苑大立

摘要：ITCC （Integrated Turbine & Compressor Control System）全稱為透平壓縮機(jī)組綜合控制系統(tǒng)。它是集蒸汽透平的速度控制及抽汽控制和壓縮機(jī)防喘振控制、性能控制、解耦控制、負(fù)荷分配控制等機(jī)組特有的控制以及自保護(hù)聯(lián)鎖邏輯控制為一體的集成綜合系統(tǒng)。它將傳統(tǒng)上需要多個(gè)分立儀表如防喘調(diào)節(jié)器、聯(lián)鎖自保系統(tǒng)、電子調(diào)速器、負(fù)荷調(diào)節(jié)器等實(shí)現(xiàn)的功能集成在一套可靠性極高的三重模件（TMR）冗余容錯(cuò)控制系統(tǒng)中完成；因此，減少了各個(gè)系統(tǒng)間的連接和故障率，降低了長(zhǎng)周期運(yùn)行成本，并提供了先進(jìn)的控制技術(shù)和良好的監(jiān)控界面。機(jī)組綜合控制系統(tǒng)包括：機(jī)組聯(lián)鎖ESD、SOE事件順序記錄、機(jī)組控制PID（例如：防喘振控制及調(diào)速控制等）及常規(guī)指示記錄功能、故障診斷功能。目前，ITCC控制系統(tǒng)已經(jīng)成為離心式機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)配置。

關(guān)鍵詞：ITCCTS3000TRICON綜合控制系統(tǒng)三臺(tái)機(jī)組一套控制系統(tǒng)凈化工段離心壓縮機(jī)組可行性分析技術(shù)基礎(chǔ)及條件穩(wěn)定性要求

中圖分類號(hào)：TH45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）08（c）-0071-02

1ITCC系統(tǒng)的主要控制功能

（1）機(jī)組安全聯(lián)鎖保護(hù)。（2）原動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)的啟停及升速的聯(lián)鎖保護(hù)。（3）機(jī)組的安全運(yùn)行聯(lián)鎖保護(hù)。（4）機(jī)組的緊急停機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)。（5）機(jī)組的軸振動(dòng)/軸位移監(jiān)視及聯(lián)鎖保護(hù)。（6）機(jī)組的超速聯(lián)鎖保護(hù)。（7）機(jī)組潤(rùn)滑油/調(diào)節(jié)油系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)。（8）機(jī)組輔助設(shè)備的聯(lián)鎖保護(hù)。

我公司凈化工段壓縮機(jī)廠房?jī)?nèi)共有四臺(tái)離心式壓縮機(jī)組：CO2機(jī)組（電拖，電動(dòng)機(jī)額定功率：5700kW，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速： 1485r/min）。氨壓機(jī)（電拖，額定功率：4500kW，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速：1490r/min）。CO機(jī)組（汽拖，機(jī)組額定功率：4960kW，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速：7200r/min）。解析氣壓縮機(jī)組（電拖，電動(dòng)機(jī)額定功率：3200kW，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速：1494r/min）。四臺(tái)機(jī)組均為沈鼓供貨，配套TS3000控制系統(tǒng)。對(duì)控制方案的整體布置，我公司技術(shù)人員經(jīng)討論，綜合考慮了系統(tǒng)的完整性、整體性、安全性、技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，決定由一套透平壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)（ITCC）進(jìn)行3臺(tái)壓縮機(jī)（CO機(jī)組、解析氣機(jī)組、氨冰機(jī)）的機(jī)組的防喘振控制、性能控制、聯(lián)鎖保護(hù)及運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)，目的是在完全能夠保證機(jī)組的正常運(yùn)行和保護(hù)的前提下，減少機(jī)組的整體成本和采購(gòu)價(jià)格，并提高機(jī)組控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性，方便統(tǒng)一布置機(jī)柜、輔助操作臺(tái)、操作站，為今后長(zhǎng)期的生產(chǎn)、運(yùn)行、備品備件采購(gòu)和維護(hù)提供很大的便利。

2可行性分析

（1）TS3000系統(tǒng)原理：TS3000控制系統(tǒng)采用三重模塊冗余（TMR）結(jié)構(gòu)，保證了設(shè)備的容錯(cuò)能力，并且能在元部件出現(xiàn)硬件故障或者來自內(nèi)部或外部來源的瞬態(tài)故障的情況下提供完好的不間斷的控制。

每一個(gè)I/O模塊內(nèi)都包容有三個(gè)獨(dú)立的分電路。輸入模塊上的每一分電路讀取過程數(shù)據(jù)并將這些信息傳送給它相應(yīng)的主處理器。三個(gè)主處理器通過一個(gè)專用的被稱作TriBus的高速總線系統(tǒng)通訊。

