數(shù)據(jù)通訊大型壓縮機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

潘大龍，劉映岐，賈成琪

（中國(guó)石油大慶石化公司煉油廠，黑龍江大慶163711）

大型壓縮機(jī)組是煉油廠生產(chǎn)裝置中的核心設(shè)備，運(yùn)行時(shí)一旦出現(xiàn)故障將導(dǎo)致機(jī)組或裝置非計(jì)劃停機(jī)、停工，伴隨而來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境影響巨大。壓縮機(jī)組都是在高溫、高壓、高速的狀態(tài)下長(zhǎng)周期運(yùn)行，大型關(guān)鍵壓縮機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)裝置的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。為保證大型關(guān)鍵壓縮機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行，機(jī)組的運(yùn)行監(jiān)控操作系統(tǒng)尤其重要。

1 機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)

大型機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)通常采用ITCC/ESD（機(jī)組綜合控制/緊急停車）系統(tǒng)、軸系狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)大機(jī)組的運(yùn)行監(jiān)視控制、聯(lián)鎖保護(hù)。ITCC/ESD系統(tǒng)采用的控制系統(tǒng)，如TRICONEX 公司的TS3000 系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱TS3000 系統(tǒng)），主要用于機(jī)組的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)的顯示報(bào)警監(jiān)控［1］。實(shí)現(xiàn)機(jī)組的防喘振控制、蒸汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、性能控制、PID 控制等功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自保聯(lián)鎖邏輯控制。

軸系狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用本特利公司的3500系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱3500 系統(tǒng)），能夠通過采用不同類型的傳感器對(duì)機(jī)組的軸位移、軸振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，并根據(jù)設(shè)定好的報(bào)警、保護(hù)值進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯輸出［2］。各運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)信號(hào)通過3500 系統(tǒng)進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)處理。為了監(jiān)測(cè)到機(jī)組本體的主要參數(shù)（如振動(dòng)、軸位移、鍵相等），隨時(shí)掌握機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，需要實(shí)現(xiàn)3500 系統(tǒng)與ITCC/ESD 系統(tǒng)之間的通信，將相關(guān)參數(shù)顯示在操作站上。當(dāng)軸系信號(hào)超限判斷及機(jī)組保護(hù)聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的可靠監(jiān)測(cè)及聯(lián)鎖保護(hù)功能［3］。

2 數(shù)據(jù)通訊的連接方式

該煉油廠的大機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)中，TS3000 系統(tǒng)與3500系統(tǒng)間的信號(hào)連接方式有3種：（1）全模擬量方式；（2）模擬量顯示、離散量聯(lián)鎖結(jié)合的方式；（3）數(shù)字通訊顯示、離散量聯(lián)鎖結(jié)合的方式。

3 種連接方式在裝置中可實(shí)現(xiàn)差異化定制［4］。但在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)單鏈路RS485通訊穩(wěn)定性較差，易發(fā)生系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)中斷。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用作者結(jié)合數(shù)字通訊顯示、離散量聯(lián)鎖結(jié)合的方式提出1 種單鏈路RS485 通訊的改進(jìn)方案。通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了RS485 的冗余通訊，提高了機(jī)組通訊的可靠性，滿足機(jī)組各種復(fù)雜工況、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的要求。

2.1 全模擬量方式

全模擬量方式采用硬線連接全模擬量方式進(jìn)行信號(hào)的傳遞，全模擬量連接方式見圖1。

圖1 全模擬量連接方式

以加氫裂化裝置為例，3500 系統(tǒng)卡件硬件配置為7塊位移振動(dòng)監(jiān)測(cè)卡，1塊鍵相卡、用于監(jiān)視循氫機(jī)、新氫機(jī)。3500 系統(tǒng)由40 卡件采集現(xiàn)場(chǎng)渦流探頭和前置放大器傳來(lái)的大機(jī)組軸系狀態(tài)（位移、振動(dòng)）信號(hào)，通過帶4～20 mA 模擬信號(hào)輸出功能，將經(jīng)過40 卡件進(jìn)行信號(hào)處理后的位移、振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出，由TS3000 系統(tǒng)側(cè)采用模擬輸入模件接收4～20 mA 模擬信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的軸位移、軸振動(dòng)信號(hào)，傳到操作站上進(jìn)行顯示。

軸位移、軸振動(dòng)等聯(lián)鎖保護(hù)都是在TS3000 系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換，邏輯判斷運(yùn)算等實(shí)現(xiàn)，當(dāng)監(jiān)測(cè)的信號(hào)達(dá)到聯(lián)鎖動(dòng)作值后，按照聯(lián)鎖邏輯進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的監(jiān)控聯(lián)鎖，保證機(jī)組設(shè)備安全。此方案的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便，可靠直觀，容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是可顯示的監(jiān)測(cè)信息少，整個(gè)信號(hào)處理過程經(jīng)過多次數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換后精度下降及運(yùn)算處理速度慢，機(jī)組保護(hù)動(dòng)作周期長(zhǎng)，TS3000 需要的模擬卡件多、成本高。

