基于三重化處理系統(tǒng)在稀硝酸機組上的應(yīng)用

王剛

摘 要：針對硝酸機組的工藝特點及其技術(shù)要求，基于ITCC技術(shù)，實現(xiàn)了化工機組生產(chǎn)過程監(jiān)控的自動化控制系統(tǒng)，討論了由現(xiàn)場級、ITCC控制級和HMI監(jiān)控級三層結(jié)構(gòu)組成的自動化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和控制方法。用喘振控制模式、啟停車控制邏輯模式、PID回路控制及轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)實現(xiàn)了機組控制的目標。所完成的控制系統(tǒng)成功的應(yīng)用于10萬噸稀硝酸機組控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了機組運行過程的實時監(jiān)控、喘振控制、啟停車聯(lián)鎖邏輯及機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制等功能，取得了明顯的應(yīng)用成效。

關(guān)鍵詞：ITCC；ICS T6300；IFIX；MODBUS

引言

TRUSTED ICS是一個基于三重化處理器的系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件采用冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計。所有模塊均能在線熱更換。這種設(shè)計使得系統(tǒng)幾乎可以保持100%在線。

因此，該系統(tǒng)被用來實時地處理各種復(fù)雜和危險的生產(chǎn)過程的控制，接受現(xiàn)場信號，執(zhí)行邏輯運算、PID等各種控制程序，輸出控制信號，驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行單元。鑒于該系統(tǒng)的特性，應(yīng)用在稀硝酸機組的監(jiān)控和保護上顯得非常優(yōu)越，我們公司已經(jīng)成功應(yīng)用了多套，取得了顯著效果。

1 系統(tǒng)概述

1.1 稀硝酸工藝流程簡述

液氨進入氨蒸發(fā)器蒸發(fā)經(jīng)氨過熱器到氨空混合器。氨和空氣混合以后進入氧化爐生成NO，氮氧化物氣體從吸收塔底部進入，工藝水從吸收塔頂部噴淋而下，二者逆流接觸，生成58%-60%的硝酸，在經(jīng)過漂白處理后到酸冷卻器冷卻，進入成品酸貯罐，稀硝酸工藝中最核心的設(shè)備是四合一壓縮機組，正常生產(chǎn)時通過硝酸自產(chǎn)蒸汽帶動汽輪機，由汽輪機帶動空氣壓縮機、氧化氮壓縮機和尾氣透平。該機組的正常運行是保證硝酸生產(chǎn)的關(guān)鍵，所以，對該機組的監(jiān)控和保護非常重要。

1.2 自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)采用TRUSTED ICS雙機熱備系統(tǒng)和 I/O子站組成控制站， IFIX人機界面軟件和DELL工控機組成操作站。形成ITCC系統(tǒng)。系統(tǒng)的整個構(gòu)成情況如圖1所示。

該ITCC控制系統(tǒng)的ES站和OS站與ICS系統(tǒng)由以太網(wǎng)MODBUS協(xié)議連接，ITCC控制站由一個主機架和一個從機架組成。主機框架內(nèi)有CPU（T8110B）模塊，通訊模塊T8151B，轉(zhuǎn)速模塊T8442，從機框架內(nèi)有AI、DI、AO、DO輸入輸出模塊。主機框架與從機框架由一個延伸電纜連接并通訊。ICS系統(tǒng)提供兩種在線更換的方法，即熱備槽方式和智能槽方式。無論被組態(tài)為熱備槽方式還是智能槽方式，在線更換工作均不會影響系統(tǒng)的正常工作。

2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)層和人機界面控制層兩層網(wǎng)絡(luò)組成。

2.1 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)層

ITCC控制器通過主從機架的延伸電纜通訊，向從機架 I/O站發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。ITCC控制器通過modbus RTU通訊，采集BENTLY 3500儀表的測振信號。DCS系統(tǒng)通過ITCC的modbus從站模塊，接收機組運行或狀態(tài)信息。

2.2 人機界面控制層

ES站和OS站與ITCC的以太網(wǎng)模塊（T8151B）組成局域網(wǎng)，以IFIX的OPC協(xié)議實現(xiàn)與控制器的通訊，進而實現(xiàn)對機組的監(jiān)控和操作。該控制系統(tǒng)的上位機采用的是國內(nèi)普遍應(yīng)用的IFIX人機界面軟件，具有很高的開放性，可以很好的與工廠遠程調(diào)度或ERP通訊。

