應用研究| APPLICATION RESEARCHCHINA INSTRUMENTATION中闞露佞表2012年第4期Tcc控制系統(tǒng)在空分空壓裝置壓縮機控制中的應用The Application of ITCC in Compresseor Control of AirSeparation and Compression Unit王強林唐黎鋒翻(1中國石油工程建設公司大連設計分公司,1引言遼寧大連116011壓縮機組是空分空壓裝置中主要的核心設備,2中國石油天然氣股份有限公司大連石化公大連石化新建的8000立空分空壓裝置,共有9臺離司,遼寧大連116031)心式壓縮機組、調壓機組、循環(huán)氮壓機組以及膨脹機組,其中循環(huán)氮壓機組以及膨脹機組沒有備用機摘要:中國石油大連石化公司為了提高800空分組,連續(xù)性生產顯得尤為重要,機組控制包括透平空壓裝置壓縮機控制水平和保護壓縮機操調速控制、防喘振控制、性能控制、負荷控制、抽氣作的安全,在該工程中設計采用了ITCC系控制、自保聯(lián)鎖控制,以往設計需要采用分立儀表統(tǒng)將壓編機防喘振調節(jié)、聯(lián)鎖自保、電子調如獨立的防喘調節(jié)器、電子調速器、負荷調節(jié)器、聯(lián)速、負荷調節(jié)于一體,經過3年多的實踐檢鎖自保系統(tǒng)、常規(guī)PLC系統(tǒng)等實現(xiàn),而此類儀表隨驗,取得了良好的效果,該系統(tǒng)的實施對壓著長期使用,電子元件的備件和相關技術支持會逐縮機以及裝置整體安全平穩(wěn)運行提供了有漸成為問題,最終結果就是影響機組的正常可靠運利的保證。行,各機組控制系統(tǒng)相關軟件一般不會對用戶和維關鍵詞:壓縮機一體化控制護人員開放,成為“黑匣子”,使得用戶自動化管理受到限制,保證不了機組處于理想運行狀態(tài)。Abstract: Dalian petrochemical company of在項目詳細設計初期,經討論確定采用一套China built a set of separate and pressor air in近年來出現(xiàn)的新型的壓縮機綜合一體化控制系June2008 There are9 sets of compressors. A set統(tǒng)ITCC壓縮機組控制系統(tǒng),來實現(xiàn)對空分空壓裝inconventional of integrated turbine and compressor置壓縮機組的控制,與傳統(tǒng)的壓縮機組控制系統(tǒng)相control system was adopted in this item for the比較,它具有高可靠性、功能強大、組態(tài)靈活、容易higtest and best safety. In adition, the control操作等優(yōu)點。是集透平調速控制、防喘振控制、性能system adopts program logic system,. surge control,掉控制、負荷分配控制抽氣解耦控制、自保聯(lián)鎖、超interlock system, electrical control and load速保護控制為一體的綜合化控制系統(tǒng)。