2.2 模擬量顯示、離散量聯(lián)鎖結(jié)合

模擬量顯示、離散量聯(lián)鎖是1 種改進(jìn)方案，模擬量和離散量結(jié)合方式見圖2。

圖2 模擬量和離散量結(jié)合方式

為了提高聯(lián)鎖響應(yīng)速度，在3500 系統(tǒng)相應(yīng)的各卡件中設(shè)置軸位移，軸振動(dòng)等聯(lián)鎖值，并在3500繼電器輸出卡中組態(tài)與、或邏輯進(jìn)行表決判斷。當(dāng)軸位移、軸振動(dòng)值達(dá)到聯(lián)鎖保護(hù)值時(shí)，繼電器卡輸出干接點(diǎn)信號(hào)，送至TS3000 系統(tǒng)數(shù)字量輸入模件中，由TS3000系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作，而模擬量顯示與第1 種方案相同，由硬線連接到TS3000 模擬量輸入模件上在操作站顯示。該方案優(yōu)點(diǎn)是邏輯動(dòng)作響應(yīng)速度快，缺點(diǎn)是在監(jiān)測(cè)信息量一定時(shí)卡件數(shù)量較多、成本較高。

2.3 數(shù)字通訊顯示、離散量聯(lián)鎖結(jié)合

數(shù)字通訊顯示、離散量聯(lián)鎖結(jié)合方式是利用MODBUS 通訊實(shí)現(xiàn)軸位移、軸振動(dòng)、機(jī)組轉(zhuǎn)速等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理［5］。通過RS485 通訊，將需要顯示的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息都傳輸?shù)絋S3000系統(tǒng)中。當(dāng)軸位移，軸振動(dòng)等超過聯(lián)鎖保護(hù)限值后,在3500 系統(tǒng)里進(jìn)行動(dòng)作條件邏輯判斷,當(dāng)達(dá)到聯(lián)鎖值時(shí)，通過3500 繼電器輸出，送到TS3000 系統(tǒng)的數(shù)字量輸入模件中，由TS3000系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作。此方式能夠顯示所有3500系統(tǒng)的信息，例如卡件、通道及機(jī)架的工作狀態(tài)、間隙電壓等，可通過組態(tài)靈活選用需要顯示的內(nèi)容，便于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問題及維護(hù)。此方式保護(hù)邏輯動(dòng)作響應(yīng)速度快，減少了對(duì)TS3000 模擬量輸入卡件的需求，降低成本的同時(shí)提高了信息顯示量，是目前比較常用的方式，見圖3。

圖3 通訊顯示、離散量聯(lián)鎖結(jié)合方式

2.4 單鏈路RS485通訊的改進(jìn)方案

在生產(chǎn)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)應(yīng)用數(shù)字通訊顯示、離散量聯(lián)鎖結(jié)合的方式所連接的3500 系統(tǒng)與TS3000系統(tǒng)之間通訊多次出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷。操作站顯示全部失靈，短時(shí)間內(nèi)對(duì)機(jī)組狀態(tài)失去監(jiān)控?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)3500 系統(tǒng)與ITCC 系統(tǒng)僅通過1 根485 電纜實(shí)現(xiàn)單鏈路RS485通訊，當(dāng)電纜插頭、線纜接觸不好、通訊卡件RS485 接口出現(xiàn)故障或存在其他外界干擾時(shí)通訊鏈路就會(huì)出現(xiàn)問題，造成數(shù)據(jù)中斷的故障。

嘗試改進(jìn)時(shí)，利用TCM 卡的端口進(jìn)行軟件組態(tài)實(shí)現(xiàn)冗余通訊。TS3000 系統(tǒng)的每塊TCM 卡有1個(gè)以太網(wǎng)通訊口、4個(gè)RS485/422通訊口，實(shí)際上所使用的TS3000 系統(tǒng)是采用2塊TCM 通訊卡進(jìn)行冗余配置的，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)上位操作站與控制站之間以太網(wǎng)的冗余通訊。3500系統(tǒng)的通訊卡件92卡也提供2個(gè)RS422/485通訊接口，并能同時(shí)讀取數(shù)據(jù)，支持RS485 冗余通訊?，F(xiàn)場(chǎng)的在用系統(tǒng)卡件具備實(shí)現(xiàn)冗余通訊功能的基礎(chǔ)條件，只要增加1條通訊電纜，即可實(shí)現(xiàn)硬件上的冗余連接。同時(shí)在TS3000 系統(tǒng)、3500 系統(tǒng)中進(jìn)行相應(yīng)的軟件組態(tài)設(shè)置，便能夠?qū)崿F(xiàn)RS485冗余通訊。