每掃描一次，主處理器都通過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)拷貝到各個(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塊。除對(duì)輸入數(shù)據(jù)作表決之外，Tricon在離現(xiàn)場(chǎng)最近的輸出模塊上完成輸出數(shù)據(jù)的表決，使其盡可能地與現(xiàn)場(chǎng)靠近，以便檢測(cè)出任何錯(cuò)誤并予以修復(fù)。

對(duì)于每個(gè)I/O模塊，系統(tǒng)可以支持一個(gè)可選的熱備模塊。如果裝有備件，在運(yùn)行中，如主模塊發(fā)生故障時(shí)，備件投入控制。熱備位置也被用于系統(tǒng)的在線修理。

（2）一套TRICON的TS3000系統(tǒng)最大所能帶的I/O點(diǎn)數(shù)為1000點(diǎn)，在此點(diǎn)數(shù)內(nèi)，系統(tǒng)的掃描周期和運(yùn)算速度完全不受影響。

（3）CO2壓縮機(jī)、解析氣壓縮機(jī)、氨壓縮機(jī)全部的I/O點(diǎn)共計(jì)711個(gè)點(diǎn)，少于系統(tǒng)性能上限。

（4）在711個(gè)控制點(diǎn)的使用情況下，系統(tǒng)掃描周期完全不受影響，能夠達(dá)到70ms的系統(tǒng)掃描周期。在保證掃描周期的前提下，系統(tǒng)完全能夠完成三臺(tái)機(jī)組的軸系儀表檢測(cè)、防喘振控制和超速保護(hù)功能。

（5）每套機(jī)組如果各帶一套控制系統(tǒng)，則系統(tǒng)的CPU模塊的性能存在很大富余，且需各自配置相應(yīng)的通訊和電源模塊，價(jià)格上必然產(chǎn)生相應(yīng)浪費(fèi)，配電系統(tǒng)和輸入輸出繼電器的整體設(shè)計(jì)也較為分散。

3現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)及條件

（1）離心機(jī)組的防喘振控制方案已完全成熟。（2）相應(yīng)的防喘振控制閥、回流閥的控制精度及響應(yīng)速度已經(jīng)滿足使用要求。（3）TS3000系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)：

①提供三重模塊冗余結(jié)構(gòu)，三個(gè)完全相同的分電路各自獨(dú)立地執(zhí)行控制程度。而且備有專用的硬件/軟件結(jié)構(gòu)，可對(duì)輸入和輸出進(jìn)行“表決”；②能耐受嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境；③能夠現(xiàn)場(chǎng)安裝，可以現(xiàn)場(chǎng)在線地進(jìn)行模塊級(jí)的安裝和修復(fù)工作而不需打亂現(xiàn)場(chǎng)接線；④能支持多達(dá)118個(gè)I/O模塊（模擬的和數(shù)字的）和選裝的通訊模塊，通訊模塊可以與Modbus主站和從站連接，或者和Foxboro與Honeywell分布控制系統(tǒng)（DCS）、其它在Peer-to-Peer網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個(gè)Tricon、以及在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的外部主機(jī)相連接；⑤可以支持位于遠(yuǎn)離主機(jī)架12km（7.5英里）以內(nèi)的遠(yuǎn)程I/O模塊；⑥利用基于WINDOWS系統(tǒng)的編程軟件完成控制程序的開發(fā)及調(diào)試；⑦在輸入和輸出模塊內(nèi)備有智能功能，減輕主處理器的工作負(fù)荷。每個(gè)I/O模塊都有三個(gè)微處理器。輸入模塊的微處理器對(duì)輸入進(jìn)行過濾和修復(fù)，并診斷模塊上的硬件故障。輸出模塊微處理器為輸出數(shù)據(jù)的表決提供信息、通過輸出端的反饋回路電壓檢查輸出狀態(tài)的有效性、并能診斷現(xiàn)場(chǎng)線路的問題；⑧提供全面的在線診斷，并具有修理能力；⑨可以在Tricon正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)行常規(guī)維護(hù)而不中斷控制過程；⑩對(duì)I/O模塊提供“熱備”支持，可用在某些不能及時(shí)提供服務(wù)的關(guān)鍵場(chǎng)合；TS3000機(jī)架的擴(kuò)展能力：對(duì)于V9 Tricon系統(tǒng)，有三種型式的機(jī)架：主機(jī)架、擴(kuò)展機(jī)架、和遠(yuǎn)程機(jī)架。一個(gè)Tricon系統(tǒng)可以最多包含15個(gè)機(jī)架，用以容納各安裝種輸入、輸出和熱插備用模塊，以及通訊模塊等的適當(dāng)?shù)慕M合。

Tricon系統(tǒng)的主機(jī)架安裝主處理器模塊以及最多六個(gè)I/O模塊組。在機(jī)架內(nèi)的各I/O模塊通過三重的RS-485雙向通訊口而連接。

