TRICON系統(tǒng)在MTO主風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

【摘要】本文通過(guò)以Triconex公司的Tricon控制系統(tǒng)在煤制烯烴項(xiàng)目甲醇制烯烴裝置（簡(jiǎn)稱(chēng)MTO裝置）CCS（機(jī)組控制系統(tǒng)）中的成功應(yīng)用為例，重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)的軟硬件組成、Tricon三重化TMR結(jié)構(gòu)和防喘振控制原理，并對(duì)日常維護(hù)中遇見(jiàn)的問(wèn)題及處理方案進(jìn)行了舉例說(shuō)明。

【關(guān)鍵詞】煤化工；Tricon；控制系統(tǒng)；主風(fēng)機(jī)

Abastract：This article mainly introduced the software and hardware composition，Tricon TMR structure and the anti surge control theory of the Triconex compony of Tricon control system，which have been used successfully in the methanol to olefins plant（MTO）CCS of Shenhua Baotou Coal to Olefin Project，In addition，some examples of problems and solutions which were happened in normal maintenance were taken to support the argument in the article.

Key words：coal chemical；Tricon；control system；Blower

引言

某公司煤制烯烴項(xiàng)目，是以煤為原料，通過(guò)煤氣化制甲醇、甲醇制烯烴、烯烴生產(chǎn)聚乙烯、聚丙烯的煤化工項(xiàng)目，年產(chǎn)聚乙烯30萬(wàn)噸、聚丙烯30萬(wàn)噸。煤化工煤制烯烴工藝，開(kāi)創(chuàng)了煤基能源化工產(chǎn)業(yè)的新途徑，結(jié)合我國(guó)“富煤少油缺氣”的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分利用我國(guó)儲(chǔ)量豐富的煤資源，大力開(kāi)發(fā)煤炭替代石油的新技術(shù)，對(duì)于我國(guó)保障國(guó)家能源安全、降低能源風(fēng)險(xiǎn)，推進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。某公司煤制烯烴項(xiàng)目甲醇制烯烴裝置（簡(jiǎn)稱(chēng)MTO裝置）采用中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國(guó)石化集團(tuán)洛陽(yáng)石油化工工程公司和陜西新興煤化工科技發(fā)展有限責(zé)任公司共同開(kāi)發(fā)的DMTO工藝技術(shù)。其核心動(dòng)力設(shè)備是由沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“沈鼓”）提供的兩套主風(fēng)機(jī)組。

1.機(jī)組概述

MTO裝置兩臺(tái)主風(fēng)機(jī)組為一主一備，該主風(fēng)機(jī)組用于神華包頭煤化工有限公司MTO裝置甲醇制烯烴單元，機(jī)組為雙層布置，戶(hù)外安裝，有頂棚，無(wú)采暖設(shè)備，設(shè)備安裝在非防暴場(chǎng)所。壓縮機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，壓縮機(jī)主機(jī)、增速機(jī)及電機(jī)采用整體鋼結(jié)構(gòu)底座，布置在廠房二樓，潤(rùn)滑油站等輔機(jī)布置在廠房一樓，潤(rùn)滑油事故停車(chē)高位油箱布置在機(jī)組回轉(zhuǎn)軸中心線(xiàn)上方6米處。

主風(fēng)機(jī)采用電機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)來(lái)壓縮。TRICON作為機(jī)組控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)：壓縮機(jī)組啟、?？刂疲粔嚎s機(jī)組工藝流程控制；離心壓縮機(jī)的防喘振控制；壓縮機(jī)軸振動(dòng)、軸位移、軸溫監(jiān)控；油路系統(tǒng)控制；壓縮機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)。

主風(fēng)機(jī)的振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)采用的是本特利內(nèi)華達(dá)3500系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電渦流傳感器（探頭）、延伸電纜、前置器、信號(hào)電纜、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。監(jiān)測(cè)器出來(lái)的信號(hào)通過(guò)硬接線(xiàn)連接到Tricon系統(tǒng)；主風(fēng)機(jī)的測(cè)溫元件內(nèi)埋于軸承瓦塊中，采用Pt100型鉑電阻雙支軸承溫度探頭，信號(hào)直接進(jìn)入Tricon系統(tǒng)。

2.控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)硬件概述

2.1.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理說(shuō)明

主風(fēng)機(jī)采用的是TRICONEX公司的TS3000控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用TMR冗余容錯(cuò)控制器，既保證了設(shè)備的容錯(cuò)能力，又能在元部件出現(xiàn)硬件故障或者來(lái)自?xún)?nèi)部或外部來(lái)源的瞬態(tài)故障的情況下提供完好的不間斷控制，大大提高了系統(tǒng)的安全性和可用性。

