(河南能源化工集團(tuán)中原大化公司，河南 濮陽(yáng) 457004)

河南能源化工集團(tuán)中原大化公司煤化工裝置共有6大機(jī)組，均采用Miconwell公司的ITCC控制系統(tǒng)。其中，氨壓機(jī)主要是對(duì)甲醇裝置區(qū)生產(chǎn)的氨進(jìn)行壓縮制冷，為整個(gè)冷凍回路和低溫甲醇洗裝置提供冷量，對(duì)整個(gè)裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行有很大的影響。氨壓機(jī)ITCC控制系統(tǒng)在投運(yùn)初期不能夠有效控制其防喘振余量，機(jī)組防喘振閥開度較大，且始終不能全關(guān)，造成機(jī)組能耗過(guò)高，運(yùn)行極不穩(wěn)定。針對(duì)此問(wèn)題，我們聯(lián)系廠家設(shè)計(jì)人員，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況對(duì)對(duì)氨壓機(jī)防喘振控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。

1 控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題及改造方案

1.1 存在的問(wèn)題

(1)系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取速度慢，防喘振跟蹤不夠迅速；防喘振控制不穩(wěn)定，抗干擾能力差，只能手動(dòng)控制。

(2)防喘振控制余量過(guò)大，機(jī)組防喘振閥開度大，從而導(dǎo)致氨壓機(jī)能耗過(guò)高。

(3)運(yùn)行性能與防喘振控制功能不完善，防喘振控制缺乏協(xié)調(diào)性，無(wú)法直觀有效地調(diào)節(jié)氨壓機(jī)。

1.2 改造方案

(1)將氨壓機(jī)的入口壓力控制一、二段防喘振控制回路由ICS控制系統(tǒng)升級(jí)改造為CCC Vanguard控制系統(tǒng)。對(duì)工程師站進(jìn)行雙回路改造，增設(shè)服務(wù)器，每個(gè)操作員站均可獨(dú)立運(yùn)行，不受其他操作臺(tái)的影響。

(2)現(xiàn)場(chǎng)精確實(shí)測(cè)喘振線，以消除計(jì)算方式造成的運(yùn)行區(qū)域的損失。精確定義好喘振線后，據(jù)喘振線的位置分別確定一段和二段喘振線的位置；CCC壓力控制器輸出接入ICS系統(tǒng)，串級(jí)控制ICS中的速度控制，ICS中的轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出模擬量接入CCC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速追蹤?？ㄟ叢僮?，降低防喘振閥的開度。CCC控制系統(tǒng)之所以節(jié)能，關(guān)鍵在于運(yùn)行點(diǎn)緊壓防喘振線，這就降低了防喘振閥的開度，減少了回流量，降低了無(wú)用功的消耗。

(3)原來(lái)在ICS系統(tǒng)中控制的信號(hào)經(jīng)一進(jìn)二出分配器，分一路進(jìn)CCC控制系統(tǒng)，另一路仍進(jìn)入原ICS系統(tǒng)。CCC控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)多種調(diào)節(jié)和保護(hù)措施，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與氨壓機(jī)入口壓力串級(jí)操作、防喘振自動(dòng)調(diào)節(jié)以及二者之間的解耦控制，有利于保證機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)增加壓力超弛控制。

圖1 氨壓機(jī)防喘振曲線及控制參數(shù)畫面

2 控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造

2.1 CCC控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

CCC控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)多種調(diào)節(jié)和保護(hù)措施，我們將氨壓機(jī)的入口壓力控制一、二段防喘振控制回路由ICS控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到CCC Vanguard控制系統(tǒng)，同時(shí)增加壓力超弛控制。CCC Vanguard大型機(jī)組控制系統(tǒng)是最先進(jìn)的開放式實(shí)用多任務(wù)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制構(gòu)架為CPCI總線構(gòu)架[1]，有效增加了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性；另外，系統(tǒng)軟硬件均采用三重冗余結(jié)構(gòu)，能夠避免隨機(jī)故障造成的事故。CCC Vanguard控制系統(tǒng)采用的是全雙工結(jié)構(gòu)并且有明顯的等級(jí)優(yōu)先度，可避免系統(tǒng)因增加現(xiàn)場(chǎng)控制IO點(diǎn)而造成內(nèi)部執(zhí)行速度下降的現(xiàn)象，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的迅速而精確的控制。

