TRIDENT三重冗余控制系統(tǒng)在氣壓機(jī)上的應(yīng)用

楊祖釗

（長慶石化公司運(yùn)行保障部，陜西 咸陽 712000）

傳統(tǒng)的壓縮機(jī)控制一般采用多種單元聯(lián)合控制的方式，包含調(diào)速單元、振動(dòng)檢測單元、反喘振控制單元、ESD以及DCS系統(tǒng)等等。這樣分散式系統(tǒng)各部分之間的信號(hào)連接采用控制網(wǎng)絡(luò)通信方式進(jìn)行，通信速度較慢，接線錯(cuò)綜復(fù)雜，可靠性差，給壓縮機(jī)機(jī)組的安全穩(wěn)定長周期運(yùn)行帶來很大威脅。為此，某公司140萬t/年催化裂化裝置氣壓機(jī)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)采用TRICONEX TRIDENT三重冗余控制器技術(shù)，保證了設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行，大大提高了裝置的安全性。

氣壓機(jī)組是以透平驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)，它的主要功能是壓縮來自分餾塔頂油氣分離器來的富氣，然后進(jìn)行氣液分離。該機(jī)組在壓縮氣體的同時(shí)，擔(dān)負(fù)著控制沉降器壓力的任務(wù)，正常時(shí)，通過調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速，控制反應(yīng)壓力，確保裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

1 TS3000控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

TS3000系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是能同時(shí)滿足高可靠性、高可用性的容錯(cuò)控制能力，控制系統(tǒng)可以識(shí)別控制系統(tǒng)元件故障，自動(dòng)把故障的元件加以排除，并允許在繼續(xù)完成指定任務(wù)的同時(shí)，對故障元件進(jìn)行在線修復(fù)而不中斷過程的操作。

TRICON系統(tǒng)有3個(gè)主處理器，系統(tǒng)中所有的I/O信號(hào)都要經(jīng)過硬件的三取二表決。工作原理圖如下圖1所示。現(xiàn)場變送器過來的信號(hào)進(jìn)入輸入模塊后，分成3路，3路之間彼此光電隔離，分別送到3個(gè)主處理器，在TRIBUS總線上對數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行表決，對模擬量信號(hào)進(jìn)行傳輸，這樣保證每一個(gè)主處理器使用同樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行過程控制，然后把3個(gè)處理后的結(jié)果分3路分別輸出到輸出模塊，在輸出模塊上進(jìn)行數(shù)據(jù)表決，以保證輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 TS3000控制器三重化結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 硬件配置

催化裂化裝置氣壓機(jī)控制系統(tǒng)由兩個(gè)RITTAL機(jī)柜組成，柜內(nèi)安裝1套TRICENT控制器（3塊5101MP卡及底板，兩塊5201CM卡及底板，10塊IO卡及底板；DI：4塊，DO：6塊，AI：3塊，AO：3塊）。機(jī)柜外設(shè)設(shè)備包括1個(gè)工程師站，1個(gè)操作站，1個(gè)A4打印機(jī)。通信系統(tǒng)由CM模塊、集線器和PC組成工業(yè)以太網(wǎng)，工程師站、操作站與Trident控制器可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行過程監(jiān)控、程序修改和在線下裝。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

控制組態(tài)軟件主要采用TriStation 1131，主要用于完成控制器的程序編制。而機(jī)組控制系統(tǒng)的人機(jī)界面軟件采用Intouch8.0，運(yùn)行Windows2000操作系統(tǒng)。上下位機(jī)通過Modbus通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在Intouch中通過選裝與下位控制系統(tǒng)對應(yīng)的I/0 Sever即可實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）。下位機(jī)每個(gè)需要交換的數(shù)據(jù)都有一個(gè)惟一的Modbus地址，與Intouch中標(biāo)記名字典（Tagname Dictionary）中的變量一一對應(yīng)。

3 關(guān)鍵控制方案的說明

3.1 防喘振控制

重油催化裂化裝置的氣壓機(jī)組由于是兩段壓縮，應(yīng)用手段就是將一段的出口流量返回到分餾塔頂富氣冷卻之前，將二段出口流量返回到段間冷卻器之前，通過下位機(jī)采集壓縮機(jī)入口實(shí)際流量、壓力和出口壓力的數(shù)據(jù)，依據(jù)排氣壓力PD與吸氣壓力PS之比和入口流量的關(guān)系形成壓縮機(jī)的特性曲線如圖3所示。

