ITCC系統(tǒng)在壓縮機控制系統(tǒng)中的應用

姜 漫

（中國石油大慶石化公司化工三廠，黑龍江大慶163714）

關鍵字：ITCC系統(tǒng)；冗余容錯；人機界面；TSxPlus系統(tǒng)平臺

某苯乙烯裝置PC271 壓縮機機組控制系統(tǒng)1996 年投用，調節(jié)回路采用氣動調節(jié)器和現(xiàn)場氣動儀表；機組狀態(tài)監(jiān)測采用本特利的3300 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；調速控制采用TRICONEX 的TS310 調速器；安全聯(lián)鎖采用AB 的Logix5000 系列PLC。但由于設備老化，故障頻繁，而且沒有備件供應，給安全生產(chǎn)造成諸多隱患。所以須對PC271 壓縮機機組控制系統(tǒng)全部更新，確定控制系統(tǒng)更換為美國TRI-SEN 公司的ITCC 系統(tǒng)。更換后經(jīng)過2 年的運行觀察，該ITCC 系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了所有生產(chǎn)過程的控制及安全功能，而且系統(tǒng)硬件穩(wěn)定性更好，操作更靈活快捷，報警的捕捉以及生產(chǎn)的監(jiān)控更便捷高效［1］。

1 ITCC系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)特點

該系統(tǒng)全稱為綜合透平壓縮機控制系統(tǒng)（Integrated Turbo & Compressor Control System，即ITCC）主要采用集成TRICON 系統(tǒng)硬件和TSxPlus系統(tǒng)平臺，提供具有國際先進水平的冗余容錯式安全和關鍵控制系統(tǒng)，保證壓縮機PC271 正常生產(chǎn)的轉速控制、PID 控制、安全聯(lián)鎖與報警、事故安全聯(lián)鎖動作和投運顯示等基本功能［2］。

此外ITCC 系統(tǒng)在保障原控制系統(tǒng)所有功能的基礎上，還具有4個技術特點：

（1）更安全，采用三重冗余，單一故障不會導致系統(tǒng)的安全功能喪失；

（2）故障診斷覆蓋率大，能夠檢測并預防潛在的危險，實現(xiàn)從傳感器到執(zhí)行元件整個回路的安全性設計，具有I/O短路、斷線等診斷功能；

（3）響應速度更快，從輸入變化到輸出變化的響應時間一般在15 ms以內；

（4）程序易修改、更靈活，可根據(jù)現(xiàn)場及設備的實際需求對軟件組態(tài)程序進行修改。

1.2 系統(tǒng)結構

1.2.1 系統(tǒng)整體結構TSxPlus 系統(tǒng)采用先進的TMR構架，三重化冗余容錯硬件體系，其主處理器和I/O 卡件完全三重化。同時，系統(tǒng)還具有SOE事故記錄功能，分辨率為ms級，DI、AI模塊本身均支持SOE功能。

1.2.2 主處理器數(shù)據(jù)流每個I/O 包括獨立的三系，輸入模塊每系讀取輸入數(shù)據(jù)，通過IP_BUS 發(fā)送給本系過程控制管理站［2］。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流見圖1。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

三系PM 通過PM_BUS 交換輸入數(shù)據(jù)，每系PM 分別對三份輸入數(shù)據(jù)進行表決，得到的結果用于用戶程序的運算，分別得到每系的輸出數(shù)據(jù)。

每系PM 分別將本系輸出數(shù)據(jù)通過IP_BUS發(fā)送給DO，DO 將三系輸出數(shù)據(jù)轉化為三系輸出信號，通過硬件表決電路，得到表決后的輸出信號。

AO 從三系PM 收到輸出數(shù)據(jù)后，將數(shù)字量信號轉換為模擬量信號。三系采用切換式輸出，即任一時刻僅有一系輸出電流，另外兩系不輸出。

1.3 系統(tǒng)配置

基本的控制系統(tǒng)包括PM，CM 及I/O，模塊外圍機架，現(xiàn)場連線及PC。

每個模塊作為現(xiàn)場可更換單元，安裝在機架內，模塊均具備防混淆設計。模塊外殼采用金屬材質，模塊覆蓋保護層以確保當模塊被移出機架時器件不被暴露在外。系統(tǒng)支持數(shù)字量及模擬量輸入輸出，脈沖量輸入及多種通信協(xié)議［3］。