它將傳統(tǒng)上control. This system has ran for three years需要多個分立儀表實現(xiàn)的功能集成在一套可靠性極Key words: Compresseor Intergrated Control高的三重冗余容錯模件(TMR)控制系統(tǒng)中完成,中明佞露長 CHINA INSTRUMENTATIONAPPLICATION RESEARCH應用研究2012年第4期因此減少了各個系統(tǒng)間的連接和故障率,降低了長之為 TRICON的基于三重冗余容錯模件(TMR)結周期運行成本,提供了先進的控制技術和良好的監(jiān)構的控制器, TRICON系統(tǒng)有3個主處理器,每一個控界面。主處理器的CPU為32位、50MHz,16MRAM,工作2空分空壓機組設置概況方式為3-2-1-0。其32位浮點協(xié)處理器的使用得到了TUV6級的安全認證。系統(tǒng)中所有的IO信號都要經大連石化公司新建空分空壓裝置機組設置概況過硬件的三取二表決。如下:數(shù)字量輸入信號在DI模件中被分成隔離的三機組類型功能數(shù)量機組位號路,通過3個獨立的通道分別被送到3個主處理器中料機空分原料壓縮2c1011,美國SC1012Atlascopco進行三取二表決;經糾正任何偏差后的數(shù)據(jù)通過3氮壓機空分氮氣循環(huán)1SC102美國Cooper條IO總線被送到DO模件,并在DO模件通過獲得專膨脹機空分膨脹致冷1HT101利的“方形表決電路”硬件進行再次表決,DI、DOHT102Cryostat壓縮機空壓原料壓縮3Sc201-1,美國模件均采用與現(xiàn)場光電隔離方式,以及“ STUCKSC201-2, AtlascopcoSC201-3ON、 STUCK OFF”檢測功能。調壓機組空壓風量調節(jié)2SC202-1,美國同樣模擬量輸入信號在AI模件中被分成隔離SC202-2 Ingersoll Rand3TCC控制系統(tǒng)簡介的三路,通過A模塊上每一個分電路的模數(shù)轉換器把模擬量轉換成12位的數(shù)字量,用32位的協(xié)處理器31控制系統(tǒng)硬件介紹進行處理,每個主處理器采用選取中間值的算法讀ITCC控制系統(tǒng)采用的是 TRICON TS3000系取正確值,并糾正任何分電路中的偏差,主處理器統(tǒng),硬件設置如下:主要包括2套冗余控制器、2套操輸出的模擬量信號在AO模塊中的模擬輸出選擇器作站、2套輔助操作臺、1套工程師站,ⅠO數(shù)量約922中進行選擇,以確保輸出信號的準確點,ITCC控制系統(tǒng)通過ECM4119A的RS-232/485從用戶的角度來看,系統(tǒng)的使用非常簡單。用戶接口與DCS系統(tǒng)進行串行通訊,執(zhí)行 MODBUS通只要將傳感器和輸出回路的接線接在一個接線端子訊協(xié)議。DCS控制系統(tǒng)為主站,ITCC控制系統(tǒng)為從上,只需要編寫一套應用程序,使用起來和“單”的控制系統(tǒng)一樣方便?？刂破髦饕捎萌厝哂嗳蒎e模件(TMR)結TRICON系統(tǒng)最大的特點是能同時滿足高可靠構,系統(tǒng)硬件結構見圖1。性、高可用性的容錯控制能力,控制系統(tǒng)可以識別控Input Moduleoutput Module制系統(tǒng)元件的故障,自動把故障的元件加ot sparHot spares以排除,并允許在繼續(xù)完成指定任務的Force to valuc國同時,對故障元件進行在線修復而不中斷過程的操作32控制系統(tǒng)軟件介紹控制系統(tǒng)軟件主要分為控制程序組Same as口 IO Bu態(tài)軟件和人機界面組態(tài)軟件,人機界面軟DLC Probcol件選用 Wonderware Intouch V9.50版,組圖1 TRICON系統(tǒng)硬件結構態(tài)軟件為 Tristation 1131v4.l.433TRICONEX公司TS3000系統(tǒng)的硬件核心是稱Tristation1131是 TRICON系統(tǒng)的基本軟件開發(fā)應用研究| APPLICATION RESEARCHCHINA INSTRUMENTATION中候長2012年第4期平臺,提供給用戶的編程語言有:功能塊(FBD)、油壓、油溫、振動等。