圖3 離心式氣體壓縮機(jī)喘振線及防喘振線示意圖

壓縮機(jī)流體流量設(shè)置點(diǎn)由控制線提供，控制線相對喘振線的位置由速度線的斜率決定，控制線位于喘振線右邊區(qū)域?qū)Υ窨刂破鱌I算法是安全區(qū)域，這種安全關(guān)系確定之后被編譯到控制器，其中PI控制用于控制點(diǎn)和壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的比較，并提供一個(gè)輸出信號(hào)到防喘振閥，來防止流體減小到控制線下。

在流體流量快速減小的情況下，如效果較差，過程混亂，還需補(bǔ)充以下3種另外的控制。

1）運(yùn)用一條備用線，位于控制線和喘振線之間，如果壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)移動(dòng)到控制線左側(cè)并且達(dá)到備用線，關(guān)閉PI控制很快強(qiáng)制將防喘振閥打開，作為使流體流量增加的需要。

2）如果在給定時(shí)間內(nèi)，壓縮機(jī)流體流量出現(xiàn)3次低于備用線設(shè)定流量值的波動(dòng)，喘振控制設(shè)置點(diǎn)就會(huì)移動(dòng)2%，重新建立一個(gè)更大的安全區(qū)域，移動(dòng)累計(jì)最大值可達(dá)到10%。

3）增加一個(gè)可變比例分?jǐn)?shù)到控制循環(huán)，來協(xié)助當(dāng)壓縮機(jī)的流體流量快速減小時(shí)的過程穩(wěn)定性。

3.2 調(diào)速控制

在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，機(jī)組的速度控制，包括啟動(dòng)、調(diào)速、超速試驗(yàn)和超速保護(hù)是由專門的調(diào)速器或調(diào)速器加超速保護(hù)器來實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)，如WOODWARD505控制器、TRI-SEN TS310調(diào)速器等。而在本系統(tǒng)中TriStation 1131軟件針對汽輪機(jī)在啟機(jī)過程中所處的不同狀態(tài)要求，開發(fā)出各種專用的功能模塊（如表1所示），這些模塊可方便地進(jìn)行組態(tài)連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的起機(jī)和調(diào)速功能。完全代替了以上硬件功能，這些模塊具有的強(qiáng)大功能使其滿足機(jī)組速度控制的所有要求。

表1 調(diào)速的典型功能模塊

當(dāng)壓縮機(jī)組各項(xiàng)起動(dòng)條件具備，系統(tǒng)發(fā)出允許起動(dòng)命令后，機(jī)組開始起動(dòng)。起動(dòng)機(jī)組分兩種方式：自動(dòng)起動(dòng)或手動(dòng)起動(dòng)，自動(dòng)起動(dòng)是將按照編好的程序按升速曲線自動(dòng)升速。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到正常轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)組進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。在整個(gè)升速過程中操作員也可以人為干預(yù)，即操作員可以設(shè)定目標(biāo)速度，按操作員的意愿操作機(jī)組，這種操作即手動(dòng)操作，手動(dòng)和自動(dòng)可隨時(shí)切換并能做到無擾動(dòng)。

4 系統(tǒng)故障處理

4.1 故障現(xiàn)象

氣壓機(jī)控制系統(tǒng)自2005年8月投用以來，先后于2005年11月24日、2008年1月18日和10月23日出現(xiàn)過三次防喘振對話框自動(dòng)賦值的異常現(xiàn)象，給工藝操作帶來了一定的影響。三次故障現(xiàn)象一樣，皆為防喘振控制人機(jī)界面上“手動(dòng)輸出”賦值框內(nèi)自動(dòng)賦值（如圖4所示），該輸出信號(hào)控制防喘振閥異常動(dòng)作。由于此故障現(xiàn)象不維持，而且是軟故障，故障過后一切控制都能恢復(fù)正常，這給故障的分析判斷解決帶來了相當(dāng)?shù)碾y度。

