)A變送器示值較B，C示值低約10%，對(duì)其進(jìn)行了檢查處理。經(jīng)過(guò)重新對(duì)負(fù)向?qū)汗艹涔嗬淠?，開表后發(fā)現(xiàn)指示值逐漸升高，當(dāng)液位達(dá)到56%時(shí)冷凝液備用輔泵聯(lián)鎖自啟動(dòng)。

按照選定中值的方案，邏輯表決規(guī)定只有三冗余變送器中至少有2臺(tái)示值達(dá)到高限時(shí)才能觸發(fā)備用泵聯(lián)鎖自啟動(dòng)，為什么僅1臺(tái)達(dá)到高限就引發(fā)聯(lián)鎖動(dòng)作了呢？

1.2分析程序

解讀應(yīng)用程序，涉及合成氣壓縮機(jī)主冷凝器液位的聯(lián)鎖動(dòng)作有三種情況。

1.2.1液位高高觸發(fā)透平跳車

冷凝器液位高高觸發(fā)透平跳車的邏輯框圖如圖1所示。

圖1中，LT為數(shù)據(jù)比較模塊，當(dāng)X

圖1 冷凝液液位高高觸發(fā)透平跳車邏輯

1.2.2冷凝液備用泵自啟動(dòng)

冷凝液備用泵自啟動(dòng)邏輯框圖如圖2所示。圖中，GT為數(shù)據(jù)比較模塊，當(dāng)X>Y時(shí)輸出為1，否則為0；X代表進(jìn)入GT比較模塊的第1個(gè)輸入值，Y代表進(jìn)入GT比較模塊的第2個(gè)輸入值；運(yùn)算規(guī)則是當(dāng)X>Y時(shí)，輸出成立；冷凝液備用泵自啟動(dòng)的邏輯，必須同時(shí)具備四個(gè)條件： 備用泵處于正常備用條件；備用泵控制開關(guān)選擇在遠(yuǎn)程操作位置；LT021861A/B/C示值均大于31%；LT021861A/B/C任意1臺(tái)示值大于等于56%。可見后兩個(gè)條件都沒(méi)有遵守多數(shù)表決的原則，以上遇到的問(wèn)題就來(lái)源于最后一個(gè)條件所觸發(fā)的結(jié)果。

圖2 冷凝液備用泵自啟動(dòng)邏輯

1.2.3冷凝液泵自動(dòng)停運(yùn)

冷凝液泵自動(dòng)停運(yùn)邏輯框圖如圖3所示。

圖3 冷凝液泵自動(dòng)停運(yùn)邏輯

由圖3可知，使冷凝液泵自動(dòng)停運(yùn)的條件： LT021861A/B/C任意1臺(tái)變送器示值不大于31%；電泵發(fā)生故障。

顯然第一個(gè)條件也不符合多數(shù)表決的原則。假如有1臺(tái)變送器故障示值不大于31%時(shí)，無(wú)論其操作開關(guān)是否位于遠(yuǎn)程控制位置，都將使正在運(yùn)行的冷凝液泵自動(dòng)停運(yùn)。更為重要的是停泵后主冷凝器的液位必然升高，當(dāng)達(dá)到液位的高報(bào)值56%時(shí)，若錯(cuò)誤信號(hào)仍然存在，則其鉗位作用使2臺(tái) 冷凝液泵都無(wú)法自啟動(dòng)，此時(shí)如果處理不及時(shí)液位勢(shì)必上升最終達(dá)到聯(lián)鎖跳車值67%而觸發(fā)透平聯(lián)鎖跳車。

1.3聯(lián)鎖邏輯改進(jìn)

1) 冷凝液泵自動(dòng)停運(yùn)聯(lián)鎖程序修改。將冷凝液液位低低聯(lián)鎖邏輯中的與門邏輯塊改成“三取二”邏輯表決器功能塊，實(shí)現(xiàn)多數(shù)表決有效。

