高玉坤（1975-）

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

摘要：文中以吉林石化70萬(wàn)噸/年乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)為例，介紹了機(jī)組控制系統(tǒng)冗余功能的設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方法，闡述了冗余控制對(duì)機(jī)組系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要性。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)；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(jī)組的控制是比較復(fù)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(jī)組停車(chē)事故發(fā)生，是保證裝置穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提。文中以吉林石化70萬(wàn)噸/年乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)為例闡述了機(jī)組控制系統(tǒng)冗余功能的設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方法，從設(shè)計(jì)上提高了控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1 機(jī)組簡(jiǎn)介

    吉林石化70萬(wàn)噸/年乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)采用的是GE公司的Micronet  5009  TMR 集成機(jī)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(jī)組的運(yùn)行安全，該控制系統(tǒng)從供電系統(tǒng)、ITCC硬件、軟件設(shè)計(jì)、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(jì)劃停車(chē)事故發(fā)生，并在實(shí)際應(yīng)用中收到了良好的效果。

2 冗余功能的實(shí)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(jī)組控制系統(tǒng)的主機(jī)架有三個(gè)獨(dú)立Kernel單元，任意兩個(gè)Kernel單元正常工作都能夠保證系統(tǒng)的運(yùn)行。每個(gè)Kernel單元由電源模塊、CPU模塊、串行通訊SIO模塊、遠(yuǎn)程XCVR模塊、I/O模塊等組成。每個(gè)I/O模塊連接獨(dú)立的端子板（FTM）。每個(gè)CPU模塊在運(yùn)行前均進(jìn)行硬件自診斷，相互間進(jìn)行時(shí)鐘同步。CPU卡件上部的狀態(tài)指示燈會(huì)顯示CPU的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。自檢通過(guò)后，“RUN”燈點(diǎn)亮。否則，相應(yīng)的故障指示燈點(diǎn)亮。任意一個(gè)CPU所采集的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過(guò)三個(gè)CPU的計(jì)算，計(jì)算后對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)表決，最后分別由單個(gè)CPU輸出正確的計(jì)算結(jié)果，并通過(guò)FTM送出（如圖1所示）。當(dāng)任意一個(gè)CPU計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，另兩個(gè)CPU會(huì)通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的表決剔除壞值，實(shí)現(xiàn)了控制功能的冗余。
 

                                   圖1   CPU容錯(cuò)系統(tǒng)示意圖

    由于機(jī)組的控制及聯(lián)鎖信號(hào)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(jī)組控制系統(tǒng)的I/O信號(hào)分為兩個(gè)等級(jí)：