2.2 氨壓機(jī)防喘振曲線及控制參數(shù)簡(jiǎn)介

防喘振控制的核心思想是，無(wú)論壓縮比是多少，都要保證壓縮機(jī)的吸入流量比喘振流量大。只有這樣，才能保證壓縮機(jī)的穩(wěn)定工作。

廠家設(shè)計(jì)人員據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)后，給出氨壓機(jī)綜合喘振線數(shù)據(jù)，作出喘振線(兩點(diǎn)變量連成線段，由多段折線連接成一條曲線)和防喘振線[1]。再采用InTouch 10.1組態(tài)編程，最終得出的氨壓機(jī)防喘振曲線及控制參數(shù)畫面如圖1。

3 系統(tǒng)硬件與軟件

3.1 系統(tǒng)硬件

3.1.1機(jī)架(S5VANG-D10-03)[1]

采用最先進(jìn)的雙重化CPCI 總線技術(shù)的10slots 機(jī)架，單架容量為1對(duì)冗余MPUE和3對(duì)冗余IOC，以及1對(duì)擴(kuò)展卡，可帶2個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，可靠性高、運(yùn)算速度快；最多可配置4個(gè)電源卡件(PSMU)構(gòu)成靈活的冗余供電配置，支持熱插拔。

3.1.2三重化處理器

三重化處理器是系統(tǒng)的核心部分，其作用是實(shí)現(xiàn)全面的系統(tǒng)控制功能。系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的64位Power PC 603 100 MHz處理器，通過(guò)三重化內(nèi)部通訊總線，能高速處理各種模擬量和數(shù)字量信息。三重化處理器由5塊電路板構(gòu)成：3塊完全獨(dú)立的處理器電路板，每塊電路板上有1塊 64位RISC 100 MHz處理器，以及相應(yīng)的內(nèi)存、電路等；1塊接口電路板，包括模塊內(nèi)部總線和前面板控制電路；1塊基板，用于電路板的連接。這三類處理器主板構(gòu)成了三重化處理器模塊的基礎(chǔ)。3個(gè)處理器完全同步地工作，確保處理器所有數(shù)據(jù)的一致。每個(gè)處理器獨(dú)立地完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、程序執(zhí)行、I/O 掃描以及系統(tǒng)故障診斷等工作。支持在線熱插拔。

3.1.3I/O卡件

氨壓機(jī)控制專用的Local I/O，高集成度的三重化容錯(cuò)I/O卡件最多可接收40個(gè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸入。每個(gè)通道的信號(hào)均通過(guò)獨(dú)立的三重化線路實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)：全面的自診斷；1 ms的SOE分辨率，每個(gè)通道可選擇；支持在線更換。由于SOE記錄在輸入模塊上完成，因此SOE不再像過(guò)去那樣依賴于系統(tǒng)掃描，而和系統(tǒng)掃描時(shí)間沒(méi)有關(guān)系，并且大大減輕了三重化處理器的負(fù)擔(dān)。三重化容錯(cuò)型I/O模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的30 mm寬、6U高外型，可以放置在處理器機(jī)架或者擴(kuò)展機(jī)架中。一旦I/O組態(tài)被確定，可以通過(guò)獨(dú)特設(shè)計(jì)的機(jī)械開關(guān)，防止模塊被插入不正確的槽位中。