三個(gè)主處理器為T(mén)MR模塊冗余，每個(gè)主處理器模塊都可以獨(dú)立在線(xiàn)插拔更換，而不影響系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)所有IO模件都為T(mén)MR冗余，系統(tǒng)每個(gè)IO模件都有對(duì)應(yīng)的熱備插槽，IO卡件允許在線(xiàn)熱插拔，每一個(gè)I/O模件內(nèi)都包容有三個(gè)獨(dú)立的分電路。輸入模件上的每一分電路讀取過(guò)程數(shù)據(jù)并將這些信息傳送給它相應(yīng)的主處理器。三個(gè)主處理器通過(guò)一個(gè)專(zhuān)用的被稱(chēng)作TriBus的高速總線(xiàn)系統(tǒng)通訊，每掃描一次，主處理器都通過(guò)TriBus與其相鄰的主處理器進(jìn)行通訊，達(dá)到同步。TriBus表決數(shù)字輸入數(shù)據(jù)、比較輸出數(shù)據(jù)、并將模擬輸入數(shù)據(jù)拷貝至各個(gè)主處理器。主處理器執(zhí)行控制程序并把由控制程序所產(chǎn)生的輸出送給輸出模件。

2.1.2 信號(hào)處理

卡件并不與信號(hào)直接連接，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)首先接入專(zhuān)用端子板，再經(jīng)卡件與端子板之間連接的專(zhuān)用連接電纜進(jìn)入卡件。信號(hào)在端子板上進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換、隔離處理，比如DI端子板設(shè)有保險(xiǎn)，以防止大電流造成的損壞，并設(shè)有LED燈用以指示回路斷路。

MTO進(jìn)入TRICON控制系統(tǒng)的AI信號(hào)均經(jīng)過(guò)隔離柵后再接入AI端子板，而AO信號(hào)從AO端子板出來(lái)后，也要先經(jīng)過(guò)隔離柵后再送至現(xiàn)場(chǎng)；除干觸點(diǎn)外，DI、DO信號(hào)全部經(jīng)過(guò)繼電器隔離后接入數(shù)字量端子板；重要儀表，比如振動(dòng)、位移等重要的聯(lián)鎖模擬量經(jīng)過(guò)本特利3500監(jiān)測(cè)器后輸出一組模擬量再送到AI端子板，從端子板出來(lái)的信號(hào)全部進(jìn)入TRICON系統(tǒng)。

2.1.3 工程師站

工程師站安裝基于WindowsXP的Tristation 1131軟件，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)維護(hù)、系統(tǒng)診斷、離線(xiàn)仿真、邏輯修改變更等功能。允許在線(xiàn)下裝到正在運(yùn)行的程序控制器中，而既不干擾安全保護(hù)，也不干擾工藝過(guò)程控制。工程師站在緊急情況下可以作為操作員站使用。同時(shí)，工程師站上安裝了SOE（順序事件記錄）的相關(guān)軟件，用于在線(xiàn)記錄系統(tǒng)的各類(lèi)報(bào)警及動(dòng)作事件，并進(jìn)行存儲(chǔ)，可供查詢(xún)、追溯、打印，SOE的時(shí)間分辨率可達(dá)到毫秒級(jí)，可一次性記錄數(shù)據(jù)量達(dá)60，000條，為事故分析提供了有力保證。

2.1.4 操作員站

操作員站冗余的以太網(wǎng)通過(guò)TSC工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與Tricon系統(tǒng)TCM通訊卡接口相連接，中間由高速冗余的光纖傳輸數(shù)據(jù)。操作員站安裝在UCR中，安裝專(zhuān)業(yè)的人機(jī)界面Intouch軟件，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)組完整的操作、監(jiān)控。

2.1.5 系統(tǒng)供電

CCS系統(tǒng)供電接受兩路220VAC UPS供電。另外，還接受一路220VAC市電。機(jī)柜內(nèi)照明、風(fēng)扇及插座等供電由市電供電。CCS系統(tǒng)提供專(zhuān)門(mén)的24VDC冗余電源，用于柜內(nèi)其它設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)儀表回路供電。