    一類信號(hào)是可以導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組的失控、停車(chē)、設(shè)備損壞等，這類信號(hào)我們采用了三取二表決來(lái)實(shí)現(xiàn)。三取二信號(hào)主要由三個(gè)Kernel單元內(nèi)的CPU分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)進(jìn)行處理（如圖2所示），計(jì)算后再分別輸出到執(zhí)行元件，可避免單一測(cè)量元件和傳輸線路引發(fā)的故障，實(shí)現(xiàn)了回路完全冗余。這是和系統(tǒng)本身的單個(gè)FTM實(shí)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(hù)的輸出信號(hào)均通過(guò)此發(fā)生實(shí)現(xiàn)冗余。如轉(zhuǎn)速控制、控制油壓力聯(lián)鎖、復(fù)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(hào)主要是用于顯示、報(bào)警功能的信號(hào)，采用雙重冗余。這些信號(hào)如果出現(xiàn)故障，不會(huì)引起嚴(yán)重的后果，我們把這些信號(hào)只通過(guò)B、C兩個(gè)CPU進(jìn)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(jì)。冗余的每個(gè)電源功率都能夠滿足負(fù)載的要求，正常工作時(shí)根據(jù)負(fù)荷分配負(fù)載。兩路220VAC UPS5通過(guò)兩個(gè)主開(kāi)關(guān)輸入到開(kāi)關(guān)電源“#1”、“#2”，開(kāi)關(guān)電源輸出的24VDC經(jīng)二級(jí)管、熔斷器后給三個(gè)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(duì)地的設(shè)計(jì)，提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴，F(xiàn)場(chǎng)I/O的電源則是通過(guò)兩路獨(dú)立的外部電源來(lái)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(jī)組進(jìn)行有效的操作，乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)組的人機(jī)界面系統(tǒng)也采用冗余設(shè)計(jì)。DCS和上位機(jī)系統(tǒng)均能進(jìn)行操作，每個(gè)系統(tǒng)的操作界面均設(shè)有一個(gè)“Local/Remote”的切換開(kāi)關(guān)，能夠進(jìn)行相互間的切換。所不同的是上位機(jī)采用的IFIX軟件作了SOE系統(tǒng)，能夠?qū)C(jī)組的首出報(bào)警和控制系統(tǒng)診斷及工藝過(guò)程、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的報(bào)警進(jìn)行記錄，而DCS系統(tǒng)的是只能記錄工藝過(guò)程報(bào)警。這兩個(gè)操作界面，無(wú)論哪一個(gè)出現(xiàn)故障，均能保證操作員對(duì)機(jī)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(huì)極大的增加系統(tǒng)的容量，導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)高，另一方面也會(huì)導(dǎo)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(jī)架之間、上位機(jī)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(duì)整數(shù)進(jìn)行傳送，數(shù)據(jù)按照數(shù)值的大小，在發(fā)送端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行升冪處理，然后在接收端進(jìn)行還原，保證了數(shù)據(jù)傳送的精度。并由軟件自動(dòng)進(jìn)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(jī)組的核心控制。通過(guò)DCS、HMI的速度設(shè)定，ITCC對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)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(jī)組的轉(zhuǎn)速是通過(guò)三個(gè)安裝在透平非驅(qū)動(dòng)端的轉(zhuǎn)速探頭測(cè)量的。測(cè)量到的速度脈沖信號(hào)輸入到FTM中（如圖5所示），系統(tǒng)中的“SS_01”模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。脈沖的數(shù)量除以測(cè)速齒輪的齒數(shù)，得出透平的轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)測(cè)量的高低限時(shí)，“SS_01”模塊輸出FAULT，經(jīng)過(guò)“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(dāng)一路信號(hào)故障，“SPEED_MON”模塊取另兩路的轉(zhuǎn)速信號(hào)取最大值參與控制；當(dāng)兩個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)，“SPEED_MON”模塊取剩余正確的信號(hào)參與控制。三路信號(hào)均出現(xiàn)故障時(shí)，“SPEED_MON”模塊發(fā)出停機(jī)信號(hào)，從軟件上實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速輸入的冗余。

