重整裝置氫壓機組控制系統(tǒng)安全和性能的提升

葉方軍

（中國石化上海高橋石油化工有限公司，上海200137）

某石化企業(yè)連續(xù)重整聯(lián)合裝置氫壓機組控制系統(tǒng)[1]（CCS）承擔著9套壓縮機組的控制及聯(lián)鎖功能，其中氫壓機組由壓縮機組、齒輪機組和汽輪機組三部分構成，是裝置的核心控制部分之一。該機組控制系統(tǒng)已運行十多年，硬件及軟件已難以滿足實際生產(chǎn)運行需求。為了保證氫壓機組安全、平穩(wěn)、長周期運行，提高自動控制的可靠性，確保安全生產(chǎn)，更好地發(fā)揮裝置運行的經(jīng)濟效益，對該控制系統(tǒng)進行了升級改造。

1 控制系統(tǒng)改造必要性評價

1.1 控制系統(tǒng)軟硬件提升需求

氫壓機組控制系統(tǒng)采用TRICONEX公司產(chǎn)品，主控制器硬件采用3006系列，系統(tǒng)編程軟件應用DOS平臺，畫面編輯采用工控組態(tài)軟件FIX32實現(xiàn)。控制系統(tǒng)自投運后經(jīng)過十多年運行，故障率明顯上升，其中主控制器已成為淘汰產(chǎn)品，并且備品配件難以購置，控制系統(tǒng)處于非安全狀態(tài)。

1)控制編程軟件應用DOS平臺，非開放型的代碼不利于系統(tǒng)邏輯調(diào)整和修改。

2)原控制系統(tǒng)供電采用1對冗余電源模塊對整個控制系統(tǒng)供電，曾發(fā)生過冗余電源中某一電源模塊故障，另一電源未能在瞬間負擔起全部負載而造成機組停機的事件，控制系統(tǒng)存在本質(zhì)不安全因素。

1.2 控制系統(tǒng)改造功能性需求

連續(xù)重整聯(lián)合裝置氫壓機組控制系統(tǒng)需要對功能性進行改造，其需求包括以下幾方面：

1)解決控制系統(tǒng)改造前軟硬件存在的問題。

2)增加循環(huán)機組的干氣密封控制功能。因該機組原有密封已改為干氣密封，但機組控制系統(tǒng)組態(tài)軟件采用DOS版本，不適于新的組態(tài)，只能把本應與機組一體的邏輯控制部分挪到連續(xù)重整聯(lián)合裝置的緊急停車系統(tǒng)（ESD）中實現(xiàn)[2]。該次改造需要將邏輯控制部分內(nèi)容補充到機組控制系統(tǒng)中。

3)受氫壓機組控制系統(tǒng)輸入輸出點配置數(shù)量局限，對往復機組允許開機、啟停油加熱器、盤車開關等邏輯功能的實現(xiàn)均采用繼電器完成。該次控制系統(tǒng)改造將增加輸入/輸出（I/O）點數(shù)，完成由繼電器實施控制邏輯向CCS實現(xiàn)控制邏輯的轉變。

4)受控制系統(tǒng)I/O配置數(shù)量局限，往復機組軸振儀表未能接入氫壓機組控制系統(tǒng)，操作者無法實時監(jiān)控機組的機械運行狀態(tài)。該次控制系統(tǒng)改造將增加I/O點數(shù)，完善往復機組的機械運行監(jiān)測功能。

1.3 控制系統(tǒng)改造安全性需求

連續(xù)重整聯(lián)合裝置氫壓機組控制系統(tǒng)需要對安全性進行改造，其需求包括以下幾方面：

1)解決供電模式存在的安全隱患。機組控制系統(tǒng)集成了2套裝置9臺壓縮機組的控制和聯(lián)鎖功能，鑒于曾出現(xiàn)過的供電隱患，規(guī)避部分電源出現(xiàn)故障導致整個控制系統(tǒng)失電的情況再次發(fā)生。安全性方案對每個機柜供電均采用獨立冗余電源配置，使供電模式具有可靠性和安全性。