圖中：①Tricon擴(kuò)展機(jī)架#3②擴(kuò)展機(jī)架#4-14③Tricon擴(kuò)展機(jī)架#15號(hào)④Tricon擴(kuò)展機(jī)架#2⑤Tricon主機(jī)架（機(jī)架#1）⑥TriStation（IBM PC兼容）。

擴(kuò)展機(jī)架（機(jī)架2～15）每一個(gè)可以支持最多八個(gè)I/O組。擴(kuò)展機(jī)架通過一個(gè)三重的RS-485雙向通訊口而和主機(jī)架連接?？梢杂脕磉B接一組主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架的標(biāo)準(zhǔn)纜的總長(zhǎng)最多為30m（100英尺）。遠(yuǎn)程擴(kuò)展機(jī)架可以讓系統(tǒng)擴(kuò)展到遠(yuǎn)距的位置，最多距離主機(jī)架12km（7.5英里）。

4應(yīng)用內(nèi)容

（1）I/O 擴(kuò)展：TriconI/O總線可以提供支持于最多15臺(tái)機(jī)架。絕大多數(shù)情況下，擴(kuò)展機(jī)架都裝在主機(jī)架的附近，限制如下：

擴(kuò)展機(jī)架限制：限度

機(jī)架的最大臺(tái)數(shù)：15

I/O模塊最大數(shù)量：118

I/O總線最大總長(zhǎng)：30m（100英尺）

正常情況下，如I/O總線長(zhǎng)度大于30m（100英尺）時(shí)必須用遠(yuǎn)程機(jī)架支持。

（2）RS-485擴(kuò)展總線口的使用：每臺(tái)Tricon機(jī)架底板的左上角裝有六個(gè)RS-485I/O擴(kuò)展總線接口，如圖2～4所示。為護(hù)展機(jī)架和遠(yuǎn)程機(jī)架提供三重串行通訊通道。用I/O電纜把擴(kuò)展機(jī)架的RS-485口接到其他機(jī)架。每臺(tái)機(jī)架都是多個(gè)I/O擴(kuò)展總線內(nèi)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

I/O口為三對(duì)，形成TriconI/O總線的三重化擴(kuò)展。數(shù)據(jù)通過三重化的I/O總線傳輸，與Tricon內(nèi)部的I/O總線傳輸速率一樣，為375K波特。用這種方式、三條控制分電路在物理上和邏輯上延伸到擴(kuò)展機(jī)架而不損害性能。

其他方面有以下幾點(diǎn)。

（1）系統(tǒng)是以微處理器為基礎(chǔ)的智能分散結(jié)構(gòu)，軟硬件的緊密結(jié)合使系統(tǒng)能力充分發(fā)揮。（2）控制器采用冗余配置，具有高度的可靠性，系統(tǒng)內(nèi)任何一個(gè)組件發(fā)生故障，均不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。（3）底層連接的網(wǎng)絡(luò)化、I/O模塊的全智能化，熱備份的冗余技術(shù)，可靠的帶電拔插的技術(shù)特征。（4）組態(tài)軟件功能具有標(biāo)準(zhǔn)的sfc、fbd、ld、st、fm 5種組態(tài)工具，圖形工具里有豐富的圖形庫，很快就能繪出界面友好的流程圖。（5）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為100m冗余快速以太網(wǎng)，極大加速了網(wǎng)絡(luò)速度，對(duì)將來的擴(kuò)容和改造留下了充分的余地。（6）采用完全開放的、先進(jìn)的軟硬件技術(shù)，結(jié)構(gòu)靈活、安全便利、維護(hù)簡(jiǎn)單。安全性能達(dá)到TUVAK6，IEC SIL3。

5采取的技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)

通過對(duì)各臺(tái)壓縮機(jī)的整體考慮，應(yīng)用TS3000的總線系統(tǒng)成熟的擴(kuò)展能力，在不增加控制器模塊的前提下，對(duì)系統(tǒng)的容量（即AI＼AO＼DI＼DO＼PI）進(jìn)行擴(kuò)展，達(dá)到一套系統(tǒng)控制3臺(tái)機(jī)組的控制能力。

總線系統(tǒng)及電源分配。

三條三重總線系統(tǒng)都蝕刻在機(jī)架背板上，三條總線為TriBus、I/O總線、及通訊總線。

TriBus包括三條獨(dú)立的串聯(lián)的鏈路，在4Mband下運(yùn)行。它在每一掃描開始時(shí)使各主處理器同步。然后，每個(gè)主處理器將它的數(shù)據(jù)送入它的上游和下游的主處理器。TriBus完成下列三種功能。

