楊祖釗

（長慶石化公司運行保障部，陜西 咸陽 712000）

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

氣壓機組是以透平驅動離心式壓縮機，它的主要功能是壓縮來自分餾塔頂油氣分離器來的富氣，然后進行氣液分離。該機組在壓縮氣體的同時，擔負著控制沉降器壓力的任務，正常時，通過調節(jié)機組轉速，控制反應壓力，確保裝置的平穩(wěn)運行。

1 TS3000控制系統(tǒng)的特點

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

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

圖1 TS3000控制器三重化結構圖

2 系統(tǒng)構成

2.1 硬件配置

催化裂化裝置氣壓機控制系統(tǒng)由兩個RITTAL機柜組成，柜內安裝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）。機柜外設設備包括1個工程師站，1個操作站，1個A4打印機。通信系統(tǒng)由CM模塊、集線器和PC組成工業(yè)以太網，工程師站、操作站與Trident控制器可以通過網絡進行過程監(jiān)控、程序修改和在線下裝。硬件結構圖如圖2所示。

圖2 硬件結構圖

2.2 軟件設計

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。而機組控制系統(tǒng)的人機界面軟件采用Intouch8.0，運行Windows2000操作系統(tǒng)。上下位機通過Modbus通信協(xié)議進行數據交換。在Intouch中通過選裝與下位控制系統(tǒng)對應的I/0 Sever即可實現上下位機的動態(tài)數據交換（DDE）。下位機每個需要交換的數據都有一個惟一的Modbus地址，與Intouch中標記名字典（Tagname Dictionary）中的變量一一對應。

3 關鍵控制方案的說明

3.1 防喘振控制

重油催化裂化裝置的氣壓機組由于是兩段壓縮，應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，通過下位機采集壓縮機入口實際流量、壓力和出口壓力的數據，依據排氣壓力PD與吸氣壓力PS之比和入口流量的關系形成壓縮機的特性曲線如圖3所示。

圖3 離心式氣體壓縮機喘振線及防喘振線示意圖

壓縮機流體流量設置點由控制線提供，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)域對喘振控制器PI算法是安全區(qū)域，這種安全關系確定之后被編譯到控制器，其中PI控制用于控制點和壓縮機運行點的比較，并提供一個輸出信號到防喘振閥，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，還需補充以下3種另外的控制。

1）運用一條備用線，位于控制線和喘振線之間，如果壓縮機運行點移動到控制線左側并且達到備用線，關閉PI控制很快強制將防喘振閥打開，作為使流體流量增加的需要。

2）如果在給定時間內，壓縮機流體流量出現3次低于備用線設定流量值的波動，喘振控制設置點就會移動2%，重新建立一個更大的安全區(qū)域，移動累計最大值可達到10%。

3）增加一個可變比例分數到控制循環(huán)，來協(xié)助當壓縮機的流體流量快速減小時的過程穩(wěn)定性。

3.2 調速控制

在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，機組的速度控制，包括啟動、調速、超速試驗和超速保護是由專門的調速器或調速器加超速保護器來實現實現，如WOODWARD505控制器、TRI-SEN TS310調速器等。而在本系統(tǒng)中TriStation 1131軟件針對汽輪機在啟機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行組態(tài)連接，實現機組的起機和調速功能。完全代替了以上硬件功能，這些模塊具有的強大功能使其滿足機組速度控制的所有要求。

表1 調速的典型功能模塊

當壓縮機組各項起動條件具備，系統(tǒng)發(fā)出允許起動命令后，機組開始起動。起動機組分兩種方式：自動起動或手動起動，自動起動是將按照編好的程序按升速曲線自動升速。當機組轉速達到正常轉速時，機組進入運行狀態(tài)。在整個升速過程中操作員也可以人為干預，即操作員可以設定目標速度，按操作員的意愿操作機組，這種操作即手動操作，手動和自動可隨時切換并能做到無擾動。

4 系統(tǒng)故障處理

4.1 故障現象

氣壓機控制系統(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日出現過三次防喘振對話框自動賦值的異?，F象，給工藝操作帶來了一定的影響。三次故障現象一樣，皆為防喘振控制人機界面上“手動輸出”賦值框內自動賦值（如圖4所示），該輸出信號控制防喘振閥異常動作。由于此故障現象不維持，而且是軟故障，故障過后一切控制都能恢復正常，這給故障的分析判斷解決帶來了相當的難度。

