TS3000系統(tǒng)在空分機(jī)組上的應(yīng)用及聯(lián)鎖優(yōu)化

陳勝昌

（山東寶舜化工科技有限公司，山東 菏澤 274000）

某公司120 萬(wàn)噸煤基多聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目是以煤為原料生產(chǎn)甲醇及下游相關(guān)產(chǎn)品，氣化裝置采用GE 水煤漿氣化技術(shù)，項(xiàng)目配置兩套空分裝置，單套空分制氧能力為4.5×104Nm3/h。兩套空分裝置采用杭氧全低壓分子篩吸附凈化、空氣增壓透平膨脹機(jī)制冷及內(nèi)壓縮供氧的工藝技術(shù)，其中空壓機(jī)和增壓機(jī)是由德國(guó)曼透平制造，汽輪機(jī)由杭汽制造，為一拖二式機(jī)組。自2014 年開(kāi)車(chē)以來(lái)，因單點(diǎn)儀表故障聯(lián)鎖多次跳停，經(jīng)聯(lián)鎖優(yōu)化后，非停次數(shù)明顯降低，提高了機(jī)組的可靠性和可用性。

1 機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)展

大型空分裝置中有大量壓縮機(jī)組的應(yīng)用，從機(jī)組的類(lèi)型上一般會(huì)包括離心式/軸流壓縮機(jī)、蒸汽透平機(jī)、增壓機(jī)等。其中，涉及到的儀表控制主要包括防喘控制、調(diào)速控制、負(fù)荷調(diào)節(jié)、機(jī)組聯(lián)鎖及過(guò)程監(jiān)控等。

傳統(tǒng)的控制方式一般是靠多種分離控制原件或系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例如，調(diào)速通過(guò)盤(pán)裝調(diào)速器，防喘依靠盤(pán)裝調(diào)節(jié)器，機(jī)組的聯(lián)鎖功能使用獨(dú)立的SIS 或用DCS 完成，有的甚至配傳統(tǒng)的繼電器，過(guò)程監(jiān)控則依靠DCS 系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)；在HMI（人機(jī)界面）上也是各有各的風(fēng)格，實(shí)現(xiàn)的功能也不相同。故存在以下不足：①在控制系統(tǒng)內(nèi)部，各控制模塊之間需要交換數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)解耦控制，且各控制器之間采用通訊方式會(huì)造成速率延遲。所以，不能采用高級(jí)的控制算法來(lái)解決機(jī)組控制的解耦問(wèn)題；②用戶(hù)的技術(shù)人員要學(xué)習(xí)不同的控制系統(tǒng)，多控制模塊造成的培訓(xùn)內(nèi)容多而繁瑣，要熟悉和掌握各控制功能模塊的操作和維護(hù)；③每一套壓縮機(jī)組都需要一套完整的控制系統(tǒng)，產(chǎn)品采購(gòu)、費(fèi)用成本較高；④各壓縮機(jī)組廠家控制系統(tǒng)不統(tǒng)一，獨(dú)立的控制模塊多而雜，造成后期維護(hù)工作量大；⑤需要供應(yīng)商提供售后服務(wù)，情況有時(shí)會(huì)變得復(fù)雜，如現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要召集各廠家同時(shí)解決故障，難以做到整體協(xié)調(diào)。

TS3000 是集蒸汽透平速度控制及抽氣控制、壓縮機(jī)防喘振控制、性能控制、解耦控制、分離器液位控制等，以及自保護(hù)聯(lián)鎖邏輯控制為一體的集成綜合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是三重化冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)，具有很長(zhǎng)的平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間，可靠性高。TS3000 系統(tǒng)硬件基于三重化冗余容錯(cuò)技術(shù)，達(dá)到TUV AK6 和SIL3 安全等級(jí)，符合SIS 系統(tǒng)的要求，所以完全可以把裝置的聯(lián)鎖整合到ITCC 系統(tǒng)中，該控制策略在機(jī)組控制上得到了廣泛應(yīng)用。

2 TS3000系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在每套空分裝置的3 大機(jī)組和裝置聯(lián)鎖點(diǎn)各配置一套系統(tǒng)，共兩套系統(tǒng)。兩套空分裝置操作站共設(shè)置3 臺(tái)，3臺(tái)ITCC 操作站可以對(duì)每個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行操作，操作站上設(shè)有流程畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面、調(diào)速畫(huà)面、防喘振畫(huà)面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)/歷史趨勢(shì)畫(huà)面、起停機(jī)畫(huà)面等。操作站在功能上完全相同，并且可互為備用，任何一臺(tái)操作站出現(xiàn)故障，可以通過(guò)其它操作站進(jìn)行操作。設(shè)置兩臺(tái)工程師站兼SOE 站，完成編程組態(tài)、軟件下裝、SOE 數(shù)據(jù)采集的功能，并能通過(guò)打印機(jī)打印出來(lái)。輔操臺(tái)每套ITCC 系統(tǒng)各設(shè)置一臺(tái)（用于機(jī)組），共兩臺(tái)，輔操臺(tái)上設(shè)有緊急停機(jī)按鈕、操作按鈕、BYPASS 開(kāi)關(guān)、報(bào)警燈屏等設(shè)備。TSI 系統(tǒng)采用本特利3500系統(tǒng)，信號(hào)通過(guò)Modbus 通訊與TS3000 相連，跳車(chē)信號(hào)通過(guò)硬接線方式與TS3000 相連，控制原理如圖1 所示。