2 系統(tǒng)運行及主要特性指標

2.1 轉速測量

機組的轉速探頭信號接入ITCC 控制系統(tǒng)的高精度脈沖卡，可使轉速測量精度達到0.01%。

轉速探頭信號以3-2-1-0 降級順序工作，在機組正常運轉時，采用中選或高選算法選擇轉速探頭信號，而當蒸汽閥開到一定開度而轉速卻未到設定的最小值時（轉速測量異常情況），機組會聯(lián)鎖停機并報警。

2.2 系統(tǒng)特性

TSxPlus 是基于硬件容錯安全控制技術的邏輯與過程控制系統(tǒng)，為確保最高可能的系統(tǒng)完整性，該系統(tǒng)具有5個特性：

（1）系統(tǒng)正常運行中可進行模塊級現(xiàn)場安裝和維護，更換I/O不需拆卸現(xiàn)場接線；

（2）提供智能化輸入輸出模塊降低了PM 的負荷。每個I/O 包括3 個MCU，輸入模塊MCU 對信號進行轉換處理，并能診斷模塊自身硬件故障。輸出模塊MCU 對3 系輸出數(shù)據(jù)進行處理，提供給硬件表決電路，并對回讀檢測結果進行判斷，進行最終輸出的確認，并對現(xiàn)場連線進行診斷；

（3）OSP 配合FTA，既可實現(xiàn)獨立的工業(yè)旋轉設備的超速保護功能，也可實現(xiàn)脈沖量輸入采集功能。超速保護功能可獨立實現(xiàn)無需PM參與；

（4）PM 支持在線更換，更換后的PM 會自動從其他工作PM 上同步工程、運行數(shù)據(jù)及運行狀態(tài)，同步完成后，新PM自動運行；

（5）冗余I/O 支持無擾切換，不影響現(xiàn)場設備正常運行。

2.3 冗余容錯

當主控制器出現(xiàn)故障時，控制器的全部數(shù)據(jù)和功能將自動切換到冗余備用控制器，切換過程低于1 s。當主控制器和備用控制器同時產(chǎn)生故障時，系統(tǒng)輸出保持在最后時刻的輸出數(shù)值，或者是處在預先設定的故障安全狀態(tài)［3］。

3 應用效果

3.1 人機界面

更換后采用HMI（工程師站）和觸摸屏為設備提供人機接口。

觸摸屏安裝于現(xiàn)場操作間機柜上，HMI 安裝于DCS 控制室用于遠程監(jiān)控，操作員還能通過觸摸屏以及遠程HMI 對機組進行調整轉速、PID 控制、壓縮機啟停機等操作。經(jīng)過2年的壓縮機啟停車和正常生產(chǎn)操作應用證明，觸摸屏人機界面、HMI 遠程操作畫面信息顯示齊全，采用對話框交互式確認操作，減少了操作錯誤的幾率，為操作人員的監(jiān)盤和操作提供了便利條件。

3.2 PID控制

壓縮機的密封蒸汽壓差控制、循環(huán)水冷卻溫度控制、密封氮氣壓差控制等回路原來采用的是氣動調節(jié)控制回路，其阻尼時間大、控制精度不高，本次改造為PID控制回路，參數(shù)控制更準確，控制精度更高，不僅在現(xiàn)場操作間的觸摸屏可對控制參數(shù)進行設定，而且還升級為遠程HMI 可控制設定，操作員能第一時間對突發(fā)情況處置操作，更有效的防止事故事件的發(fā)生，另外，取消氣動調節(jié)回路，有助于企業(yè)節(jié)約能源，降低儀表風消耗。