3 控制站和操作站

3.1 控制站

ICS T6300控制站所有模塊都采用TMR技術(shù)。Triplex Modular Redundancy，即TMR采用的三重化技術(shù)。三重化電路的輸出信號在成為系統(tǒng)輸出之前，經(jīng)過一個三選二的表決處理器。當(dāng)三個電路中有一路發(fā)生故障，輸出錯誤信號，經(jīng)過三選二表決后該錯誤信號被屏蔽掉，系統(tǒng)仍然輸出正確的信號（電壓、電流或開關(guān)狀態(tài)），當(dāng)出現(xiàn)兩個以上的錯誤信號時，系統(tǒng)報警并采取措施保護機組。系統(tǒng)不會因為內(nèi)部故障而對過程產(chǎn)生影響，實現(xiàn)連續(xù)的、可預(yù)測的控制，保護機組。這是這個系統(tǒng)的核心。

3.2 操作站

操作站配置DELL工控機，采用windows xp操作系統(tǒng)，系統(tǒng)可以通過以太網(wǎng)（TCP/IP）連接多臺操作員工作站。任何一臺上位機可同時接收或發(fā)送ITCC T6300的數(shù)據(jù)，兩套上位機可組成冗余系統(tǒng)，OS站安裝有IFIX運行版軟件，其中ES站安裝有IFIX開發(fā)版軟件和TOOLSET編程軟件，以便工程師開發(fā)或修改組態(tài)畫面或ITCC T6300程序。工程師站可以完成下面工作。

* 應(yīng)用程序組態(tài)

* 系統(tǒng)控制

* 實時和歷史數(shù)據(jù)趨勢記錄

* SOE記錄

* 報警組態(tài)和記錄

4 系統(tǒng)功能

利用該系統(tǒng)具有的三重化處理功能對機組實現(xiàn)自動控制、監(jiān)視，機組啟停車聯(lián)鎖控制，防喘振控制，停機事件記錄SOE功能實現(xiàn)，機組轉(zhuǎn)速控制。

5 防喘振功能

防喘振控制系統(tǒng)按照廠家提供的機組性能曲線（一般都是理論計算值）參數(shù)進行防喘振曲線的設(shè)置，在現(xiàn)場具備條件的時候做驗證實驗，來保證機組防喘振控制的安全性。這項實驗的目的，是檢驗當(dāng)工作點向上一定范圍之內(nèi)的區(qū)域都是安全的。

根據(jù)壓縮機廠商實測的喘振點繪制喘振折線，如圖2所示。

數(shù)學(xué)模型為： h=f（Pd、Ps、Ts）

其中：h為壓差。

Pd為壓縮機的出口壓力。

Ps為壓縮機的入口壓力。

Ts為壓縮機的入口溫度。

根據(jù)喘振線向右移動5%-10%，產(chǎn)生防喘振線，給出的現(xiàn)場HMI畫面中的折線就是通過這種方法算出來的。

6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制

6.1 現(xiàn)場與HMI控制切換

根據(jù)實際情況，可以在HMI對現(xiàn)場機組轉(zhuǎn)速進行控制，如啟機、停機、轉(zhuǎn)速SP上設(shè)定，轉(zhuǎn)速SP下設(shè)定、繼續(xù)、中斷、暖機到額定、復(fù)位等操作。endprint

6.2 閥門限制器

閥門限制器的作用是用來手動或是自動打開閥門，用來閥門標定用的。

6.3 閥門標定

閥門標定是在機組開機前可以對閥門進行閥位的限制，正常為0-100%，但由于閥門長時間使用或是現(xiàn)場工況情況，可以把閥門的上限或是下限進行限止。比如說5-90%。

6.4 轉(zhuǎn)速參數(shù)設(shè)定

我們可以輸入一些跟機組轉(zhuǎn)速有關(guān)的參數(shù)。比如說盤車電機轉(zhuǎn)速、第一臨界起始點、第二臨界起始點、額定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速的上下限、可控制轉(zhuǎn)速上下限、按鈕轉(zhuǎn)速SP步長、臨界轉(zhuǎn)速SP步長、轉(zhuǎn)速臨界超時設(shè)定、使能第一臨界、使能第二臨界、使能順序控制、使能超速試驗。

每一個機組都會有相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速，機組在臨界轉(zhuǎn)速下時間越長，軸振動就會大大的增加，對機組產(chǎn)生的影響就會越大，因此要減少機組在臨界轉(zhuǎn)速下的時間。從這一理論下，機組轉(zhuǎn)速在臨界的時候，臨界時的SP就會以成倍的設(shè)定值往上走，這樣，根據(jù)差值和PID的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速就會隨著快速變化增長，在短時間內(nèi)越過臨界。