梯形圖(LD)和結構文本(ST)語言。軟件支持主處理器和/O卡件完全三重化,不會因為單IEC1131-3標準圖庫,同時也支持 TRICON過程控點故障而引起系統(tǒng)停車,機組可連續(xù)長周期運行,制,這些功能塊包括:模擬輸入、指數(shù)濾波、PID、超減少誤動作及停車時間前滯后、積分、中值選擇、模擬輸出、在線監(jiān)視、打獨特的IO邏輯槽位設計(提供工作和備用兩印及其它 TRICON特殊的功能塊。個槽位)保障故障卡件全部在線更換。Tristation I131軟件具有工程組態(tài)、系統(tǒng)維護調I/O卡件上的光隔器全部三重化。試、在線修改程序、在線下裝程序和離線模擬試驗浮點協(xié)處理器經過TUV六級認證等功能,較大地方便了用戶32位芯片保證了系統(tǒng)的快速運行。TRICON系統(tǒng)主處理器可分配16個存儲區(qū)域,高度的系統(tǒng)診斷覆蓋率,診斷功能皆為系統(tǒng)內用于SOE的記錄存儲,最大記錄60000個事件,SOE置,不需編寫應用程序。分辨率為毫秒級,其記錄文件也可存儲在硬盤中作系統(tǒng)維護和故障診斷非常方便。為永久保存,并可打印出來所有模擬卡件(AI、AO)精確度高,并可以定3.3控制系統(tǒng)在空分空壓機組控制中實現(xiàn)的主要功期自動校驗能主處理器的更換與IO卡件的更換一樣方便(1)對于空氣壓縮機系統(tǒng)實現(xiàn)按照IEC1131-3標準設計的基于 WinNT的編程機組啟機-停機順序控制、聯(lián)鎖保護;軟件使用方便,并提供離線模擬測試機組性能、進氣流量、防喘振控制應用軟件的在線修改、在線下裝通過TUV六級認機組軸系溫度、軸振動、軸位移監(jiān)控證機組密封系統(tǒng)、油路系統(tǒng)監(jiān)控毫秒級的SOE功能將為業(yè)主的故障及事件分析機組及機組段間進出口壓力、溫度監(jiān)控等提供極大幫助。(2)對于氮氣循環(huán)壓縮機系統(tǒng)實現(xiàn)靈活可變的規(guī)模將為系統(tǒng)的擴建提供極大便利機組啟機-停機順序控制、聯(lián)鎖保護;并有效降低擴建成本。機組性能、速度、防喘振控制所有卡件均有金屬鍵鎖,防止插錯卡件。機組軸系溫度、軸振動、軸位移監(jiān)控;機組密封系統(tǒng)、油路系統(tǒng)監(jiān)控4TCC控制系統(tǒng)的工程設計機組及機組段間進出口壓力、溫度監(jiān)控等。4.1控制系統(tǒng)硬件設計(3)對于高低溫膨脹機系統(tǒng)實現(xiàn):根據(jù)機組控制的PID圖,以及機組的輸入/輸出機組啟機-停機順序控制、機組聯(lián)鎖保護;點數(shù),考慮到控制器本身的容量,并對機組集中控機組性能、速度控制;制的風險評估,確定采用兩套三重冗余的控制器進機組軸系溫度、軸振動、軸位移監(jiān)控;行控制。機組密封系統(tǒng)、油路系統(tǒng)監(jiān)控將機組根據(jù)其用途及重要性進行不同分類,分機組進出口壓力、溫度監(jiān)控等別由不同的控制器進行控制。