2.2 控制系統(tǒng)軟件概述

2.2.1 Tristation1131的運(yùn)行環(huán)境

Tristation1131是TRICON系統(tǒng)的組態(tài)軟件，運(yùn)行于Windows/XP或者更高的操作系統(tǒng)，它的主要作用是對(duì)機(jī)架（包括主機(jī)架、擴(kuò)展機(jī)架、遠(yuǎn)程機(jī)架）組態(tài)、I/O卡件組態(tài)、Tristation 1131的通訊配置、TCM通訊設(shè)置組態(tài)，軟件分為仿真面板、控制面板、診斷面板。Tristation 1131程序支持三種語(yǔ)言：方塊圖（FBD），梯形圖（LD），結(jié)構(gòu)文本（ST）。使用語(yǔ)言編輯器可以開(kāi)發(fā)和執(zhí)行程序，TRICON系統(tǒng)可以設(shè)置每一種模塊，為每一種I/O模塊設(shè)置點(diǎn)；設(shè)置TRICON系統(tǒng)事件順序記錄（SOE）功能；運(yùn)用不同的“用戶(hù)名”和“密碼”權(quán)限等級(jí)，來(lái)保護(hù)工程文件和程序；利用仿真功能，調(diào)試邏輯程序；通過(guò)控制面板可以顯示系統(tǒng)參數(shù)和診斷信息。

2.2.2 DDE通訊設(shè)置組態(tài)

DDE（Dynamic Data Exchange）動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換是Tristation 1131與Intouch的通訊協(xié)議，它是Microsoft開(kāi)發(fā)的一種通訊協(xié)議，可供應(yīng)用程序發(fā)送/接收數(shù)據(jù)與指令。通訊配置：

（1）運(yùn)行DDE SERVER建立1131NODE名稱(chēng)

（2）在InTouch中建立新的訪(fǎng)問(wèn)名，包括應(yīng)用程序名和主題名

（3）在InTouch中建立I/O類(lèi)型標(biāo)記名，項(xiàng)目名與1131中的地址信息（Alias）相對(duì)應(yīng)

2.2.3 Tricon系統(tǒng)的監(jiān)控軟件（Intouch）

Tricon控制系統(tǒng)選用的監(jiān)控軟件是英國(guó)Wonderware公司開(kāi)發(fā)的Intouch，它具有世界領(lǐng)先的HMI和面向?qū)ο蟮膱D形開(kāi)發(fā)環(huán)境，便于高效、快捷地配置用戶(hù)的應(yīng)用程序。該軟件平臺(tái)基于Windows/XP操作系統(tǒng)，通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)與控制器通訊，確保數(shù)據(jù)及時(shí)刷新，從而更好地實(shí)現(xiàn)操作人員監(jiān)控和操作。

2.2.4 增強(qiáng)型診斷監(jiān)視軟件（Enhanced Diagnostic Monitor）

打開(kāi)軟件，組態(tài)好要診斷系統(tǒng)的信息，包括節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)、節(jié)點(diǎn)號(hào)、IP地址，然后進(jìn)入系統(tǒng)的診斷面板，當(dāng)一個(gè)TRICON卡件上的紅色指示燈亮起時(shí)，說(shuō)明TRICON自檢發(fā)現(xiàn)自身有問(wèn)題或者是發(fā)現(xiàn)了接線(xiàn)或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有問(wèn)題，此時(shí)雙擊該故障的卡件會(huì)彈出其屬性窗口，該指示框?qū)γ恳粋€(gè)故障都有一個(gè)列表，有Field Faults（現(xiàn)場(chǎng)故障）、Power Faults（電源故障）、Voter Faults（表決故障）。

3.控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

Tricon系統(tǒng)外部通訊采用兩個(gè)TCM通訊模件冗余配置。每個(gè)通訊模件都提供2個(gè)TCP/IP協(xié)議RJ45端口，每個(gè)端口通訊速率100Mb。每個(gè)通訊模塊還有4個(gè)串行端口，采用MODBUS RTU協(xié)議，通訊速率115Kbps。系統(tǒng)內(nèi)部通訊也是完全三重化冗余。

該網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)置，主機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架專(zhuān)用電纜連接，擴(kuò)展機(jī)架與遠(yuǎn)程機(jī)架光纖連接；工程師站/操作員站通過(guò)TSC工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與主機(jī)架的TCM通訊模塊相連，操作員站是通過(guò)光纖傳輸數(shù)據(jù)；Tricon系統(tǒng)通過(guò)TCM冗余的RS-485接口與DCS系統(tǒng)進(jìn)行串行通訊，執(zhí)行MODBUS RTU的通訊協(xié)議，DCS系統(tǒng)為主機(jī)，CCS系統(tǒng)為從機(jī)。

4.防喘振控制

因?yàn)榇癜l(fā)生得很快，必須使用特殊的控制技術(shù)來(lái)保證防喘閥及時(shí)打開(kāi)。TRICON控制器的運(yùn)算速度很快，而且能夠高效處理復(fù)雜的算法，所以TRICON控制器可以理想地實(shí)現(xiàn)防喘控制。