6.5 報警跳車監(jiān)視

報警跳車界面主要是監(jiān)視2個轉(zhuǎn)速探頭。失轉(zhuǎn)或是安裝探頭不正確、第一臨界超時、第二臨界超時、超速。

6.6 參數(shù)監(jiān)視

通過參數(shù)監(jiān)視界面能監(jiān)視機組的轉(zhuǎn)動情況。在第一臨界、第二臨界的時間，外部聯(lián)鎖動作、啟動情況。

6.7 轉(zhuǎn)速PID控制

根據(jù)機組實際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速之間的差值，自動進行PID調(diào)節(jié)。KP和KI據(jù)有上下限，會根據(jù)轉(zhuǎn)速的差值大小來自動改變PID參數(shù)，從而更精確的計算，滿足生產(chǎn)需要。保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

6.8 暖機參數(shù)設(shè)定

機組在沖轉(zhuǎn)時或是沖臨界時，必須要進行暖機。暖機時間為機組廠家指定，在系統(tǒng)上可以設(shè)定。

7 部分程序

部分程序如圖3所示。

8 結(jié)束語

該系統(tǒng)采用了技術(shù)成熟的ITCC ICS T6300產(chǎn)品和IFIX人機界面軟件，接口開放，易于向上或向下延伸，系統(tǒng)擴展方便，跳車及生產(chǎn)情況記錄及時，數(shù)據(jù)采集實時顯示精確度高，目前機組運行接近一年，運行平穩(wěn)，安全可靠，深受用戶好評。

TRUSTED ICS三重化處理器系統(tǒng)在稀硫酸機組上的應(yīng)用是成功地，在使用過程中TRUSTED ICS保證系統(tǒng)在內(nèi)部出現(xiàn)故障的狀態(tài)下，仍能正確地執(zhí)行程序。系統(tǒng)所有的模塊均能在線熱更換。這種設(shè)計使得TRUSTED ICS系統(tǒng)保持100%在線。TRUSTED ICS被用來實時地處理各種復(fù)雜和危險的生產(chǎn)過程的控制，接受現(xiàn)場信號，執(zhí)行邏輯運算、PID等各種控制程序，輸出控制信號，驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行單元切實可行。

參考文獻

[1]ITCC ICS 學(xué)習(xí)手冊[S].

[2]154學(xué)生手冊[M].上海：intellution，2001.endprint

6.2 閥門限制器

閥門限制器的作用是用來手動或是自動打開閥門，用來閥門標定用的。

6.3 閥門標定

閥門標定是在機組開機前可以對閥門進行閥位的限制，正常為0-100%，但由于閥門長時間使用或是現(xiàn)場工況情況，可以把閥門的上限或是下限進行限止。比如說5-90%。

6.4 轉(zhuǎn)速參數(shù)設(shè)定

我們可以輸入一些跟機組轉(zhuǎn)速有關(guān)的參數(shù)。比如說盤車電機轉(zhuǎn)速、第一臨界起始點、第二臨界起始點、額定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速的上下限、可控制轉(zhuǎn)速上下限、按鈕轉(zhuǎn)速SP步長、臨界轉(zhuǎn)速SP步長、轉(zhuǎn)速臨界超時設(shè)定、使能第一臨界、使能第二臨界、使能順序控制、使能超速試驗。

每一個機組都會有相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速，機組在臨界轉(zhuǎn)速下時間越長，軸振動就會大大的增加，對機組產(chǎn)生的影響就會越大，因此要減少機組在臨界轉(zhuǎn)速下的時間。從這一理論下，機組轉(zhuǎn)速在臨界的時候，臨界時的SP就會以成倍的設(shè)定值往上走，這樣，根據(jù)差值和PID的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速就會隨著快速變化增長，在短時間內(nèi)越過臨界。

6.5 報警跳車監(jiān)視

報警跳車界面主要是監(jiān)視2個轉(zhuǎn)速探頭。失轉(zhuǎn)或是安裝探頭不正確、第一臨界超時、第二臨界超時、超速。

6.6 參數(shù)監(jiān)視

通過參數(shù)監(jiān)視界面能監(jiān)視機組的轉(zhuǎn)動情況。在第一臨界、第二臨界的時間，外部聯(lián)鎖動作、啟動情況。

6.7 轉(zhuǎn)速PID控制

根據(jù)機組實際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速之間的差值，自動進行PID調(diào)節(jié)。KP和KI據(jù)有上下限，會根據(jù)轉(zhuǎn)速的差值大小來自動改變PID參數(shù)，從而更精確的計算，滿足生產(chǎn)需要。保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

6.8 暖機參數(shù)設(shè)定

機組在沖轉(zhuǎn)時或是沖臨界時，必須要進行暖機。暖機時間為機組廠家指定，在系統(tǒng)上可以設(shè)定。

7 部分程序

部分程序如圖3所示。

8 結(jié)束語

該系統(tǒng)采用了技術(shù)成熟的ITCC ICS T6300產(chǎn)品和IFIX人機界面軟件，接口開放，易于向上或向下延伸，系統(tǒng)擴展方便，跳車及生產(chǎn)情況記錄及時，數(shù)據(jù)采集實時顯示精確度高，目前機組運行接近一年，運行平穩(wěn)，安全可靠，深受用戶好評。