2.1 控制站的配置

TS3000 基于三重模件冗余容錯(cuò)（TMR）結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)控制器，TS3000 系統(tǒng)有3 個(gè)主處理器，每一個(gè)主處理器的CPU 為32 位、50MHz，16M RAM，工作方式為3-2-1-0 或者3-2-0。其32 位浮點(diǎn)協(xié)處理器的使用，得到了德國(guó)獨(dú)立安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)TUV AK6（SIL 3）級(jí)的安全認(rèn)證；系統(tǒng)中所有的I/O 信號(hào)都要經(jīng)過(guò)硬件的三取二表決；控制站的硬件和軟件具有高可靠性和容錯(cuò)性；控制站具備順序控制、批量控制和一般連續(xù)控制功能，具備順序事件記錄的功能，包括機(jī)柜、處理器、IO 卡件等[1]。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the control system

2.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

系統(tǒng)通過(guò)冗余的TCM4351B 通訊卡的RS－232/ 485冗余接口與DCS 系統(tǒng)、3500 系統(tǒng)進(jìn)行串行通訊，執(zhí)行MODBUS 的通訊協(xié)議。DCS 系統(tǒng)為主站，TS3000 系統(tǒng)為從站，當(dāng)與3500 系統(tǒng)通訊時(shí)，TS3000 為主站。系統(tǒng)通過(guò)冗余的TCM4351B 通訊卡的以太網(wǎng)通訊口與上位機(jī)構(gòu)成冗余的通訊網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)開(kāi)放的以太網(wǎng)協(xié)議與上位操作軟件和編程組態(tài)軟件進(jìn)行通訊，完成相應(yīng)的編程組態(tài)工作和運(yùn)行操作，在單個(gè)網(wǎng)絡(luò)失效的情況下，不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3 機(jī)組聯(lián)鎖設(shè)計(jì)

采用TS3000 系統(tǒng)后，聯(lián)鎖功能在TS3000 中實(shí)現(xiàn)。機(jī)組聯(lián)鎖主要有：三大主機(jī)溫度和振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等軸系聯(lián)鎖。制造廠設(shè)計(jì)時(shí)，基于設(shè)備安全的考慮基本為單點(diǎn)聯(lián)鎖，但在實(shí)際運(yùn)行中存在儀表自身故障的原因，造成機(jī)組誤停的情況較為常見(jiàn)，因此在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)聯(lián)鎖方案都會(huì)開(kāi)展不同程度的優(yōu)化工作。

3.1 溫度聯(lián)鎖

溫度在選型上基本會(huì)選擇單點(diǎn)雙支型，即除了正常使用點(diǎn)外還有一個(gè)備用點(diǎn)，所以溫度聯(lián)鎖基于實(shí)際考慮主要有兩種優(yōu)化方式：

1）采用二取二方式，即與備用支測(cè)點(diǎn)組成二取二。該方式存在諸多爭(zhēng)議，最主要的異議是認(rèn)為兩個(gè)測(cè)點(diǎn)在同一個(gè)保護(hù)管內(nèi)屬于同源取點(diǎn)，不能反映實(shí)際測(cè)點(diǎn)溫度，但是做二取二的目的是要排除溫度點(diǎn)自身的故障，而并非測(cè)實(shí)際溫度情況。某公司采用此方式后運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)生相關(guān)的事故事件，避免了多次誤停。

2）采用溫度突變自動(dòng)聯(lián)鎖切除的方式[2]，主要分析了溫度故障機(jī)理和溫度響應(yīng)時(shí)間，并通過(guò)軟件功能實(shí)現(xiàn)。目前，火力發(fā)電廠各類(lèi)機(jī)泵等應(yīng)用較為常見(jiàn)。

圖2 軸系聯(lián)鎖方案Fig.2 Shafting interlocking scheme

3.2 軸系聯(lián)鎖

機(jī)組的軸系聯(lián)鎖主要是振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等，除轉(zhuǎn)速、位移外，振動(dòng)主要還是采用單點(diǎn)聯(lián)鎖。某公司軸系監(jiān)測(cè)采用本特利3500 系統(tǒng)，振動(dòng)、位移等信號(hào)進(jìn)3500 系統(tǒng)，在3500 系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和判斷，通過(guò)繼電器卡輸出跳車(chē)信號(hào)至TS3000 系統(tǒng)[3]，原理如圖2 所示。

該聯(lián)鎖方案存在兩個(gè)不足之處：①單點(diǎn)聯(lián)鎖存在誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)高；②聯(lián)鎖切除只能在TS3000 系統(tǒng)中，而且切除的話，相當(dāng)于兩條聯(lián)鎖均全部切除。經(jīng)過(guò)討論后，優(yōu)化成以下方案，如圖3 所示。

該方案優(yōu)點(diǎn)是：

1）將X 向、Y 向振動(dòng)組態(tài)成“與”的邏輯，可以減少非正常停機(jī)次數(shù)，降低了誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2）優(yōu)化后的各個(gè)保護(hù)點(diǎn)，通過(guò)獨(dú)立的繼電器通道輸出到TS3000 系統(tǒng)，增加了聯(lián)鎖的可靠性，提高了機(jī)組的安全性。

圖3 聯(lián)鎖優(yōu)化方案Fig.3 Interlocking optimization scheme

3）優(yōu)化后的方案，同時(shí)也提高了儀表維護(hù)人員的可操作性，降低了維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

TS3000 機(jī)組綜合控制系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛，技術(shù)先進(jìn)、成熟的綜合控制系統(tǒng)，集控制和ESD 功能于一體，通過(guò)對(duì)單點(diǎn)聯(lián)鎖的優(yōu)化改造，極大提升了機(jī)組的可靠性和儀表的可維護(hù)性。