MTO壓縮機(jī)使用的是入口流量（hc）與出入口壓比（PD/PS）的喘振線(xiàn)，依靠調(diào)整出口放空防喘振閥門(mén)的開(kāi)度，達(dá)到增大入口流量的效果，從而使工作點(diǎn)向坐標(biāo)的右側(cè)移動(dòng)，達(dá)到遠(yuǎn)離喘振線(xiàn)的目的。而防喘振控制就是控制好防喘振閥門(mén)的開(kāi)度，使工作點(diǎn)盡可能的在防喘振線(xiàn)右側(cè)，同時(shí)為了節(jié)能、又盡可能的接近防喘振線(xiàn)。其中喘振線(xiàn)是依據(jù)機(jī)組廠家提供的特性曲線(xiàn)進(jìn)行繪制的一個(gè)曲線(xiàn)圖。

工況點(diǎn)和安全裕度：機(jī)組入口經(jīng)過(guò)溫壓補(bǔ)償后的標(biāo)準(zhǔn)流量與出口和入口的壓力比作為喘振圖的工作點(diǎn)，即工況點(diǎn)；依據(jù)喘振圖，運(yùn)算出工況點(diǎn)與喘振線(xiàn)的距離，即安全裕度。

安全裕度重校：如果系統(tǒng)檢測(cè)到工作點(diǎn)越過(guò)喘振線(xiàn)，表示喘振已發(fā)生，喘振控制線(xiàn)將被自動(dòng)調(diào)節(jié)到右方，而加大安全余量。每當(dāng)喘振被檢測(cè)到，安全裕度增加（控制線(xiàn)右移）一個(gè)校準(zhǔn)量。系統(tǒng)組態(tài)為每次增加一個(gè)固定量2%，重校發(fā)生的最大次數(shù)組態(tài)為10次?？梢酝ㄟ^(guò)手動(dòng)復(fù)位，復(fù)位掉防喘振線(xiàn)的校準(zhǔn)量。

設(shè)定點(diǎn)浮動(dòng)線(xiàn)：一般情況下，壓縮機(jī)不會(huì)在喘振線(xiàn)上持續(xù)運(yùn)行或過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。當(dāng)工作點(diǎn)在控制線(xiàn)右方（安全區(qū)域），喘振控制器的設(shè)定線(xiàn)須在當(dāng)前h值的某一可設(shè)百分比范圍內(nèi)以可設(shè)值移動(dòng)。當(dāng)工作點(diǎn)越過(guò)設(shè)置點(diǎn)（浮動(dòng)線(xiàn)），以小幅快速向喘振線(xiàn)竄動(dòng)時(shí)，將發(fā)生如下情形：防喘閥迅速打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)快開(kāi)功能；設(shè)定點(diǎn)浮動(dòng)線(xiàn)將以可設(shè)值移動(dòng)直至防喘閥全關(guān)，實(shí)現(xiàn)慢關(guān)功能；新工作點(diǎn)建立。

手自動(dòng)控制：如果防喘振控制在自動(dòng)情況下時(shí)，以防喘振PID、防喘振比例項(xiàng)的輸出的最大值進(jìn)行調(diào)整；半手動(dòng)時(shí)，增加一個(gè)手動(dòng)輸入進(jìn)行高選；純手動(dòng)時(shí)，僅以手動(dòng)輸入值作為輸出值。同時(shí)此輸出須經(jīng)過(guò)開(kāi)、關(guān)閥速率調(diào)整才能直接輸出給閥門(mén)，從而能夠更好的控制閥門(mén)的變化。

比例功能：系統(tǒng)有一純比例調(diào)節(jié)階段，該階段可獨(dú)立于正常PI控制器打開(kāi)防喘閥。當(dāng)工作點(diǎn)移到喘振控制線(xiàn)左方，而正常PI控制器無(wú)法提供足夠響應(yīng)，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的過(guò)程失序時(shí)，則進(jìn)入該階段。亦即在控制線(xiàn)左方到達(dá)某一特定裕度，則打開(kāi)防喘閥，進(jìn)入該階段。當(dāng)工作點(diǎn)與喘振線(xiàn)重合時(shí)，防喘閥全開(kāi)。換言之，工作點(diǎn)進(jìn)入喘振控制線(xiàn)及喘振線(xiàn)之間時(shí)，防喘閥按比例打開(kāi)。該比例階段是由信號(hào)選擇器來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？刂破鞯姆答亜?dòng)作迫使控制器輸出跟蹤該階段。即使在喘振控制器失調(diào)情況下，此特性仍可保護(hù)機(jī)組

