葉方軍

（中國(guó)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(jī)組控制系統(tǒng)[1]（CCS）承擔(dān)著9套壓縮機(jī)組的控制及聯(lián)鎖功能，其中氫壓機(jī)組由壓縮機(jī)組、齒輪機(jī)組和汽輪機(jī)組三部分構(gòu)成，是裝置的核心控制部分之一。該機(jī)組控制系統(tǒng)已運(yùn)行十多年，硬件及軟件已難以滿足實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行需求。為了保證氫壓機(jī)組安全、平穩(wěn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行，提高自動(dòng)控制的可靠性，確保安全生產(chǎn)，更好地發(fā)揮裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。

1 控制系統(tǒng)改造必要性評(píng)價(jià)

1.1 控制系統(tǒng)軟硬件提升需求

氫壓機(jī)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(yīng)用DOS平臺(tái)，畫面編輯采用工控組態(tài)軟件FIX32實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)自投運(yùn)后經(jīng)過十多年運(yùn)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(gòu)置，控制系統(tǒng)處于非安全狀態(tài)。

1)控制編程軟件應(yīng)用DOS平臺(tái)，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(duì)冗余電源模塊對(duì)整個(gè)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(fù)擔(dān)起全部負(fù)載而造成機(jī)組停機(jī)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(jī)組控制系統(tǒng)需要對(duì)功能性進(jìn)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(jī)組的干氣密封控制功能。因該機(jī)組原有密封已改為干氣密封，但機(jī)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(yīng)與機(jī)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(shí)現(xiàn)[2]。該次改造需要將邏輯控制部分內(nèi)容補(bǔ)充到機(jī)組控制系統(tǒng)中。

3)受氫壓機(jī)組控制系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)配置數(shù)量局限，對(duì)往復(fù)機(jī)組允許開機(jī)、啟停油加熱器、盤車開關(guān)等邏輯功能的實(shí)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(diǎn)數(shù)，完成由繼電器實(shí)施控制邏輯向CCS實(shí)現(xiàn)控制邏輯的轉(zhuǎn)變。

4)受控制系統(tǒng)I/O配置數(shù)量局限，往復(fù)機(jī)組軸振儀表未能接入氫壓機(jī)組控制系統(tǒng)，操作者無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)組的機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)。該次控制系統(tǒng)改造將增加I/O點(diǎn)數(shù)，完善往復(fù)機(jī)組的機(jī)械運(yùn)行監(jiān)測(cè)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(jī)組控制系統(tǒng)需要對(duì)安全性進(jìn)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(jī)組控制系統(tǒng)集成了2套裝置9臺(tái)壓縮機(jī)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(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)失電的情況再次發(fā)生。安全性方案對(duì)每個(gè)機(jī)柜供電均采用獨(dú)立冗余電源配置，使供電模式具有可靠性和安全性。

2)適應(yīng)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(dú)立設(shè)置壓縮機(jī)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(shí)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(jī)組安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行創(chuàng)造了條件，也適應(yīng)了生產(chǎn)操作和管理的需求。

2 控制系統(tǒng)改造實(shí)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(jí)。系統(tǒng)軟件升級(jí)到最新版本；處理器、通信模塊、I/O模塊等升級(jí)，與原有系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)I/O模塊布置一致。

2)升級(jí)改造后的氫壓機(jī)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(duì)硬件升級(jí)時(shí)，對(duì)硬件配置的功能和安全性作了具體的措施落實(shí)。

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(shù)的CCS[5]，核心硬件采用具有三重化冗余容錯(cuò)（TMR）結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)控制器。

2)每一個(gè)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(diǎn)協(xié)處理器具備TüV AK6級(jí)的安全認(rèn)證。

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

4)系統(tǒng)中所有的I/O信號(hào)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(dú)立的卡件箱。

2)所有I/O卡件均采用三重冗余結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)要求，具有識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，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(gè)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(cè)試及診斷。