使用冗余通訊鏈路方式的同時(shí)，在TS3000 系統(tǒng)組態(tài)中增加通訊狀態(tài)判斷程序,系統(tǒng)不斷對(duì)通訊端口狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到通訊塊數(shù)據(jù)讀取出現(xiàn)異常時(shí)，對(duì)2 個(gè)端口進(jìn)行切換檢測(cè)，直到數(shù)據(jù)讀取恢復(fù)正常后，停止切換并停留在當(dāng)前的通訊口進(jìn)行工作。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到當(dāng)前使用的通訊口故障時(shí)，則自動(dòng)切換到另1 條通訊鏈路上，以確保通訊正常。同時(shí)，在系統(tǒng)內(nèi)組態(tài)通訊檢測(cè)報(bào)警功能，當(dāng)通訊鏈路出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷時(shí)，控制系統(tǒng)在操作員站發(fā)出故障報(bào)警，第一時(shí)間內(nèi)提示操作人員通訊出現(xiàn)故障，使故障能夠得到及時(shí)處理。

改進(jìn)方案中增加1 條RS485 專用通訊電纜，對(duì)需要的參數(shù)調(diào)整設(shè)置進(jìn)行離線組態(tài)，對(duì)ITCC 系統(tǒng)邏輯程序組態(tài)修改，增加了冗余MODBUS 線路自動(dòng)判斷切換邏輯，進(jìn)行了離線程序試驗(yàn)。

檢修后經(jīng)通訊測(cè)試，完全實(shí)現(xiàn)冗余通訊，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間觀察裝置未出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷的問題。測(cè)試成功后又將此方案應(yīng)用于二重催裝置。二重催裝置有3 套大機(jī)組，大機(jī)組的3 取2 超速保護(hù)系統(tǒng)放在了3500 中增加了機(jī)架的數(shù)量，由于ITCC 系統(tǒng)同時(shí)需要與DCS 進(jìn)行RS485 通訊，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻CS 系統(tǒng)，導(dǎo)致ITCC的通訊接口不足。

為解決該問題，提出了利用RS485一對(duì)多站通訊功能將3套3500系統(tǒng)的RS485總線串接，采用菊花鏈的方式通訊。經(jīng)過改進(jìn)，最終通過冗余的RS485 總線連接到 ITCC 系統(tǒng)，一對(duì)冗余 RS485 總線串接3 套3500 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一對(duì)三的通訊，數(shù)據(jù)通訊正常。改進(jìn)后的冗余通訊顯示、離散量聯(lián)鎖結(jié)合見圖4。

圖4 改進(jìn)后的冗余通訊顯示、離散量聯(lián)鎖結(jié)合

3 系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)組態(tài)

首先解決組態(tài)編程口通訊連接問題，原有系統(tǒng)組態(tài)編程接口采用的是RS232通訊方式，通訊距離最遠(yuǎn)30米，不具備遠(yuǎn)程連接和聯(lián)網(wǎng)的條件，只能用編程組態(tài)筆記本電腦在機(jī)柜附近連接，同時(shí)需要筆記本帶有RS232接口，而目前的筆記本都沒有RS232 接口。通過查閱資料得知新型號(hào)的3500 系統(tǒng)可以選用以太網(wǎng)組態(tài)接口，在二重催自控系統(tǒng)改造更新設(shè)計(jì)的采購(gòu)階段提出改進(jìn)建議，選用配帶有以太網(wǎng)接口的3500系統(tǒng)卡件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接。

采用以太網(wǎng)的通訊方式，通過網(wǎng)線將3500 系統(tǒng)的RIM 卡件與ITCC 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接上，使3500 系統(tǒng)與ITCC 工程師站處于同一局域網(wǎng)內(nèi)，能夠通過網(wǎng)絡(luò)訪問3500 系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間的ITCC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與中控室的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)通過光纖連接，這樣就實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)物理上的連接。

將3500 系統(tǒng)組態(tài)軟件安裝到中控室ITCC 工程師站或機(jī)柜間的輔助工程師站，通過設(shè)置對(duì)應(yīng)3500 系統(tǒng)IP 等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在中控室ITCC 工程師站或輔助工程師站上對(duì)3500 系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、報(bào)警查看以及事件記錄導(dǎo)出等操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用Modbus 協(xié)議對(duì)重要機(jī)組的3500 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)優(yōu)化后的通訊運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。該煉油廠中4 套大機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)24個(gè)月后，未發(fā)生因機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中斷故障，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)無(wú)中斷，保障了整個(gè)裝置的安全、長(zhǎng)周期運(yùn)行。