高玉坤（1975-）

男，吉林省吉林市人，1998年畢業(yè)于吉林化工學院工業(yè)自動化專業(yè)，現(xiàn)工作于中國石油吉林石化分公司乙烯廠儀表車間，工程師，從事化工裝置控制系統(tǒng)的運行維護管理工作。

摘要：文中以吉林石化70萬噸/年乙烯裝置裂解氣壓縮機為例，介紹了機組控制系統(tǒng)冗余功能的設(shè)計方案及實現(xiàn)方法，闡述了冗余控制對機組系統(tǒng)可靠運行的重要性。

關(guān)鍵詞：壓縮機；控制；冗余；可靠性

Abstract: Taking the Cracked Compressor, which serves Ethylene Plant of JiLin PetroChemical
 Company, as an example, this paper introduces the design scheme and implementation of 
redundant functions of control system.. The importance of redundant control to reliable 
running of compressor is also emphasized in this paper.

Key words: Compressor; control; redundancy; reliability

    現(xiàn)代化工裝置中，透平壓縮機組的控制是比較復雜的控制。如何有效地保證控制系統(tǒng)的安全性，減少由于控制系統(tǒng)硬件原因?qū)е碌臋C組停車事故發(fā)生，是保證裝置穩(wěn)定運行的重要前提。文中以吉林石化70萬噸/年乙烯裝置裂解氣壓縮機為例闡述了機組控制系統(tǒng)冗余功能的設(shè)計方案及實現(xiàn)方法，從設(shè)計上提高了控制系統(tǒng)運行的可靠性。

1 機組簡介

    吉林石化70萬噸/年乙烯裝置裂解氣壓縮機組控制系統(tǒng)采用的是GE公司的Micronet  5009  TMR 集成機組控制系統(tǒng)（Integrated Turbine &Compressor Control）。該控制系統(tǒng)將調(diào)速控制、性能控制、防喘振控制、聯(lián)鎖控制等集于一身。為了確保機組的運行安全，該控制系統(tǒng)從供電系統(tǒng)、ITCC硬件、軟件設(shè)計、操作等幾方面均作了冗余考慮，能夠避免由于單一控制元件的損壞而造成的非計劃停車事故發(fā)生，并在實際應(yīng)用中收到了良好的效果。

2 冗余功能的實現(xiàn)

2.1 硬件冗余

2.1.1 ITCC硬件冗余

    乙烯裝置裂解氣壓縮機組控制系統(tǒng)的主機架有三個獨立Kernel單元，任意兩個Kernel單元正常工作都能夠保證系統(tǒng)的運行。每個Kernel單元由電源模塊、CPU模塊、串行通訊SIO模塊、遠程XCVR模塊、I/O模塊等組成。每個I/O模塊連接獨立的端子板（FTM）。每個CPU模塊在運行前均進行硬件自診斷，相互間進行時鐘同步。CPU卡件上部的狀態(tài)指示燈會顯示CPU的當前運行狀態(tài)。自檢通過后，“RUN”燈點亮。否則，相應(yīng)的故障指示燈點亮。任意一個CPU所采集的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過三個CPU的計算，計算后對輸出結(jié)果進行雙向數(shù)據(jù)表決，最后分別由單個CPU輸出正確的計算結(jié)果，并通過FTM送出（如圖1所示）。當任意一個CPU計算結(jié)果出現(xiàn)錯誤時，另兩個CPU會通過對計算結(jié)果的表決剔除壞值，實現(xiàn)了控制功能的冗余。
 

                                   圖1   CPU容錯系統(tǒng)示意圖

    由于機組的控制及聯(lián)鎖信號較多，如果都采用三重冗余將占用大量的硬件資源。為有效地利用系統(tǒng)資源，吉化乙烯裝置裂解氣壓縮機組控制系統(tǒng)的I/O信號分為兩個等級：