TRUSTED ICS三重化處理器系統(tǒng)在稀硫酸機組上的應(yīng)用是成功地，在使用過程中TRUSTED ICS保證系統(tǒng)在內(nèi)部出現(xiàn)故障的狀態(tài)下，仍能正確地執(zhí)行程序。系統(tǒng)所有的模塊均能在線熱更換。這種設(shè)計使得TRUSTED ICS系統(tǒng)保持100%在線。TRUSTED ICS被用來實時地處理各種復(fù)雜和危險的生產(chǎn)過程的控制，接受現(xiàn)場信號，執(zhí)行邏輯運算、PID等各種控制程序，輸出控制信號，驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行單元切實可行。

參考文獻

[1]ITCC ICS 學(xué)習(xí)手冊[S].

[2]154學(xué)生手冊[M].上海：intellution，2001.endprint

6.2 閥門限制器

閥門限制器的作用是用來手動或是自動打開閥門，用來閥門標定用的。

6.3 閥門標定

閥門標定是在機組開機前可以對閥門進行閥位的限制，正常為0-100%，但由于閥門長時間使用或是現(xiàn)場工況情況，可以把閥門的上限或是下限進行限止。比如說5-90%。

6.4 轉(zhuǎn)速參數(shù)設(shè)定

我們可以輸入一些跟機組轉(zhuǎn)速有關(guān)的參數(shù)。比如說盤車電機轉(zhuǎn)速、第一臨界起始點、第二臨界起始點、額定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速的上下限、可控制轉(zhuǎn)速上下限、按鈕轉(zhuǎn)速SP步長、臨界轉(zhuǎn)速SP步長、轉(zhuǎn)速臨界超時設(shè)定、使能第一臨界、使能第二臨界、使能順序控制、使能超速試驗。

每一個機組都會有相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速，機組在臨界轉(zhuǎn)速下時間越長，軸振動就會大大的增加，對機組產(chǎn)生的影響就會越大，因此要減少機組在臨界轉(zhuǎn)速下的時間。從這一理論下，機組轉(zhuǎn)速在臨界的時候，臨界時的SP就會以成倍的設(shè)定值往上走，這樣，根據(jù)差值和PID的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速就會隨著快速變化增長，在短時間內(nèi)越過臨界。

6.5 報警跳車監(jiān)視

報警跳車界面主要是監(jiān)視2個轉(zhuǎn)速探頭。失轉(zhuǎn)或是安裝探頭不正確、第一臨界超時、第二臨界超時、超速。

6.6 參數(shù)監(jiān)視

通過參數(shù)監(jiān)視界面能監(jiān)視機組的轉(zhuǎn)動情況。在第一臨界、第二臨界的時間，外部聯(lián)鎖動作、啟動情況。

6.7 轉(zhuǎn)速PID控制

根據(jù)機組實際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速之間的差值，自動進行PID調(diào)節(jié)。KP和KI據(jù)有上下限，會根據(jù)轉(zhuǎn)速的差值大小來自動改變PID參數(shù)，從而更精確的計算，滿足生產(chǎn)需要。保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

6.8 暖機參數(shù)設(shè)定

機組在沖轉(zhuǎn)時或是沖臨界時，必須要進行暖機。暖機時間為機組廠家指定，在系統(tǒng)上可以設(shè)定。

7 部分程序

部分程序如圖3所示。

8 結(jié)束語

該系統(tǒng)采用了技術(shù)成熟的ITCC ICS T6300產(chǎn)品和IFIX人機界面軟件，接口開放，易于向上或向下延伸，系統(tǒng)擴展方便，跳車及生產(chǎn)情況記錄及時，數(shù)據(jù)采集實時顯示精確度高，目前機組運行接近一年，運行平穩(wěn)，安全可靠，深受用戶好評。

TRUSTED ICS三重化處理器系統(tǒng)在稀硫酸機組上的應(yīng)用是成功地，在使用過程中TRUSTED ICS保證系統(tǒng)在內(nèi)部出現(xiàn)故障的狀態(tài)下，仍能正確地執(zhí)行程序。系統(tǒng)所有的模塊均能在線熱更換。這種設(shè)計使得TRUSTED ICS系統(tǒng)保持100%在線。TRUSTED ICS被用來實時地處理各種復(fù)雜和危險的生產(chǎn)過程的控制，接受現(xiàn)場信號，執(zhí)行邏輯運算、PID等各種控制程序，輸出控制信號，驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行單元切實可行。

參考文獻

[1]ITCC ICS 學(xué)習(xí)手冊[S].

[2]154學(xué)生手冊[M].上海：intellution，2001.endprint