3.3 SOE功能

工程師站兼SOE 站，兼操作員站，安裝于DCS控制室內。相較原PLC 控制系統(tǒng)，ITCC 控制系統(tǒng)新增了SOE 功能（順序事件記錄），可在線記錄系統(tǒng)的各類報警及動作事件，存入硬盤，供查詢、追溯和打印。同時，增加了GPS 時鐘，報警及停機事件的記錄具有精準的時間標記，并按事件發(fā)生時間順序記錄，更有助于儀表維護人員對故障原因快速定位，提高問題判斷的準確性。

3.4 系統(tǒng)集中優(yōu)化

調速器、安全聯(lián)鎖PLC 系統(tǒng)、氣動控制回路、盤裝數(shù)字顯示儀表、3300 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)五大模塊整合優(yōu)化后，用1 套ITCC 控制系統(tǒng)和3500 監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)以上全部調控及可視化監(jiān)控功能［4］。

整合優(yōu)化后，系統(tǒng)自動化程度提高，系統(tǒng)不僅各功能得到升級，而且設備集中化將大大降低運行維護的故障點，發(fā)生異?；蚬收虾蠹夹g人員能快速查找并及時排除故障，提高工作效率，同時，優(yōu)化后的機組控制系統(tǒng)能實時監(jiān)測機組狀態(tài)報警信息，提前發(fā)現(xiàn)故障點，達到預檢修的目的，提高了設備運行長周期，降低了運行維護難度。

另外，3300 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)升級為3500 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，告別棒狀指示、按鈕查看、報警無記錄、系統(tǒng)無診斷的落后時代，優(yōu)化狀態(tài)監(jiān)測的信息管理與故障維護，提供操作人員更多的機械保護信息、歷史數(shù)據(jù)存儲、報警事件追憶、計算機編程組態(tài)等，同時能與ITCC 控制系統(tǒng)通訊，將機組的內部監(jiān)測溫度、軸振動、軸位移等設備運行參數(shù)，在人機界面中顯示，實現(xiàn)了機組內部“可視化”。

3.5 轉速控制

3.5.1 啟機與停機系統(tǒng)更新優(yōu)化了機組啟停機模式，手/自動2 種啟機和停機模式，實現(xiàn)了一鍵自動啟機，操作員不用再一直在調速器上按著升速按鈕，操作更簡便、人性化，手/自動模式可實現(xiàn)無擾動切換。

3.5.2 臨界轉速避免系統(tǒng)程序內設置了2 個臨界轉速區(qū)域，在啟動過程中汽輪機將以設置的較快的速率快速通過臨界區(qū)，此速率可根據(jù)不同汽輪機廠家給出的設定數(shù)據(jù)進行調整。

3.5.3 正常操作啟機暖機后，加速到設置的正常轉速控制范圍后，操作員可通過人機界面上的手自動開關以及遠程/就地切換開關，選擇DCS 系統(tǒng)工藝參數(shù)為主回路，此時由性能控制器串級控制轉速回路，以達到控制工藝參數(shù)的目的，另外也可選擇由操作員設定控制轉速進行調節(jié)。

3.5.4 超速保護與測試如果需要測試超速保護功能，可通過超速試驗允許/禁止切換開關選擇，此時允許超越最大控制轉速驗證超速保護功能。超速試驗將分別測試ITCC 的電子跳車和設備機械跳車功能。操作員可通過電子跳車/機械跳車切換開關選擇［5］。

4 結束語

ITCC壓縮機控制系統(tǒng)是經(jīng)過實際應用考驗的先進的、高可靠性的常規(guī)控制系統(tǒng)+調速專用的機組控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的系統(tǒng)控制功能、機組調速與監(jiān)測和設備安全聯(lián)鎖停機，充分滿足了石油化工企業(yè)的需求。ITCC機組控制系統(tǒng)獨立于其他控制系統(tǒng)單獨設置，可實現(xiàn)人身保護、環(huán)境保護、工廠和設備保護的功能，同時還具有操作監(jiān)督方便、危險分散、功能分散等先進控制系統(tǒng)的優(yōu)點，ITCC 機組控制系統(tǒng)為裝置平穩(wěn)生產(chǎn)起到強有力的保障。