2)適應管理體制變化的安全需求。因操作管理模式變化，方案中取消獨立設置壓縮機控制室而將操作站歸入到聯(lián)合裝置中心控制室集中操作的模式，實現(xiàn)與裝置DCS、裝置ESD的畫面數(shù)據(jù)和信息的共享[3]，為氫壓機組安全、穩(wěn)定、長周期運行創(chuàng)造了條件，也適應了生產(chǎn)操作和管理的需求。

2 控制系統(tǒng)改造實施方案

2.1 改造主要內(nèi)容

控制系統(tǒng)改造的主要內(nèi)容包括以下幾方面：

1)系統(tǒng)軟硬件升級。系統(tǒng)軟件升級到最新版本；處理器、通信模塊、I/O模塊等升級，與原有系統(tǒng)機柜內(nèi)I/O模塊布置一致。

2)升級改造后的氫壓機組控制系統(tǒng)徹底消除了存在的功能和安全上的缺陷，提升了原控制系統(tǒng)的整體性能[4]。

2.2 系統(tǒng)主要硬件的功能和安全性保證措施

在對硬件升級時，對硬件配置的功能和安全性作了具體的措施落實。

2.2.1 控制站處理器措施

控制站處理器采取的安全性措施包括以下幾方面：

1)采用TRICON技術的CCS[5]，核心硬件采用具有三重化冗余容錯（TMR）結構的容錯控制器。

2)每一個主處理器的CPU采用32位、50 MHz，16 M RAM，工作方式為3-2-1-0。其32位浮點協(xié)處理器具備TüV AK6級的安全認證。

3)處理器系統(tǒng)掃描時間不大于100 ms；處理器的負荷不超過50%；處理器具備順序事件記錄（SOE）功能，掃描記錄時間為毫秒級。

4)系統(tǒng)中所有的I/O信號都經(jīng)過硬件的“三取二”表決。

2.2.2 I/O卡件具備的性能和措施

I/O卡件具備的性能及采取的安全性措施包括以下幾方面：

1)不同聯(lián)鎖區(qū)域的I/O卡件分別安裝于各自獨立的卡件箱。

2)所有I/O卡件均采用三重冗余結構，故障卡件可在線更換。

3)所有I/O卡均為隔離型，輸入、輸出、通道之間、電源之間相互隔離。

4)I/O卡件種類滿足設計要求，具有識別現(xiàn)場開路、短路和做出故障處理能力[6]。

2.2.3 系統(tǒng)后備電池功能和措施

系統(tǒng)后備電池功能和采取的安全性措施包括以下幾方面：

1)系統(tǒng)配備后備電池。

2)外部電源故障時，后備電池作為備用電源能夠保持用戶程序及內(nèi)存數(shù)據(jù)至少6個月不丟失。

3)電池具有正常使用5 a的壽命。

2.2.4 工程師兼SOE站功能和措施

工程師兼SOE站功能和采取的安全性措施包括以下幾方面：

1)工程師兼SOE站配有控制系統(tǒng)組態(tài)所必須的各種專用軟件，用于控制器的組態(tài)、修改、測試及診斷。

2)通過工程師站，可以在離線和在線狀態(tài)下進行系統(tǒng)組態(tài)、修改、設置相關參數(shù)。并可在程序運行狀態(tài)下下裝修改過的組態(tài)程序。

3)工程師兼SOE站具備在線記錄系統(tǒng)的各類報警及動作事件，存入硬盤，供查詢、追溯和打印功能。

4)工程師兼SOE站具有順序事件記錄功能，配備整套順序事件記錄的軟件，分別記錄各控制器的報警及動作事件[7]。硬盤的容量要足夠大，系統(tǒng)能滿足所有種類數(shù)據(jù)的記錄需要，可由用戶選定記錄的參數(shù)、采樣周期和記錄長度，并可對記錄的數(shù)據(jù)進行過濾和排序，所記錄的數(shù)據(jù)能以其他文件格式進行導出。