    一類信號是可以導致整個機組的失控、停車、設(shè)備損壞等，這類信號我們采用了三取二表決來實現(xiàn)。三取二信號主要由三個Kernel單元內(nèi)的CPU分別對現(xiàn)場采集的信號進行處理（如圖2所示），計算后再分別輸出到執(zhí)行元件，可避免單一測量元件和傳輸線路引發(fā)的故障，實現(xiàn)了回路完全冗余。這是和系統(tǒng)本身的單個FTM實現(xiàn)的三取二表決是有區(qū)別的。用于調(diào)速、聯(lián)鎖、防喘振、超速保護的輸出信號均通過此發(fā)生實現(xiàn)冗余。如轉(zhuǎn)速控制、控制油壓力聯(lián)鎖、復水器調(diào)節(jié)閥、控制油跳閘電磁閥的輸出等。
 

                                      圖2   I/O冗余示意圖

    另一類信號主要是用于顯示、報警功能的信號，采用雙重冗余。這些信號如果出現(xiàn)故障，不會引起嚴重的后果，我們把這些信號只通過B、C兩個CPU進行處理。

2.1.2 電源冗余

    為保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定，供電系統(tǒng)采用了雙重冗余設(shè)計。冗余的每個電源功率都能夠滿足負載的要求，正常工作時根據(jù)負荷分配負載。兩路220VAC UPS5通過兩個主開關(guān)輸入到開關(guān)電源“#1”、“#2”，開關(guān)電源輸出的24VDC經(jīng)二級管、熔斷器后給三個Kernel 單元的供電模塊。Kernel電源供出的5VDC電源供給各自的卡件（如圖3所示）。為了避免干擾，系統(tǒng)還采用了浮空對地的設(shè)計，提高了信號傳輸?shù)目煽啃浴，F(xiàn)場I/O的電源則是通過兩路獨立的外部電源來提供的。
 

                                      圖3   冗余供電系統(tǒng)圖

2.1.3 操作界面、通訊系統(tǒng)的冗余

    為保證操作人員能夠?qū)C組進行有效的操作，乙烯裝置裂解氣壓縮機組的人機界面系統(tǒng)也采用冗余設(shè)計。DCS和上位機系統(tǒng)均能進行操作，每個系統(tǒng)的操作界面均設(shè)有一個“Local/Remote”的切換開關(guān)，能夠進行相互間的切換。所不同的是上位機采用的IFIX軟件作了SOE系統(tǒng)，能夠?qū)C組的首出報警和控制系統(tǒng)診斷及工藝過程、機組運行狀態(tài)的報警進行記錄，而DCS系統(tǒng)的是只能記錄工藝過程報警。這兩個操作界面，無論哪一個出現(xiàn)故障，均能保證操作員對機組的正常監(jiān)視、操作。

    由于系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)量交換較大，若都采用硬接線的方式，會極大的增加系統(tǒng)的容量，導致系統(tǒng)負荷過高，另一方面也會導致系統(tǒng)的成本增加。為了降低成本，ITCC和操作界面、其它控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換統(tǒng)一采用了冗余的RS485通訊方式。如DCS系統(tǒng)和ITCC系統(tǒng)之間、Bently 3500系統(tǒng)兩機架之間、上位機和Bently 3500系統(tǒng)之間等（如圖4所示）。由于RS-485通訊協(xié)議只能對整數(shù)進行傳送，數(shù)據(jù)按照數(shù)值的大小，在發(fā)送端對數(shù)據(jù)進行升冪處理，然后在接收端進行還原，保證了數(shù)據(jù)傳送的精度。并由軟件自動進行冗余通訊回路間的切換。
 