3.2 系統(tǒng)操作軟件

氨壓機(jī)下位控制軟件采用的是Miconwell公司提供的基于Windows NT的IEC1131 Toolset組態(tài)軟件，上位控制軟件采用的是Wonderware公司提供的InTouch10.1組態(tài)軟件。系統(tǒng)支持開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)系統(tǒng)間的通訊實(shí)現(xiàn)分散的控制和監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)采用以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議通訊，網(wǎng)絡(luò)底層采用UDP結(jié)構(gòu)，并支持網(wǎng)關(guān)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

3.2.1Peer-Link同級(jí)通訊

Peer-Link同級(jí)通訊，即不同的系統(tǒng)之間通過(guò)單獨(dú)或者冗余的通訊網(wǎng)絡(luò)建立通訊。通過(guò)這種方式，不同的系統(tǒng)之間可以實(shí)現(xiàn)與安全應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的交換。這種同級(jí)通訊最多可以讓40套獨(dú)立的系統(tǒng)連接在一起。

3.2.2工程師工作站

工程師工作站是系統(tǒng)組態(tài)軟件以及相關(guān)硬件(通常是一臺(tái)式PC 或者一臺(tái)便攜式PC)的總稱?；赪indows NT的IEC1131 Toolset組態(tài)軟件和計(jì)算機(jī)組成了系統(tǒng)的工程師工作站。運(yùn)行IEC1131 Toolset的工程師工作站(中心站)可以通過(guò)RS485或以太網(wǎng)(TCP/IP)連接到多個(gè)控制器。運(yùn)行IEC1131 Toolset的就地便攜式工程師工作站，可以直接連到三重化處理器模塊上的RS232診斷口，進(jìn)行系統(tǒng)日常維護(hù)等工作。

3.2.3操作員工作站

安全系統(tǒng)通常設(shè)有一個(gè)操作員工作站。系統(tǒng)可以通過(guò)OPC、內(nèi)部協(xié)議或MODBUS協(xié)議連接多臺(tái)操作員工作站。通訊模塊提供的MODBUS通訊非常靈活。組態(tài)I/O卡件時(shí)，采用網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)定，即可建立用MODBUS協(xié)議通訊的點(diǎn)。

3.2.4過(guò)程歷史

過(guò)程歷史采用應(yīng)用程序中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)格式來(lái)記錄，把相關(guān)的變量記錄成一個(gè)表格?；赪indows的過(guò)程歷史采集軟件以圖形化的方式顯示這些數(shù)據(jù)。

3.2.5報(bào)警記錄

所有的報(bào)警均被記錄在三重化處理器中，每條報(bào)警信息都包括報(bào)警發(fā)生的位置和發(fā)生的時(shí)間。處理器模塊中的報(bào)警記錄可以通過(guò)處理器前面板上的診斷口，使用基于Windows的超文本(HTML)終端進(jìn)行讀取。

3.3 CCC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

系統(tǒng)控制站安裝于壓縮控制室的機(jī)柜室，4臺(tái)操作臺(tái)安裝于壓縮操作臺(tái)上，各操作員站對(duì)應(yīng)為獨(dú)立的工程師站，相互之間不再受影響。兩個(gè)操作系統(tǒng)之間的IO信號(hào)傳遞皆有硬線相連接或者用數(shù)據(jù)接口傳遞。另外，系統(tǒng)采用了處于透平機(jī)械控制領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者地位的渦輪機(jī)組控制專業(yè)解決方案的透平機(jī)械控制應(yīng)用軟件包TrainWare，在保證機(jī)組最大運(yùn)行可靠度的同時(shí)，優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行和工藝操作，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和擴(kuò)大機(jī)組運(yùn)行區(qū)域，從而適應(yīng)裝置負(fù)荷的大幅變動(dòng)；在人機(jī)交互界面組態(tài)方面，采用了可實(shí)現(xiàn)在線上裝/下裝的工程師組態(tài)維護(hù)工具軟件包Configurator以及全面采用OPC技術(shù)的壓縮機(jī)專用的人機(jī)界面軟件TrainView Ⅱ。