其規(guī)劃的原理是:相3.3控制系統(tǒng)功能特點同種類、相同功能、相互備用的機組,適當?shù)膶⑦\行控制系統(tǒng)具有專業(yè)的透平及壓縮機控制軟件,的機組與備用的機組放在不同的控制器中,另外根可綜合控制機組的性能、喘振、轉速及輔助系統(tǒng)如據(jù)控制器負荷的不同,盡可能地讓兩個控制器的負中儀低長 CHINA INSTRUMENTATIONAPPLICATION RESEARCH應用研究2012年第4期荷平均。同時考慮將供電系統(tǒng)采用兩路獨立的UPS喘振是當壓縮機組的流量降到低于最小值時不間斷電源進行供電,以減少電氣供電系統(tǒng)對整個而出現(xiàn)的一種突然逆流的現(xiàn)象。在喘振區(qū)域運行將控制系統(tǒng)運行的影響。會導致機組損壞。喘振控制器通過保持壓縮機的流根據(jù)兩套控制器中的不同類型的IO點數(shù)選擇量在最小流量即喘振流量以上來防止出現(xiàn)喘振,最出需要的卡件數(shù)量。小流量是靠調節(jié)壓縮機出口控制閥將氣體循環(huán)回到4.2控制系統(tǒng)軟件設計壓縮機入口來實現(xiàn)的。一個良好的防喘振控制器,用人機界面軟件 Wonderware Intouchⅴ9.50版它不僅具有安全性,能夠迅速地動作,以防止喘振進行組態(tài),采用 Tristation113專用的組態(tài)軟件進行的發(fā)生,同時,它還應該具有經濟性,以最少的放空邏輯控制編制。量或回流量來防止喘振,以減少對工藝的干擾和能通過人機界面軟件 Wonderware Intouch制作靜源消耗。任何一臺機組在發(fā)生喘振時,都希望防喘態(tài)工藝流程圖和動態(tài)畫面連接、數(shù)據(jù)選擇畫面,以振控制器能快速響應,快速打開防喘振閥門,以防及邏輯組態(tài)、PID調節(jié)畫面組態(tài)、電機啟動邏輯組止危險發(fā)生;但在關閉閥門的過程中,也希望能慢態(tài)、停車聯(lián)鎖邏輯組態(tài)、趨勢組態(tài)、SOE即事件順慢地關閉,以防止發(fā)生喘振震蕩。序記錄功能、通訊組態(tài)等。防喘振流程見圖3, TRICON TS3000防喘振控4.3控制系統(tǒng)配置結構制主要是根據(jù)壓縮機的入口流量、入口壓力、出口控制系統(tǒng)配置結構,見圖2。壓力3個參量,經過 TRICON的獨特的防喘振控制去DCS技術計算,輸出一個值來實現(xiàn)對防喘振閥的控制。打印機RS485壓縮機lEEH 802.3 TCP/IP 10MBAlSOE站BNE來自現(xiàn)場信號來自現(xiàn)場信號圖3防嗤振流程示意圖圖2ITCC控制系統(tǒng)配置結構圖在循環(huán)氮壓機防喘振控制系統(tǒng)中,用戶利用5機組典型控制設計舉例CONSEN防喘振擴展函數(shù)功能模塊來完成壓縮機的防喘振控制。防喘振擴展函數(shù)文件名:SGA31-025!氮氣循環(huán)壓縮機入口導葉控制和放空閥控制LT2。在本程序中,用戶使用的是壓比 PRAT對流常規(guī)PID控制主要有單回路控制、串級控制、比量差壓rHX(Pd/Ps對h/Ps)的算法。在完全手動狀值控制、前饋控制等。機組的典型控制包括入口導態(tài)下 MANUAL置1,輸出閥位由操作員在HMI“手葉IGv1001的控制及放空閥BⅤ10的控制。入口導動輸出”上給出,當在部分手動狀態(tài)下,手動控制葉控制主要由電機電流ICI及系統(tǒng)壓力PCl經過低值,與喘振控制輸出值選高值。包括喘振線功能選器比較后進行控制,放空閥的控制主要由流量控塊、控制線功能塊、控制設定點功能塊、安全裕度修制FCI及出口壓力PIC2的低選器輸出后進行控制。