                                      圖4   冗余通訊示意圖

2.2 控制冗余

2.2.1 轉(zhuǎn)速控制冗余    

    轉(zhuǎn)速控制是機組的核心控制。通過DCS、HMI的速度設(shè)定，ITCC對轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，使透平的轉(zhuǎn)速和速度設(shè)定值的偏差盡量減小。乙烯裝置裂解氣壓縮機組的轉(zhuǎn)速是通過三個安裝在透平非驅(qū)動端的轉(zhuǎn)速探頭測量的。測量到的速度脈沖信號輸入到FTM中（如圖5所示），系統(tǒng)中的“SS_01”模塊對數(shù)據(jù)進行處理。脈沖的數(shù)量除以測速齒輪的齒數(shù)，得出透平的轉(zhuǎn)速。當轉(zhuǎn)速超過測量的高低限時，“SS_01”模塊輸出FAULT，經(jīng)過“MPUA_FLT_M”模塊判斷后剔除壞值，處理后的數(shù)據(jù)輸入到“SPEED_MON”模塊。當一路信號故障，“SPEED_MON”模塊取另兩路的轉(zhuǎn)速信號取最大值參與控制；當兩個轉(zhuǎn)速信號出現(xiàn)故障時，“SPEED_MON”模塊取剩余正確的信號參與控制。三路信號均出現(xiàn)故障時，“SPEED_MON”模塊發(fā)出停機信號，從軟件上實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速輸入的冗余。

    為了保證調(diào)速閥的可靠動作，乙烯裝置裂解氣壓縮機組的電液轉(zhuǎn)換器采用雙線圈驅(qū)動。線圈分別由“A”、 “B”兩CPU所帶的FTM進行驅(qū)動。控制通道分AA、AB、BA、BB四個控制輸出通道，每個通道正常輸出為80 mA，當一個CPU故障時，另一個CPU的兩個通道每個輸出160mA。下面以AA、AB為例介紹調(diào)速閥冗余功能的實現(xiàn)（如圖6所示）。

    轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過控制器、限制器，計算比較后，輸出調(diào)速閥控制信號。AA、AB兩個信號分別由一個A CPU 的FTM103的兩個AC通道輸出，輸出的信號經(jīng)壓接在一起（如圖7所示）。輸出電流疊加，驅(qū)動電液轉(zhuǎn)換器的線圈工作。當BA、BB組出現(xiàn)故障時，輸出的信號由“ACT_A_SEL”模塊，根據(jù)正常工作的數(shù)量，對輸出電流進行處理，最終由“ACT_01”模塊送出。四個控制回路均正確時，每組輸出1/4的工作電流，當其中一個線圈或CPU故障時，另一個CPU所帶的FTM，每個通道輸出1/2的工作電流，能夠保證一個CPU或回路出現(xiàn)故障時，調(diào)速閥仍能夠正常工作，實現(xiàn)了調(diào)速輸出的冗余。
 

                                    圖5   轉(zhuǎn)速控制MOE框圖
 

                                圖6   調(diào)速閥冗余輸出MOE框圖
 

                               圖7   調(diào)速閥冗余輸出接線圖

2.2.2 調(diào)節(jié)功能的冗余

    乙烯裝置裂解氣壓縮機組調(diào)節(jié)回路采用獨立的現(xiàn)場測量元件，ITCC內(nèi)部進行三取二冗余處理。如段間壓力、流量信號、復水器液位控制信號等；其它非關(guān)鍵的顯示、控制信號采用雙重冗余的設(shè)計原則。如復水器的液位高報信號、密封器差壓控制信號等。FTM接收的模擬信號可以為0~25mA或0~5VDC，這可以通過FTM上的電流/電壓跳線選擇來實現(xiàn)。由于電流冗余設(shè)計比較繁瑣，我們采用了0~5V電壓輸入模式。電流電壓的轉(zhuǎn)換通過端子板內(nèi)的200Ω電阻來實現(xiàn)（如圖8所示）。為了防止過流，每個輸入端子設(shè)有100mA的熔斷器。數(shù)據(jù)冗余的處理通過CPU之間的同步數(shù)據(jù)交換和表決來實現(xiàn)。