CCC控制系統(tǒng)過(guò)程狀態(tài)數(shù)據(jù)(開關(guān)位置，傳送讀入等)由輸入模塊檢測(cè)。過(guò)程狀態(tài)數(shù)據(jù)被存在每一個(gè)輸入模塊緩存中，然后信息被傳送到三重化冗余模塊的內(nèi)部總線IMB上。TMR處理器讀入并且表決過(guò)程狀態(tài)信息，然后處理器執(zhí)行保存在內(nèi)存中的應(yīng)用程序。處理器運(yùn)行為三重化，彼此之間共享信息，并且以同步方式運(yùn)行。TMR處理器計(jì)算得到輸出指令并將其發(fā)送到輸出模塊，三重化輸出命令被發(fā)送回IMB總線，再到輸出模塊上；輸出模塊接受命令并且表決數(shù)據(jù)，經(jīng)多數(shù)表決后的命令驅(qū)動(dòng)輸出電路。系統(tǒng)以非常高的速度連續(xù)地重復(fù)這種掃描順序，并提供連續(xù)的容錯(cuò)控制。如果一個(gè)內(nèi)部電路在系統(tǒng)內(nèi)失效，輸出表決通過(guò)，故障將被通告，處理器繼續(xù)運(yùn)行而不會(huì)有任何中斷。CCC控制系統(tǒng)配置框圖如圖2。

圖2 CCC控制系統(tǒng)配置框圖

3.4 模塊通用設(shè)計(jì)參數(shù)(表1)

表1 模塊通用設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表

3.5 操作環(huán)境要求(表2)

表2 操作環(huán)境要求

4 控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試

為了不影響整個(gè)裝置的安全生產(chǎn)，我們把氨壓機(jī)的這次改造定在機(jī)組大修期間進(jìn)行。首先，聯(lián)系廠家及工藝工程師協(xié)同對(duì)改造系統(tǒng)進(jìn)行整體規(guī)劃；工藝系統(tǒng)有特殊要求的聯(lián)鎖，要采取相應(yīng)的安全措施。在系統(tǒng)升級(jí)改造過(guò)程中，遵照規(guī)范進(jìn)行，做好接地防護(hù)，避免因施工對(duì)機(jī)柜間的硬件及線路造成損壞。另外，據(jù)工藝設(shè)備人員提出的聯(lián)鎖和控制步驟進(jìn)行逐級(jí)改造，彼此之間進(jìn)行方案確認(rèn)；針對(duì)改造的控制回路進(jìn)行回路聯(lián)校，IO控制點(diǎn)逐一排查確認(rèn)，確保改造順利完成。

完工后，我們聯(lián)系人員進(jìn)行試車，由工藝工程師親自監(jiān)護(hù)運(yùn)行。在升速完成后，機(jī)組防喘振閥逐一投用，進(jìn)行自動(dòng)控制試驗(yàn)。

5 改造效果

改造后，氨壓機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，所有防喘振閥均可投運(yùn)于自動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行狀況下，防喘振閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，極大地降低了能耗；防喘振閥動(dòng)作迅速，保證了機(jī)組投運(yùn)初期防喘振閥也能投運(yùn)于自動(dòng)狀態(tài)，這更加有利于減少回流量，減少不必要的放空，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。而且，優(yōu)化了喘振控制、性能控制和回路間的解耦控制，消除了氨壓機(jī)的喘振威脅，尤其是防喘振閥的自動(dòng)控制，能有效地保證機(jī)組始終處于最優(yōu)控制狀態(tài)，從而避免隨機(jī)事件造成的事故停車。此外，氨壓機(jī)防喘振控制系統(tǒng)升級(jí)改造后，更能夠保證機(jī)組運(yùn)行的可靠性，減輕了工藝人員的負(fù)擔(dān)，也保障了整個(gè)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]張亞停.CO2壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)技術(shù)改造[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2014，40(3)：61～64.