圖4 防喘振控制輸出畫面

4.2 原因分析

故障現象第一次發(fā)生時，恰逢冬季冰雪天氣，初始懷疑可能是凈化風帶水凍凝造成氣路堵塞而導致防喘振閥誤動作，但通過對歷史趨勢畫面的研讀，發(fā)現防喘振閥是在系統(tǒng)輸出的控制下動作的，即是說問題不在現場，通過對現場的檢查也進一步認證了這一觀點，在排除操作失誤的情況后，確定故障發(fā)生在系統(tǒng)本身。故障現象第一次發(fā)生后對系統(tǒng)軟硬件及通信均作了詳細的檢查和診斷，沒有發(fā)現存在什么問題，重新起動上位操作站后“恢復正?！?； 2008年1月18日同樣的故障現象再次出現，在檢查工程師站時發(fā)現桌面上開始菜單失效，初步懷疑這就是故障原因，針對此現象做了兩個方面的工作：一是把原來用Ctrl+Alt+Del組合鍵強制退出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)運行正常；但是，當故障現象在2008年11月23日再次出現說明問題的真正原因還沒有找到，為此，結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（冗余）HUB（24端口以太網集線器）在通信上存在問題。

該系統(tǒng)上位機通過DDE SERVER與TRIDENT控制器交換數據，實現監(jiān)視和控制功能。DDE SERVER使用TRICONEX TSAA協(xié)議從TRIDENT控制器讀寫數據，INTOUCH監(jiān)控程序使用Windows DDE 協(xié)議與DDE server交換數據，Windows DDE協(xié)議以客戶-服務器方式實現應用程序之間互相訪問數據。如圖5所示。

圖5 TRICONEX DDE SERVER工作原理圖

由此可見，整個通信主要就由系統(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)在其他數據處理上都是正常的，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，更加確認是HUB（24端口以太網集線器）出了問題。

在大檢修期間，通過點檢維護對該系統(tǒng)進行了全面測試，測試結果正常，通過快速插拔網線模擬通信中斷時，故障現象再次出現，至此可以判斷是通信瞬間中斷后又恢復造成了故障的發(fā)生，檢查網絡連接端口，連接緊固，不會物理上造成通信中斷。集線器的工作機理是廣播，無論是從哪一個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，這樣很容易產生大量的信息堆積，造成HUB的執(zhí)行效率比較低，導致上位機和控制系統(tǒng)出現通信瞬間中斷。

4.3 解決措施

采用基于MAC地址進行交換的交換機替換了原來的HUB。采用的交換機是TSC工業(yè)以太網交換機（Carat1008FC），同樣用冗余模式。更換以后，運行至今尚未出現類似情況。

5 調速問題

5.1 故障現象

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

圖6 氣壓機升速曲線（檢修前）

圖中黃線為轉速設定值，綠線實際轉速值，從圖中可以看出在1200RPM暖機階段轉速有較大幅度的波動，在目標轉速2500RPM 處出現了較大的超調量，且在升速階段出現實際轉速與設定轉速跟蹤性不好的現象。

5.2 原因分析

根據控制原理逐步分析可能存在以下幾個原因：①系統(tǒng)輸出設定值震蕩；②PID參數設置不當；③調節(jié)氣門開度控制信號波動較大；④油動機錯油門不夠靈活；⑤起機階段負荷較輕。針對以上可能原因我們進行逐項排查。

由圖6可以看出輸出設定值沒有任何波動，且調速控制回路的 PID參數進行過多次調整沒有效果。調速閥的控制信號確實出現了波動，也可能是油動機錯油門或速關閥動作不夠靈敏造成。由于機組當時處于運行狀態(tài)，無法確定是錯油門或速關閥問題，只好擇機對氣壓機調速系統(tǒng)做靜態(tài)試驗，確定問題所在，并解決調速效果不佳的情況。

5.3 解決方案

大檢修時我們對氣壓機的調速系統(tǒng)做了靜態(tài)試驗，實驗數據不理想，達不到正常工作要求，特別在在 0%～50%階段，線性極差，對電液轉換器反復進行調整，仍然達不到理想效果。后對油動機進行了解體檢查，更換了錯油門的滑閥閥芯后，重新進行靜態(tài)試驗，實驗數據如表2所示。

表2 氣壓機調速系統(tǒng)靜態(tài)試驗數據表

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

對于暖機階段的負荷過小的問題，與工藝操作人員進行了協(xié)商，將暖機階段的入口閥開度由原有的10%調整至30%，增加負荷后，轉速控制效果明顯變好，波動幅度700～800RPM減小至200～300RPM，取得了較好的效果。但還是出現了實際轉速曲線畸變，存在單邊波動，是典型的執(zhí)行機構摩擦力較大情況下曲線，如圖7所示。其原因應是氣門調節(jié)機構盤根過緊、摩擦力過大造成卡澀，運行一段時間后隨著摩擦力的減小，這種現象會有所改善乃至消失。

圖7 氣壓機檢修后升速曲線

6 結論

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

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