    通過軟件對每個FTM通道的輸出電流進行分配。對重要的控制回路，采用三重冗余進行控制；對不會引起嚴重后果的密封氣差壓調(diào)節(jié)、油箱溫度控制等采用雙重冗余進行控制。如三重冗余的調(diào)節(jié)閥，由每個AO通道提供1/3的電流。當一個通道故障時，由另兩個通道每個通道負責1/2的電流。實現(xiàn)輸出的冗余。通道故障的判斷原理同調(diào)速閥類似。調(diào)節(jié)回路從輸入到輸出，實現(xiàn)了全回路冗余，大大降低了由于控制原因引起機組故障問題的發(fā)生。

2.2.3 聯(lián)鎖功能的冗余

    為了避免由于采用結(jié)點開關(guān)容易受環(huán)境因素影響、回差大、故障率高的缺點，乙烯裝置裂解氣壓縮機組的壓力、溫度、流量報警及聯(lián)鎖系統(tǒng)均采用變送器的測量方式。三個獨立的測量元件經(jīng)變送輸出的4~20mA信號，輸入到三個“Kernel”的不同通道，經(jīng)過“Calc_plus”模塊判斷后，輸出三個模擬信號的平均值。通過“A_Compare” 模塊進行報警、聯(lián)鎖值的設(shè)定，比較后輸出開關(guān)信號，參與邏輯的判斷。機組的密封氣泄漏流量聯(lián)鎖、控制油、潤滑油壓力低聯(lián)鎖登均采用這種設(shè)計思想，提高了安全性能。

    數(shù)字量的輸出均采用繼電器進行隔離。三個”Kernel”的不同端子板上的繼電器，通過硬線三取二表決來實現(xiàn)（如圖9所示）。當其中的一個信號出現(xiàn)錯誤時，系統(tǒng)三取二表決后仍能夠輸出正確的結(jié)果。避免了由于繼電器接點接觸不良，信號電纜端子松動，卡件通道故障等原因造成的故障停機事件。

    另一方面，為了保證機組運行的安全，對所有的聯(lián)鎖邏輯均采用“故障安全型”設(shè)計（正常工作時狀態(tài)為“ON”，報警時狀態(tài)為“OFF”），防止由于邏輯失效而導致危險的發(fā)生；為了防止機組超速，除設(shè)計兩級電子超速外，機組還設(shè)計了獨立的3取2超速保護控制器。三個獨立的磁感應(yīng)探頭（MPU）將速度信號送入到ProTech 203系統(tǒng)中，系統(tǒng)可根據(jù)需要對MPU信號進行判斷，發(fā)出停機或報警信號，參與跳車邏輯（如圖9所示）；對執(zhí)行機組停機任務(wù)的泄油電磁閥，采用冗余并聯(lián)方式，防止由于電磁閥故障，導致的危險發(fā)生。
 

                                圖8   模擬信號冗余輸入線路圖
 

                               圖9   聯(lián)鎖信號冗余輸出線路圖

3 結(jié)束語

    在實際維護工作中我們也碰到過多次冗余系統(tǒng)避免故障的應(yīng)用事例。如Kernel“C”FTM的浮水器液位調(diào)節(jié)閥輸出通道出現(xiàn)故障，由于我們作了輸出冗余設(shè)計，另兩個冗余的通道每個輸出1/2的工作電流，沒有影響到閥門的正常工作；二段吸如罐液位開關(guān)LS_31504A出現(xiàn)的故障報警，由于冗余的設(shè)計，均沒有影響到機組的平穩(wěn)運行。在2008年裝置大檢修過程中，我們也對乙烯裝置裂解氣壓縮機組控制系統(tǒng)做了CPU冗余試驗，在任意停掉一個CPU的情況下機組均能夠正常運行，用實踐檢驗了冗余的可靠性，為乙烯裝置的安全穩(wěn)定生產(chǎn)起到了至關(guān)重要的作用。