5)順序事件記錄的分辨率為毫秒級，記錄的數(shù)據(jù)總數(shù)為1×105條。

2.2.5 操作員站功能和措施

操作員站的功能及采取的安全性措施包括以下幾方面：

1)配置操作員站，用于聯(lián)鎖信號旁路的操作及狀態(tài)的顯示。

2)具備打印組態(tài)數(shù)據(jù)和圖形能力。

2.3 供電可靠性措施

改造后的CCS電源采用冗余配置，功能和安全性有了提升[8]。系統(tǒng)接受2路交流220 V、50 Hz供電，1路不間斷電源（UPS），1路隔離變電源（GPS）。2路電源中任1路發(fā)生故障，都不影響系統(tǒng)正常工作。

3 改造過程中問題及措施

CCS改造后控制系統(tǒng)本身的可靠性、安全性得到了較大提升，在機組調(diào)試開機過程中出現(xiàn)轉速指示偏差，經(jīng)分析計算，問題得以解決。

3.1 問題過程描述

系統(tǒng)調(diào)試結束后，在機組試運轉過程中，發(fā)現(xiàn)1號連續(xù)重整汽輪機組轉速指示明顯偏低?；仡櫃C組控制系統(tǒng)的改造情況，改造并未對現(xiàn)場儀表設備作變動，信號電纜也保持原樣，只對轉速信號進控制系統(tǒng)的安全柵做了全部更新，針對轉速信號異常，對安全柵組態(tài)進行了復查。

3.2 問題分析

3.2.1 一般判斷

針對控制系統(tǒng)改造過程遇到的問題，作出以下幾方面判斷：

1)轉速安全柵接受的輸入信號可以是Hz為單位的頻率信號或脈沖數(shù)，一般采用后者。

2)對于脈沖信號，其物理意義為旋轉1周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，脈沖數(shù)為整數(shù)值，可轉換為對應輸出機組的轉速。

3)一般情況下汽輪機組有確定的齒數(shù)，每轉脈沖數(shù)固定，安全柵組態(tài)時只要輸入脈沖數(shù)即可得到對應轉速指示。

3.2.2 現(xiàn)場對比

根據(jù)現(xiàn)場情況進行對比，得出以下幾方面結論：

1)由于整臺機組儀表硬件安裝已完成，汽輪機齒數(shù)從機械上無法直觀獲取，原始機組資料也未標識，安全柵組態(tài)中需設置脈沖信號的數(shù)據(jù)無法得到。

2)根據(jù)氫壓機組的現(xiàn)場轉速探頭安裝情況觀察：汽輪機組轉速探頭并非安裝于汽輪機，而是安裝在變速箱上，變速箱測得的轉速并非汽輪機轉速，兩者需通過轉速比進行換算。

3)經(jīng)對機組試運轉記錄數(shù)據(jù)比較，得到實際測出的鍵相轉速指示是變速箱轉速指示的1.11倍。

3.3 脈沖設置參數(shù)的復核還原

脈沖設置參數(shù)的復核還原包括以下幾方面：

1)復核思路。安全柵接受脈沖信號只能為整數(shù)值，非整數(shù)值無法適用脈沖信號。因此，安全柵的設置只有通過輸入頻率信號才能得到轉速輸出[9]。

2)復核參數(shù)。對汽輪機鍵相指示值與安全柵輸出變速箱轉速指示值比較，再經(jīng)過理論計算，獲取還原的參數(shù)，計算過程如下：

式中：n——轉速，r/min；f——頻率，Hz；p——每周產(chǎn)生的脈沖數(shù)。

當汽輪機轉速量程為0～11 000 r/min，變速箱轉速比為1.11時，通過計算得出f=165.165 Hz。將頻率信號設置到安全柵的輸入信號，完成組態(tài)下裝后，汽輪機的轉速指示恢復正常。

4 結 論

通過對連續(xù)重整氫壓機組控制系統(tǒng)進行升級改造，消除了機組控制系統(tǒng)的安全隱患，提高了系統(tǒng)運行的可靠性，減少了系統(tǒng)故障率，減少了技術人員維護工作量及備品備件的儲備量，避免了因系統(tǒng)故障引起的非計劃停車，確保了連續(xù)重整氫壓機組能夠穩(wěn)定、安全、長周期的運行，同時能進一步改善生產(chǎn)操作和管理條件，為裝置優(yōu)化控制打下良好的基礎。