2) 冷凝液備用泵自啟動(dòng)聯(lián)鎖程序修改。將冷凝液液位低低和液位高自啟備用冷凝液泵邏輯中的與門邏輯塊改為“三取二”邏輯表決器功能塊，實(shí)現(xiàn)多數(shù)表決有效。修改后完善了原有程序，使得聯(lián)鎖動(dòng)作更加合理、可靠。

2 鍋爐給水泵聯(lián)鎖控制程序的改進(jìn)

2.1異常現(xiàn)象

在裝置年度整修后恢復(fù)開車階段，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的中壓鍋爐給水泵已經(jīng)運(yùn)行，但從ITCC操作畫面上卻發(fā)現(xiàn)聯(lián)鎖處于跳車狀態(tài)。查看ESD在線程序，雖然各聯(lián)鎖條件均已滿足，但因沒(méi)有進(jìn)行聯(lián)鎖復(fù)位操作，所以該聯(lián)鎖一直處于跳車狀態(tài)。更為嚴(yán)重的是，即使設(shè)備出現(xiàn)故障需要停車保護(hù)時(shí)卻無(wú)法獲得有效執(zhí)行，顯然有邏輯錯(cuò)誤存在。

2.2程序分析

2.2.1聯(lián)鎖邏輯

鍋爐給水泵的控制邏輯如圖4所示。

圖4 鍋爐給水泵控制聯(lián)鎖示意

圖4中，OR為或門邏輯塊；SR為置位優(yōu)先的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；TP為脈沖輸出塊。從圖4可以看出其動(dòng)作原理如下：

1) 工藝條件停車。當(dāng)脫氧槽液位降低到開關(guān)LALL6003和LALL6004設(shè)定值時(shí)，所有鍋爐給水泵停車。該聯(lián)鎖設(shè)有超馳開關(guān)，需要時(shí)通過(guò)軟、硬開關(guān)共同作用生效。

2) 人工手動(dòng)停機(jī)。可以使用機(jī)泵旁就地停車按鈕HS6009或者在DCS操作畫面上軟開關(guān)HS6010實(shí)現(xiàn)停機(jī)。

3) 機(jī)械故障跳車。來(lái)自ITCC的停車信號(hào)，當(dāng)機(jī)組振動(dòng)、位移、超速等達(dá)到高限時(shí)停機(jī)保護(hù)。

4) 開車操作。上述各停車條件都不存在，通過(guò)ITCC中滿足允許起動(dòng)條件，隨后按下復(fù)位按鈕投用聯(lián)鎖后，點(diǎn)按現(xiàn)場(chǎng)操作按鈕起動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

5) 停車動(dòng)作。機(jī)泵運(yùn)行中，若出現(xiàn)停車因素之一時(shí)，SR觸發(fā)器被置位，觸發(fā)TP功能塊發(fā)出 2s 正脈沖將接點(diǎn)送MCC跳閘。

2.2.2聯(lián)鎖缺陷

由于程序設(shè)計(jì)中僅考慮到送MCC啟動(dòng)和停止信號(hào)互為反向，各TP塊輸出送MCC的2s脈沖之后，該接點(diǎn)恢復(fù)到斷開狀態(tài)，即此后MCC無(wú)法辨別聯(lián)鎖的真實(shí)意圖。即使操作方面在沒(méi)有投用聯(lián)鎖的情況下，只要脫氧槽液位正常之后按下復(fù)位按鈕，仍可起動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

2.2.3邏輯改進(jìn)

通過(guò)調(diào)查，MCC接受來(lái)自儀表控制的兩組接點(diǎn)用于電動(dòng)機(jī)的合閘和分閘控制，它是利用電機(jī)綜合保護(hù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。儀表的合閘、分閘信號(hào)由時(shí)長(zhǎng)2s的脈沖觸發(fā)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)就地/遠(yuǎn)程選擇開關(guān)在遠(yuǎn)程位置，合閘接點(diǎn)閉合且分閘接點(diǎn)斷開，電機(jī)會(huì)通過(guò)操作按鈕起動(dòng)運(yùn)行；無(wú)論是在遠(yuǎn)程還是就地狀態(tài)，只要分閘接點(diǎn)閉合，電機(jī)就會(huì)停運(yùn)。這是從安全角度出發(fā)，設(shè)計(jì)成分閘優(yōu)先，即當(dāng)兩接點(diǎn)同時(shí)閉合時(shí)保持停車結(jié)果。