正功能塊、喘振監(jiān)測功能塊、喘振控制功能塊、比例52氮氣循環(huán)壓縮機防喘振控制控制功能塊、預動作功能塊、啟動控制塊、高選器功應用研究| APPLICATION RESEARCHCHINA INSTRUMENTATION中佞佤喪2012年第4期能塊、速度控制功能塊、手自動切換功能塊等。首先“喘振線復位”按鈕復位,才能恢復到初始位置判斷控制線是否在喘振線以下工作,通過每秒鐘超圖4顯示了壓縮機組的防喘振控制畫面。出控制線來判斷喘振產生的標志,一般情況下每分鐘有6次通過喘振線就認為機組處于喘振狀態(tài)。通過比較喘振控制、比例控制、預動作控制及啟動控制的輸出值,通過高選器,將高值送于速度控制功能塊最終通過控制喘振閥來實現(xiàn)機組的防喘振控制防喘振放空設置為“快開慢關”功能,保證喘手動輸出值保持小于手動輸出2%。喘振控制狀態(tài)-EN振控制的安全可靠性。正常狀態(tài)自動輸出值,跟蹤時,自動輸出值為喘振控制器輸出信號,與手動信號圖4防喘振控制畫面相比較,輸出高值。控制放空閥開度,保證操作點不圖4中1部分為喘振控制部分。能移至喘振控制線左側。橫坐標為風機入口流量喉差△P,量程為12當操作點快速左移至控制點左側時,控制點也kPa,對應座標值為0~100%?？焖儆乙?使放空閥能夠快速打開,操作點遠離控縱坐標為風機出/口壓比ε,ε=POPi,量程制線。當操作點開始右移后,控制點亦緩慢左移至為6。操作點左側直至穩(wěn)定狀態(tài)。自動輸出值按前述的跟P0為風機出口壓力,為實測值。蹤速度逐漸減小,緩慢關放空閥至初始狀態(tài)。Pi為風機入口壓力,設Pi=0.095MPa(A)當防喘振控制不能保證操作點不移至控制線左emax=5.1為最高的壓比限制,對應最高出口側時,將有第二層保護“安全線”。當操作點左移碰壓力 POsE=0.38MPa(G),喘振線為紅線,拐點在到安全線后,控制系統(tǒng)防喘振安全聯(lián)鎖動作,放空εm=5.1處,水平的喘振線與控制線重合。閥電磁閥失電,使閥快速打開。同時將防喘振控制安全線不顯示,以拐點處喉差值的4%將喘振線器手動輸出值置為100%,失電2s后,電磁閥自動得向右平移即為安全線。電。此時可以通過放空閥控制面板或喘振控制畫面喘振線控制線為黃線,以拐點處喉差值的6%手操輸出值,關閉放空閥。將喘振線向右平移得到此線。當操作點停留在安全線超過3s或10s內連續(xù)兩操作點為黃色“+”形標志,正常位于安全運行次碰到安全線,則放空閥電磁閥失電后將不能得區(qū)域,以實際入口喉差和e顯示機組運行狀態(tài)。電,需操作員點擊喘振控制畫面圖下方“開閥確認”喘振線控制點為綠色圓點,正常在操作點水平按鈕,使操作員重新得電。然后,才能關閉放空閥。左側5%處,當遇到喘振控制線時停留在控線上。當操作點超過安全線碰到喘振線,即意味著圖4中2部分為操作方式,有手動方式、自動方風機發(fā)生了真正的喘振。此時,控制系統(tǒng)將放空閥式及半自動方式。電磁閥立即失電,手動輸出值置為100%,同時喘振手動方式:輸出閥位由操作員在HMI“手動輸計數(shù)自動記錄一次(累加功能),防喘振控制線右出”上給出,或由上升、下降按鈕給出移2%。此時電磁閥失電同樣必須通過點擊“開閥自動方式:輸出完全由防喘振程序決定。確認”按鈕復位后才能重新得電。喘振控制線通過半自動方式:輸出是手動控制值與喘振控制輸中明佞屬長 CHINA INSTRUMENTATIONAPPLICATION RESEARCH應用研究2012年第4期出值選高值。設百分比范圍內移動。當工作點越過遷移點,以小幅圖4中3部分為防喘振控制電機電流、出口壓快速向喘振線竄動時,將發(fā)生如下情況:防喘振閥力、三級入口溫度、輸出閥位的實時趨勢圖。