2)通過工程師站，可以在離線和在線狀態(tài)下進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)、修改、設(shè)置相關(guān)參數(shù)。并可在程序運(yùn)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(bào)警及動(dòng)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(bào)警及動(dòng)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(zhǎng)度，并可對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾和排序，所記錄的數(shù)據(jù)能以其他文件格式進(jìn)行導(dǎo)出。

5)順序事件記錄的分辨率為毫秒級(jí)，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(hào)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(jī)組調(diào)試開機(jī)過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)速指示偏差，經(jīng)分析計(jì)算，問題得以解決。

3.1 問題過程描述

系統(tǒng)調(diào)試結(jié)束后，在機(jī)組試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)1號(hào)連續(xù)重整汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)速指示明顯偏低?；仡櫃C(jī)組控制系統(tǒng)的改造情況，改造并未對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備作變動(dòng)，信號(hào)電纜也保持原樣，只對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)控制系統(tǒng)的安全柵做了全部更新，針對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)異常，對(duì)安全柵組態(tài)進(jìn)行了復(fù)查。

3.2 問題分析

3.2.1 一般判斷

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

2)對(duì)于脈沖信號(hào)，其物理意義為旋轉(zhuǎn)1周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，脈沖數(shù)為整數(shù)值，可轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)輸出機(jī)組的轉(zhuǎn)速。

3)一般情況下汽輪機(jī)組有確定的齒數(shù)，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)固定，安全柵組態(tài)時(shí)只要輸入脈沖數(shù)即可得到對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速指示。

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行對(duì)比，得出以下幾方面結(jié)論：

1)由于整臺(tái)機(jī)組儀表硬件安裝已完成，汽輪機(jī)齒數(shù)從機(jī)械上無(wú)法直觀獲取，原始機(jī)組資料也未標(biāo)識(shí)，安全柵組態(tài)中需設(shè)置脈沖信號(hào)的數(shù)據(jù)無(wú)法得到。

2)根據(jù)氫壓機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)速探頭安裝情況觀察：汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)速探頭并非安裝于汽輪機(jī)，而是安裝在變速箱上，變速箱測(cè)得的轉(zhuǎn)速并非汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，兩者需通過轉(zhuǎn)速比進(jìn)行換算。

3)經(jīng)對(duì)機(jī)組試運(yùn)轉(zhuǎn)記錄數(shù)據(jù)比較，得到實(shí)際測(cè)出的鍵相轉(zhuǎn)速指示是變速箱轉(zhuǎn)速指示的1.11倍。

3.3 脈沖設(shè)置參數(shù)的復(fù)核還原

脈沖設(shè)置參數(shù)的復(fù)核還原包括以下幾方面：

1)復(fù)核思路。安全柵接受脈沖信號(hào)只能為整數(shù)值，非整數(shù)值無(wú)法適用脈沖信號(hào)。因此，安全柵的設(shè)置只有通過輸入頻率信號(hào)才能得到轉(zhuǎn)速輸出[9]。

2)復(fù)核參數(shù)。對(duì)汽輪機(jī)鍵相指示值與安全柵輸出變速箱轉(zhuǎn)速指示值比較，再經(jīng)過理論計(jì)算，獲取還原的參數(shù)，計(jì)算過程如下：

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

當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速量程為0～11 000 r/min，變速箱轉(zhuǎn)速比為1.11時(shí)，通過計(jì)算得出f=165.165 Hz。將頻率信號(hào)設(shè)置到安全柵的輸入信號(hào)，完成組態(tài)下裝后，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速指示恢復(fù)正常。

4 結(jié) 論

通過對(duì)連續(xù)重整氫壓機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，消除了機(jī)組控制系統(tǒng)的安全隱患，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，減少了系統(tǒng)故障率，減少了技術(shù)人員維護(hù)工作量及備品備件的儲(chǔ)備量，避免了因系統(tǒng)故障引起的非計(jì)劃停車，確保了連續(xù)重整氫壓機(jī)組能夠穩(wěn)定、安全、長(zhǎng)周期的運(yùn)行，同時(shí)能進(jìn)一步改善生產(chǎn)操作和管理?xiàng)l件，為裝置優(yōu)化控制打下良好的基礎(chǔ)。