依據(jù)控制程序的原理，利用MCC停車優(yōu)先的條件可修補(bǔ)原有程序的漏洞，即將送MCC分閘信號(hào)前的TP脈沖塊取消，只有聯(lián)鎖投運(yùn)正常時(shí)才能起動(dòng)電機(jī)，從而保證無(wú)論何時(shí)，一旦觸發(fā)聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作就一定能使電機(jī)停運(yùn)。經(jīng)過(guò)修改程序并通過(guò)空載和聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，成功消除了原程序的缺陷。

3 透平轉(zhuǎn)速故障停機(jī)程序的改進(jìn)

3.1現(xiàn)象

當(dāng)裝置經(jīng)歷停車檢修之后啟動(dòng)中壓鍋爐給水泵透平時(shí)，重復(fù)兩次在出現(xiàn)轉(zhuǎn)速后不久發(fā)生聯(lián)鎖保護(hù)跳車，報(bào)警信息提示“轉(zhuǎn)速探頭故障跳車”,當(dāng)時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)記錄如圖5所示。

圖5 趨勢(shì)記錄示意

圖5中轉(zhuǎn)速設(shè)定值(SV)按照程序設(shè)置的速率逐步接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速；調(diào)速閥的信號(hào)(MV)逐漸升高到一定值才能反映出轉(zhuǎn)速變化；實(shí)際轉(zhuǎn)速(PV)沖轉(zhuǎn)后應(yīng)跟隨設(shè)定轉(zhuǎn)速爬升。

由圖5可見，當(dāng)啟動(dòng)指令發(fā)出時(shí)，目標(biāo)轉(zhuǎn)速?gòu)?跳變至500r/min，轉(zhuǎn)速設(shè)定值引導(dǎo)輸出值逐漸變大，調(diào)速閥達(dá)到一定開度后進(jìn)入透平的蒸汽做功克服機(jī)械摩擦力使轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，開始的轉(zhuǎn)速信號(hào)(約180r/min)超過(guò)了設(shè)定值，輸出隨即變小使得轉(zhuǎn)速回0后反復(fù)跳變。跳車時(shí)距離首次出現(xiàn)轉(zhuǎn)速僅 40s， 轉(zhuǎn)速還不到200r/min，且當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)速指示并無(wú)異常，何以觸發(fā)聯(lián)鎖保護(hù)跳車呢？

3.2原因分析

3.2.1檢 查

由于連續(xù)兩次起動(dòng)都以失敗告終，并且表現(xiàn)形式相同。首先檢查探頭有無(wú)問(wèn)題,事實(shí)上停車期間探頭沒(méi)動(dòng)，并且從鍵相探頭和超速保護(hù)“三取二”轉(zhuǎn)速探頭指示值都能夠證實(shí)調(diào)速器轉(zhuǎn)速探頭示值正確無(wú)誤。

通過(guò)進(jìn)一步分析ITCC內(nèi)部程序也沒(méi)有修改過(guò)，調(diào)速系統(tǒng)唯一變化的是更換了調(diào)速閥的閥門定位器。把原安裝在閥體上的整體型電/氣定位器改裝成脫離閥體安裝的分體式閥門定位器，其目的是克服閥門振動(dòng)和高溫對(duì)定位器的不利影響，以獲得更高的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)品質(zhì)。再次檢查閥門定位器動(dòng)作正常，記錄曲線也證明閥門動(dòng)作靈敏正常。

3.2.2程序分析

透平測(cè)速探頭使用的是無(wú)源磁性探頭(peak-up)，它不能像普通4～20mA信號(hào)的變送器那樣簡(jiǎn)單地設(shè)置1個(gè)超出量程的閥值去定義變送器故障。測(cè)速探頭是無(wú)源的，無(wú)轉(zhuǎn)速條件下檢測(cè)回路內(nèi)既無(wú)電流，也無(wú)電壓，不好界定其是否存在故障。