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

    轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)過(guò)控制器、限制器，計(jì)算比較后，輸出調(diào)速閥控制信號(hào)。AA、AB兩個(gè)信號(hào)分別由一個(gè)A CPU 的FTM103的兩個(gè)AC通道輸出，輸出的信號(hào)經(jīng)壓接在一起（如圖7所示）。輸出電流疊加，驅(qū)動(dòng)電液轉(zhuǎn)換器的線圈工作。當(dāng)BA、BB組出現(xiàn)故障時(shí)，輸出的信號(hào)由“ACT_A_SEL”模塊，根據(jù)正常工作的數(shù)量，對(duì)輸出電流進(jìn)行處理，最終由“ACT_01”模塊送出。四個(gè)控制回路均正確時(shí)，每組輸出1/4的工作電流，當(dāng)其中一個(gè)線圈或CPU故障時(shí)，另一個(gè)CPU所帶的FTM，每個(gè)通道輸出1/2的工作電流，能夠保證一個(gè)CPU或回路出現(xiàn)故障時(shí)，調(diào)速閥仍能夠正常工作，實(shí)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(jī)組調(diào)節(jié)回路采用獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量元件，ITCC內(nèi)部進(jìn)行三取二冗余處理。如段間壓力、流量信號(hào)、復(fù)水器液位控制信號(hào)等；其它非關(guān)鍵的顯示、控制信號(hào)采用雙重冗余的設(shè)計(jì)原則。如復(fù)水器的液位高報(bào)信號(hào)、密封器差壓控制信號(hào)等。FTM接收的模擬信號(hào)可以為0~25mA或0~5VDC，這可以通過(guò)FTM上的電流/電壓跳線選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于電流冗余設(shè)計(jì)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(guò)端子板內(nèi)的200Ω電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)（如圖8所示）。為了防止過(guò)流，每個(gè)輸入端子設(shè)有100mA的熔斷器。數(shù)據(jù)冗余的處理通過(guò)CPU之間的同步數(shù)據(jù)交換和表決來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    通過(guò)軟件對(duì)每個(gè)FTM通道的輸出電流進(jìn)行分配。對(duì)重要的控制回路，采用三重冗余進(jìn)行控制；對(duì)不會(huì)引起嚴(yán)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(jìn)行控制。如三重冗余的調(diào)節(jié)閥，由每個(gè)AO通道提供1/3的電流。當(dāng)一個(gè)通道故障時(shí)，由另兩個(gè)通道每個(gè)通道負(fù)責(zé)1/2的電流。實(shí)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(shí)現(xiàn)了全回路冗余，大大降低了由于控制原因引起機(jī)組故障問(wèn)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(diǎn)開(kāi)關(guān)容易受環(huán)境因素影響、回差大、故障率高的缺點(diǎn)，乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)組的壓力、溫度、流量報(bào)警及聯(lián)鎖系統(tǒng)均采用變送器的測(cè)量方式。三個(gè)獨(dú)立的測(cè)量元件經(jīng)變送輸出的4~20mA信號(hào)，輸入到三個(gè)“Kernel”的不同通道，經(jīng)過(guò)“Calc_plus”模塊判斷后，輸出三個(gè)模擬信號(hào)的平均值。通過(guò)“A_Compare” 模塊進(jìn)行報(bào)警、聯(lián)鎖值的設(shè)定，比較后輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，參與邏輯的判斷。機(jī)組的密封氣泄漏流量聯(lián)鎖、控制油、潤(rùn)滑油壓力低聯(lián)鎖登均采用這種設(shè)計(jì)思想，提高了安全性能。

    數(shù)字量的輸出均采用繼電器進(jìn)行隔離。三個(gè)”Kernel”的不同端子板上的繼電器，通過(guò)硬線三取二表決來(lái)實(shí)現(xiàn)（如圖9所示）。當(dāng)其中的一個(gè)信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，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(diǎn)接觸不良，信號(hào)電纜端子松動(dòng)，卡件通道故障等原因造成的故障停機(jī)事件。

    另一方面，為了保證機(jī)組運(yùn)行的安全，對(duì)所有的聯(lián)鎖邏輯均采用“故障安全型”設(shè)計(jì)（正常工作時(shí)狀態(tài)為“ON”，報(bào)警時(shí)狀態(tài)為“OFF”），防止由于邏輯失效而導(dǎo)致危險(xiǎn)的發(fā)生；為了防止機(jī)組超速，除設(shè)計(jì)兩級(jí)電子超速外，機(jī)組還設(shè)計(jì)了獨(dú)立的3取2超速保護(hù)控制器。三個(gè)獨(dú)立的磁感應(yīng)探頭（MPU）將速度信號(hào)送入到ProTech 203系統(tǒng)中，系統(tǒng)可根據(jù)需要對(duì)MPU信號(hào)進(jìn)行判斷，發(fā)出停機(jī)或報(bào)警信號(hào)，參與跳車(chē)邏輯（如圖9所示）；對(duì)執(zhí)行機(jī)組停機(jī)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(dǎo)致的危險(xiǎn)發(fā)生。
 

                                圖8   模擬信號(hào)冗余輸入線路圖
 

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

3 結(jié)束語(yǔ)

    在實(shí)際維護(hù)工作中我們也碰到過(guò)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(jì)，另兩個(gè)冗余的通道每個(gè)輸出1/2的工作電流，沒(méi)有影響到閥門(mén)的正常工作；二段吸如罐液位開(kāi)關(guān)LS_31504A出現(xiàn)的故障報(bào)警，由于冗余的設(shè)計(jì)，均沒(méi)有影響到機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行。在2008年裝置大檢修過(guò)程中，我們也對(duì)乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)做了CPU冗余試驗(yàn)，在任意停掉一個(gè)CPU的情況下機(jī)組均能夠正常運(yùn)行，用實(shí)踐檢驗(yàn)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。