（1）傳輸模擬的、診斷的、和通訊的數(shù)據(jù)。（2）傳輸和表決數(shù)字輸入數(shù)據(jù)。（3）對(duì)上次掃描的輸出數(shù)據(jù)和控制程序存貯器進(jìn)行數(shù)據(jù)比較并對(duì)不同之處進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

Tricon容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特征是，每一個(gè)MP使用了同一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送器將數(shù)據(jù)同時(shí)送給上游的和下游的主處理器，這樣保證了同樣上游處理器和下游處理器接收相同的數(shù)據(jù)。

每個(gè)I/O模塊通過其對(duì)應(yīng)的端子板接收現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)或向現(xiàn)場(chǎng)傳送數(shù)據(jù)。機(jī)架相鄰的物理槽位視作同一個(gè)邏輯槽位。第一個(gè)位置上放置工作模塊，第二位置放置熱備I/O模塊。端子板通過背板頂部的Elco插頭相連，同時(shí)連接工作和熱備的I/O模塊。所以，這兩個(gè)模塊接收的是相同的來自端子板的信號(hào)。

I/O總線可使信息在I/O模塊和主處理器之間傳送，速率為375K波特。三重化I/O總線沿著背板的底部敷設(shè)。I/O總線的每一分電路在一個(gè)主處理器與其相應(yīng)的I/O模塊上的相應(yīng)的分電路間傳遞信息。I/O總線通過一組三條I/O總線纜在各機(jī)架間的延伸。

通訊總線在主處理器和通訊模塊之間傳輸信息，其速率為2M波特。對(duì)機(jī)架的電力被分配在兩個(gè)獨(dú)立的電源軌上，并分給背板的中心。機(jī)架上的各個(gè)模塊從兩條電源軌上通過雙重電源調(diào)節(jié)器同時(shí)吸取電力。每一塊輸入輸出板上有四組電源調(diào)節(jié)器：一組對(duì)應(yīng)一個(gè)支路（A、B和C），剩下一組用于狀態(tài)指示燈。

應(yīng)用后達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)：

系統(tǒng)掃描周期：小于50ms

Bad 速率：375M 波特/秒

波特：2M 波特/秒

6安全性分析及對(duì)策

TS3000控制系統(tǒng)采用三重化冗余技術(shù)，三重化冗余綜合控制系統(tǒng)必須具備TUV 6級(jí)或SIL-3級(jí)認(rèn)證，就是說：當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)一個(gè)或者多個(gè)故障時(shí)，系統(tǒng)能正常運(yùn)行，同時(shí)故障模塊能夠在線更換。如果故障超出了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，則系統(tǒng)將按照預(yù)先的設(shè)定，轉(zhuǎn)為失效—安全模式，確保用戶生產(chǎn)裝置和設(shè)備的安全。這種設(shè)計(jì)適用于高可靠性、高可用度以及對(duì)系統(tǒng)在線時(shí)間要求很高的應(yīng)用場(chǎng)合。ITCC系統(tǒng)的控制目標(biāo)就是保證大型高速離心設(shè)備的安全保護(hù)，因此其設(shè)計(jì)上重心是系統(tǒng)的可靠性。三臺(tái)機(jī)組采用一套控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，客觀上控制系統(tǒng)失效的影響被放大，系統(tǒng)檢修的條件也更難以具備，但系統(tǒng)采用三重冗余技術(shù)，其控制器模塊和輸入、輸出運(yùn)算回路是三重冗余設(shè)計(jì)，通訊、電源模塊采用雙重冗余，并可在線更換故障卡件，因此，理論上系統(tǒng)崩潰導(dǎo)致三機(jī)組轉(zhuǎn)為失效—安全模式屬于非常極端的情況，可以通過加強(qiáng)維護(hù)、強(qiáng)化巡檢、結(jié)合停車檢修進(jìn)行系統(tǒng)檢查來提前避免。

7結(jié)語

我公司工程項(xiàng)目建設(shè)對(duì)資金控制較為嚴(yán)格，力圖本著多快好省的原則，在保證安全穩(wěn)定生產(chǎn)的前提下，最大限度的避免浪費(fèi)資金?；谝陨弦螅曳皆跈C(jī)組控制系統(tǒng)方案論證階段，多方考察了各品牌的產(chǎn)品性能指標(biāo)、應(yīng)用業(yè)績(jī)，在借鑒集團(tuán)其他兄弟單位應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、充分考慮對(duì)系統(tǒng)檢修、運(yùn)行性能的影響的基礎(chǔ)上，經(jīng)與賣方單位充分論證，進(jìn)一步提出由一套控制系統(tǒng)對(duì)三臺(tái)離心壓縮機(jī)組進(jìn)行綜合控制。此方案充分開發(fā)了系統(tǒng)性能，節(jié)約了相應(yīng)的控制器、電源模塊、通訊模塊，為公司項(xiàng)目建設(shè)節(jié)約了資金。

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