圖4 防喘振控制輸出畫面

4.2 原因分析

故障現(xiàn)象第一次發(fā)生時(shí)，恰逢冬季冰雪天氣，初始懷疑可能是凈化風(fēng)帶水凍凝造成氣路堵塞而導(dǎo)致防喘振閥誤動(dòng)作，但通過對歷史趨勢畫面的研讀，發(fā)現(xiàn)防喘振閥是在系統(tǒng)輸出的控制下動(dòng)作的，即是說問題不在現(xiàn)場，通過對現(xiàn)場的檢查也進(jìn)一步認(rèn)證了這一觀點(diǎn)，在排除操作失誤的情況后，確定故障發(fā)生在系統(tǒng)本身。故障現(xiàn)象第一次發(fā)生后對系統(tǒng)軟硬件及通信均作了詳細(xì)的檢查和診斷，沒有發(fā)現(xiàn)存在什么問題，重新起動(dòng)上位操作站后“恢復(fù)正常”； 2008年1月18日同樣的故障現(xiàn)象再次出現(xiàn)，在檢查工程師站時(shí)發(fā)現(xiàn)桌面上開始菜單失效，初步懷疑這就是故障原因，針對此現(xiàn)象做了兩個(gè)方面的工作：一是把原來用Ctrl+Alt+Del組合鍵強(qiáng)制退出Intuch的方式改為正常程序退出的方式。二是還原了操作系統(tǒng)注冊表的改變。更改后控制系統(tǒng)運(yùn)行正常；但是，當(dāng)故障現(xiàn)象在2008年11月23日再次出現(xiàn)說明問題的真正原因還沒有找到，為此，結(jié)合前兩次故障處理過程，分析種種可能后，最后確定可能是連接上位和控制系統(tǒng)的兩個(gè)（冗余）HUB（24端口以太網(wǎng)集線器）在通信上存在問題。

該系統(tǒng)上位機(jī)通過DDE SERVER與TRIDENT控制器交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制功能。DDE SERVER使用TRICONEX TSAA協(xié)議從TRIDENT控制器讀寫數(shù)據(jù)，INTOUCH監(jiān)控程序使用Windows DDE 協(xié)議與DDE server交換數(shù)據(jù)，Windows DDE協(xié)議以客戶-服務(wù)器方式實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序之間互相訪問數(shù)據(jù)。如圖5所示。

圖5 TRICONEX DDE SERVER工作原理圖

由此可見，整個(gè)通信主要就由系統(tǒng)通信模塊（CM）、HUB以及軟件DDE SERVER來完成，通過了解，該控制系統(tǒng)在其他數(shù)據(jù)處理上都是正常的，從未發(fā)生類似的問題，那說明軟件DDE SERVER是沒有問題的。從TRICONEX DDE SERVER工作原理圖來看，更加確認(rèn)是HUB（24端口以太網(wǎng)集線器）出了問題。

在大檢修期間，通過點(diǎn)檢維護(hù)對該系統(tǒng)進(jìn)行了全面測試，測試結(jié)果正常，通過快速插拔網(wǎng)線模擬通信中斷時(shí)，故障現(xiàn)象再次出現(xiàn)，至此可以判斷是通信瞬間中斷后又恢復(fù)造成了故障的發(fā)生，檢查網(wǎng)絡(luò)連接端口，連接緊固，不會(huì)物理上造成通信中斷。集線器的工作機(jī)理是廣播，無論是從哪一個(gè)端口接收到什么類型的信包，都以廣播的形式將信包發(fā)送給其余的所有端口，由連接在這些端口上的網(wǎng)卡（NIC）判斷處理這些信息，符合的留下處理，否則丟棄掉，這樣很容易產(chǎn)生大量的信息堆積，造成HUB的執(zhí)行效率比較低，導(dǎo)致上位機(jī)和控制系統(tǒng)出現(xiàn)通信瞬間中斷。

4.3 解決措施

采用基于MAC地址進(jìn)行交換的交換機(jī)替換了原來的HUB。采用的交換機(jī)是TSC工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)（Carat1008FC），同樣用冗余模式。更換以后，運(yùn)行至今尚未出現(xiàn)類似情況。