迅速打開;遷移點將向左移動,直到防喘振閥全關:圖4中4部分為防喘振控制參數(shù)的實際值,氮壓新工作點建立:如果遷移點與喘振控制線重合,系統(tǒng)機電機電流IT000,氮壓機出口壓力PT1002,氮壓將保持回流以保證在喘振控制線上運行。機三級入口溫度TE1002,防喘振閥PY1002輸出閥TRICONEX系統(tǒng)有一純比例調節(jié)階段,該階段位的數(shù)值顯示。可獨立于正常PI控制器而打開防喘振閥。當工作點喘振線下移數(shù):當前喘振下移線下移的裕度。移到喘振控制線左方,而正常PI控制器無法提供足喘振累積數(shù):從喘振投用到現(xiàn)在的所發(fā)生喘振夠響應,可能導致嚴重的控制失調時,則進入該階的次數(shù)。段。亦即在控制線左方到達某一特定裕度,則進入喘振數(shù):上次點擊了喘振復位按鈕到現(xiàn)在所發(fā)該階段,打開防喘振閥。當工作點與喘振線重合時,生的喘振數(shù)。防喘振閥全開。即工作點進入喘振控制線及喘振線圖4中5部分為防喘振控制的喘振點和實際工作之間時,防喘振閥按比例打開。該比例階段是由信號點及控制點的實際坐標值。選擇器來實現(xiàn)的?？刂破鞯姆答亜幼髌仁箍刂破鬏斕貏e說明:當發(fā)生喘振時,工作點越過喘振線,出( ISUCON)跟蹤該階段。即使在喘振控制器失調同時出現(xiàn)喘振下移線,喘振標志指示為紅色。喘振的情況下,該特性仍可保護機組下移線作為下次防喘振控制線,只有當點擊復位按喘振控制器提供了一種適應性增益特性。當工鈕后,才可以把喘振下移線復位到初時的防喘振作點在喘振控制線右方時,該特性減少了比例動作。線。這要根據(jù)氮壓機當時的工作狀態(tài)。是否選用新當工作點在喘振控制線右方的操作裕度超過設定距的防喘振線,以至于早點開防喘振閥離,則調用適應性增益特性。根據(jù)比例或積分響應,在防喘振控制中可以對安全裕度進行修正。如防喘振閥可打開,該特性使得防喘振閥響應快。但果系統(tǒng)檢測到工作點越過喘振線,表示喘振已經發(fā)速率功能限制了防喘振閥的關閉速率。當工作點安生,喘振控制線將被自動修正到右方,而加大安全全地移到喘振控制線的右方,防喘振閥將設定速率裕度。每當喘振被檢測到,安全裕度增加(控制線慢關,保證將透平驅動機及工況控制器調整到新的右移)一個校準量,輸入一個裕度新值可使瞬態(tài)計工作條件下。數(shù)器歸零,且使修正后的裕度等于輸入值。系統(tǒng)可在手動操作模式下有兩種權限可選。第一種為組態(tài)為每次增加一個固定值(如2%),或一個累加全權手操控制功能,它允許防喘振閥不顧喘振控制量(如1%,2%,4%,8%等)。修正發(fā)生的最大次數(shù)器的作用而關閉。這種選擇在測試和設定的時候有( kRECNO)亦可組態(tài)。在某一段給定的時間內與用,但不能組態(tài)為正常操作。因為如果系統(tǒng)被置于快開線交叉到給定的次數(shù),喘振會形成一個更大的手操狀態(tài),喘振控制器將無法打開防喘振閥;第安全裕度,喘振控制設定值通過給定值遷移邏輯向種為限權手操控制功能。這種選擇設定了一個防喘右遷移?？刂凭€將持續(xù)遷移到遷移點( rSUCSP)的振閥的最小開度,它允許操作工開閥,而不允許關,十字線終止。如果操作工認為需要開閥避免喘振時,可以不顧喘般情況下,壓縮機不會在喘振線上持續(xù)運行振控制器的輸出而開閥。當向喘振控制線左方出現(xiàn)或過長時間運行。當工作點在控制線右方(安全區(qū)特定竄動時,可組態(tài)一個觸點輸出打開大功率電磁域),喘振控制器的遷移點可在當前Hx值的某一可閥,來使防喘振閥快開。此特性對于有較短閥程的