當(dāng)透平轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，測(cè)速探頭通過(guò)測(cè)速齒輪切割磁力線產(chǎn)生與實(shí)際轉(zhuǎn)速成正比的系列脈沖信號(hào)傳給ITCC，而脈沖的多少實(shí)際上也無(wú)法定義轉(zhuǎn)速探頭是否故障。程序中對(duì)測(cè)速探頭故障認(rèn)定的方法是當(dāng)測(cè)速探頭的指示值達(dá)到一定量之后，再發(fā)生轉(zhuǎn)速值下降至不可能出現(xiàn)的過(guò)低數(shù)值時(shí)，該機(jī)組設(shè)置高于200r/min激活測(cè)速探頭故障檢測(cè)功能，當(dāng)示值小于100r/min時(shí)，即視為故障狀態(tài)。聯(lián)鎖邏輯中的功能塊如圖6所示。

圖6中，GE為數(shù)據(jù)比較模塊，當(dāng)X≥Y時(shí)輸出為1；RS為復(fù)位優(yōu)先的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；SR為置位優(yōu)先的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；TOF為延時(shí)斷開功能模塊；SPD_SEL為轉(zhuǎn)速選擇處理模塊。

解讀設(shè)計(jì)邏輯，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行模式大于2，即沖轉(zhuǎn)暖機(jī)及以后階段，選取兩個(gè)測(cè)速探頭輸入信號(hào)中的高值大于200r/min時(shí)，激活探頭故障檢測(cè)功能；若出現(xiàn)所有轉(zhuǎn)速都小于100r/min時(shí)即判定為探頭故障，同時(shí)以此發(fā)出跳車保護(hù)指令。

圖6 轉(zhuǎn)速探頭故障示意

3.2.3結(jié) 論

通過(guò)分析不難得到結(jié)論： 由于更換了定位器，新的定位器比舊的反應(yīng)更加靈敏，得到?jīng)_轉(zhuǎn)指令后很快有了轉(zhuǎn)速反應(yīng)，但這時(shí)轉(zhuǎn)速設(shè)定值還未達(dá)到200r/min，只能圍繞設(shè)定值跳變。當(dāng)透平轉(zhuǎn)速一旦到達(dá)或者超過(guò)200r/min時(shí)，即啟動(dòng)測(cè)速探頭故障監(jiān)測(cè)程序，此后發(fā)生的低于100r/min情況便觸發(fā)“測(cè)速探頭故障跳車”聯(lián)鎖動(dòng)作。

3.3程序改進(jìn)

通過(guò)修改觸發(fā)檢測(cè)測(cè)速探頭故障的閥值，脫離轉(zhuǎn)速變化跳變區(qū)，即可有效地避開可能引發(fā)跳車的區(qū)段。調(diào)出過(guò)去的升速曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)高于300r/min 以上時(shí)跳變就消失了。按照確定方案，把ITCC程序中設(shè)置的激活測(cè)速探頭故障檢測(cè)值由200r/min修改為300r/min。按修改后的程序，進(jìn)行前述操作，有效地防止了不必要的跳車現(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上事例，表明初始編制的用戶程序難免會(huì)存在一些缺陷和不足。技術(shù)人員需結(jié)合設(shè)備運(yùn)行條件及工況的實(shí)際要求，有針對(duì)性地對(duì)問(wèn)題根源和程序細(xì)節(jié)加以研究并制訂出改進(jìn)措施，使之逐步得到完善，能夠有效地保證機(jī)組設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的各種條件變化時(shí)都能夠?qū)崿F(xiàn)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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稿件收到日期： 2013-02-26。

韓平(1956—)，男，現(xiàn)就職于中海石油建滔化工有限公司電儀技術(shù)部，主要從事化工儀表自動(dòng)化設(shè)備維護(hù)檢修工作，任工程師。

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1007-7324(2013)03-0061-04