5 調(diào)速問題

5.1 故障現(xiàn)象

本系統(tǒng)調(diào)速控制用Tristation 1131中的VIPD04調(diào)速軟件模塊代替了傳統(tǒng)的WOODWARD505調(diào)速器，氣壓機(jī)的轉(zhuǎn)速控制能夠達(dá)到控制要求，但在起機(jī)過程中轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，一直達(dá)不到理想的控制水平，如圖6所示。

圖6 氣壓機(jī)升速曲線（檢修前）

圖中黃線為轉(zhuǎn)速設(shè)定值，綠線實(shí)際轉(zhuǎn)速值，從圖中可以看出在1200RPM暖機(jī)階段轉(zhuǎn)速有較大幅度的波動(dòng)，在目標(biāo)轉(zhuǎn)速2500RPM 處出現(xiàn)了較大的超調(diào)量，且在升速階段出現(xiàn)實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速跟蹤性不好的現(xiàn)象。

5.2 原因分析

根據(jù)控制原理逐步分析可能存在以下幾個(gè)原因：①系統(tǒng)輸出設(shè)定值震蕩；②PID參數(shù)設(shè)置不當(dāng)；③調(diào)節(jié)氣門開度控制信號(hào)波動(dòng)較大；④油動(dòng)機(jī)錯(cuò)油門不夠靈活；⑤起機(jī)階段負(fù)荷較輕。針對以上可能原因我們進(jìn)行逐項(xiàng)排查。

由圖6可以看出輸出設(shè)定值沒有任何波動(dòng)，且調(diào)速控制回路的 PID參數(shù)進(jìn)行過多次調(diào)整沒有效果。調(diào)速閥的控制信號(hào)確實(shí)出現(xiàn)了波動(dòng)，也可能是油動(dòng)機(jī)錯(cuò)油門或速關(guān)閥動(dòng)作不夠靈敏造成。由于機(jī)組當(dāng)時(shí)處于運(yùn)行狀態(tài)，無法確定是錯(cuò)油門或速關(guān)閥問題，只好擇機(jī)對氣壓機(jī)調(diào)速系統(tǒng)做靜態(tài)試驗(yàn)，確定問題所在，并解決調(diào)速效果不佳的情況。

5.3 解決方案

大檢修時(shí)我們對氣壓機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)做了靜態(tài)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不理想，達(dá)不到正常工作要求，特別在在 0%～50%階段，線性極差，對電液轉(zhuǎn)換器反復(fù)進(jìn)行調(diào)整，仍然達(dá)不到理想效果。后對油動(dòng)機(jī)進(jìn)行了解體檢查，更換了錯(cuò)油門的滑閥閥芯后，重新進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 氣壓機(jī)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

從上表2可以看出，更換滑閥閥芯后靜態(tài)試驗(yàn)情況明顯好轉(zhuǎn)，雖然存在量程中某些部分線性度不好的情況，但基本達(dá)到控制要求。

對于暖機(jī)階段的負(fù)荷過小的問題，與工藝操作人員進(jìn)行了協(xié)商，將暖機(jī)階段的入口閥開度由原有的10%調(diào)整至30%，增加負(fù)荷后，轉(zhuǎn)速控制效果明顯變好，波動(dòng)幅度700～800RPM減小至200～300RPM，取得了較好的效果。但還是出現(xiàn)了實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線畸變，存在單邊波動(dòng)，是典型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)摩擦力較大情況下曲線，如圖7所示。其原因應(yīng)是氣門調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)盤根過緊、摩擦力過大造成卡澀，運(yùn)行一段時(shí)間后隨著摩擦力的減小，這種現(xiàn)象會(huì)有所改善乃至消失。

圖7 氣壓機(jī)檢修后升速曲線

6 結(jié)論

傳統(tǒng)的壓縮機(jī)控制方案采用各獨(dú)立控制系統(tǒng)一起運(yùn)行，并相互通信的模式，可靠性較差。TRIDENT三重化冗余容錯(cuò)集成控制系統(tǒng)是一種較為先進(jìn)的壓縮機(jī)組控制方案，該催化裂化裝置TRIDENT控制系統(tǒng)的一次開車成功，既縮短了建設(shè)周期，又增加了系統(tǒng)的獨(dú)立性和可靠性。

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