DUMP輸出：當(dāng)向喘振控制線(xiàn)左方出現(xiàn)特定竄動(dòng)時(shí)，一個(gè)觸點(diǎn)輸出打開(kāi)大功率電磁閥，來(lái)使防喘閥快開(kāi)。當(dāng)系統(tǒng)從喘振狀態(tài)回來(lái)時(shí)，電磁閥關(guān)。對(duì)閥的控制則可從比例控制恢復(fù)到正常的喘振控制。

5.日常維護(hù)中遇見(jiàn)的問(wèn)題及解決方法

在日常使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）沈鼓提供的主風(fēng)機(jī)沒(méi)有盤(pán)車(chē)電機(jī)。在運(yùn)行初期，每次啟動(dòng)過(guò)程中，高速軸軸振動(dòng)就會(huì)高報(bào)，甚至達(dá)到跳車(chē)值，導(dǎo)致機(jī)組開(kāi)不起來(lái)，此機(jī)組軸振動(dòng)的跳車(chē)邏輯是一取一，只要軸振動(dòng)高高報(bào)，就會(huì)停機(jī)，所以不得不把高速軸軸振動(dòng)旁路掉。經(jīng)分析：軸振動(dòng)之所以這么高，是因?yàn)樵跊](méi)有盤(pán)車(chē)電機(jī)盤(pán)動(dòng)的情況下，直接由主電機(jī)通過(guò)齒輪箱帶動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生很大的扭力矩，在這個(gè)時(shí)候軸振動(dòng)很高，而且沒(méi)有盤(pán)車(chē)過(guò)程，且機(jī)組為冷機(jī)，在大扭矩力的作用下，很可能會(huì)損壞機(jī)組。所以，很有必要安裝盤(pán)車(chē)電機(jī)，安裝位置只能在增速機(jī)前端，而增速機(jī)前端安裝有三取二的軸位移探頭，考慮到推力軸還有一組三取二軸位移探頭，去掉增速機(jī)前端的軸位移探頭不會(huì)影響機(jī)組的安全運(yùn)行，所以，增加了盤(pán)車(chē)電機(jī)。

（2）時(shí)鐘同步。在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常由于各個(gè)控制器之間、各個(gè)系統(tǒng)之間時(shí)間不同，在事故分析時(shí)，給我們帶來(lái)了很大麻煩，往往由于前因后果判斷不出來(lái)，導(dǎo)致問(wèn)題分析不清楚。所以，在大檢修時(shí)我們將Tricon系統(tǒng)與同裝置DCS、SIS 等系統(tǒng)做了時(shí)鐘同步，確保裝置所有信息在相同時(shí)基下運(yùn)行。在本方案中，Tricon系統(tǒng)接受來(lái)自DCS 的時(shí)鐘校對(duì)信號(hào)（DO），定時(shí)校準(zhǔn)Tricon系統(tǒng)的時(shí)鐘與DCS保持同步。Tricon系統(tǒng)控制器和上位機(jī)之間通過(guò)基于以太網(wǎng)上的SNTP自動(dòng)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。當(dāng)時(shí)鐘同步故障時(shí)，Tricon系統(tǒng)將提示報(bào)警并自動(dòng)執(zhí)行自己的時(shí)鐘。

（3）操作員因誤操作退出監(jiān)控畫(huà)面或關(guān)掉DDE，導(dǎo)致畫(huà)面數(shù)據(jù)變?yōu)樗乐担瑳](méi)有動(dòng)態(tài)變化。因此我們要限制操作員權(quán)限，操作員只能監(jiān)視和調(diào)整工藝參數(shù)，同時(shí)禁掉Windows任務(wù)欄，屏蔽Alt鍵、Esc鍵、Window鍵等，有效防止操作員因誤操作關(guān)掉監(jiān)控畫(huà)面和DDE。

6.結(jié)束語(yǔ)

本裝置的Tricon系統(tǒng)在裝置的開(kāi)工初期經(jīng)過(guò)大量的調(diào)試、處理缺陷，目前已正常運(yùn)行。該系統(tǒng)通過(guò)三重模件冗余結(jié)構(gòu)（TMR）提供容錯(cuò)能力，大大提高了設(shè)備的安全性和可用性，為壓縮機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了有力保障。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：賈國(guó)華（1983—），男，2007年畢業(yè)于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)供職于中國(guó)神華煤制油化工有限公司包頭煤化工分公司機(jī)電儀中心。