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1、1先控理念在 TPS 系统和 TMR 三重化冗余 TRICON紧急停车系统中实现应用程序转化和移植问题的探讨刘建宇 大庆炼化公司机电仪厂 0459-5613842摘要：大庆炼化公司 180 万吨年 ARGG 装置备用风机的防喘振控制采用美国 TRICONEX 公司的 TS3000 系统。本文重点分析用先控理念将轴流风机的防喘振控制的程序，即三重化 TRICON 系统中用 LAD 梯形逻辑语言编写的源程序移到 HONEYWELL 公司 TPS 系统中，用 TPS 系统中的RV、RC、Logic 及 CL 程序等完整的建立一套防喘振控制方案，并用Display Builder 实现防喘振曲线图。并
2、通过一个简单的批量进料过程的优化控制的模拟，介绍 Honeywell 公司的 TPS 集散控制系统的逻辑控制功能及其它模块的功能，旨在于开发 DCS 的先进控制功能。同时将应用程序转化到富士智能调节器 PNA3-211 和 SIEMENS 的 S7-200 系列 PLC 中，完整地建立一套新的应急控制系统，实现备机的防喘振控制和逻辑联锁控制。来阐述化工自动化专业技术中应用程序的转化和移植的思路及具体实施方案，探讨先控技术和优化技术在实际应用中的现实意义。关键词：轴流式压缩机、防喘振控制、程序移植、防喘振曲线图、先控技术、复杂控制、批量进料、离线仿真。防喘振控制方案研究一、程序移植的历史背景及现
3、实意义大庆炼化公司 180 万吨年 ARGG 装置三机组（轴流风机、烟机、主电机）控制系统是 TRICONEX 公司的 TS3000 控制系统，如图 1，自 1998 年投运以来运行平稳，但自2002 年控制系统频繁出现烧卡的现象（参见附表） ，已更换各类卡件 18 块，严重地威胁装置的安全生产。对此，炼化公司领导非常重视，曾多次组织召开专业技术分析会，组织仪表及电气等技术人员对整个系统详细检查，同时联系了北京设计院 、陕鼓、美国TRICONEX 公司、ELLIOTT 公司，及施工单位中油一公司，于 2000 年 6 月召开三天专业分析会，分析故障原因。各单位一致认为对接地系统及电源系统要进行
4、检查、测试和整改。并于 2002 年装置停工检修期间进行了彻底整改，耗资约 30 余万元。2例如：2003 年 4 月 2 日 ARGG 装置主风机 TRICON 控制系统的 MP-A 及一块 DI 和DO 卡件出现故障，经过处理，DI 卡的故障清除，MP-A 和 DO 卡被更换。与此同时，仪表专业迅速和北京 TRICONEX 公司取得联系，并将故障诊断信息传真给该公司总部，共同进行详细的分析。对此，厂家也很头疼，毕竟这种故障现象在该公司 21 年发展史上是第一次遇见。2003 年 4 月 16 日上午 8：30 分发现 MP-A 的 PASS 灯灭，FAULT 及 MAIT 灯亮，所有 I/
5、O 卡的 PASS 灯灭、FAULT 灯亮。但诊断显示所有 I/O 正常。重新插拔 MP-A 后，所有卡件恢复正常。上午 10：55 分，再次出现相同故障。重新插拔 MP-A 后，MP-A 能恢复但 I/O 卡件时好时坏，并有故障信息显示。2003 年 4 月 17 日和 18 日北京 TRICONEX 公司派工程师到现场协助检查，认为 I/O卡件是好的，故障显示问题出在 MP-A 与 I/O 卡件的通讯上。用备件逐一激活 I/O 卡件，使所有 I/O 卡件 PASS 灯亮。但导致出现问题的原因尚未查请。存在问题扩大化以致系统瘫痪不能运行的可能。由于 ARGG 装置在炼化企业中的特殊作用，一旦
6、 ARGG 三机组停运，将使反应器中催化剂不能流动，使反应/再生系统催化剂闷床，如果不能在短期内启动备用风机，随着反应系统温度的下降，将使催化剂闷死在反应系统，造成重大经济损失，从而给后序装置产生重大影响。为保证生产，公司成立技术攻关组，利用富士智能调节器及西门子S7200PLC 创建一套应急系统，保证在彻底整改前事故情况下紧急启动备机系统。借此机会，仪表专业对防喘振的源程序进行了认真的解读，发现在 TPS 系统中完全可以实现该功能，与源程序相比，技术上更可靠，功能上更丰富，控制精度更高。在此，图1 主风机TRICON系统配置示意图3笔者对自动化专业应用程序的转化和移植的思路及方案做以详尽的阐
7、述，旨在促进专业技术的交流与应用。1 1、防喘振控制方案分析、防喘振控制方案分析就目前国内外炼化企业来看，防喘振控制通常用两种方法：一是早期专用的防喘振控制器，如 WORDWARD 公司的 505C 控制器、ELLIOT 公司的 ASCC 控制器等；二是目前常用的PLC 专用软件包。如 GE 公司的 9070 系列 PLC（用 Logic Master 或 Field Control 编的软件包） 、TRICONEX 公司的 TS3000（用 MSW311 或 TS1131 软件包）等。但每个厂家出于对知识产权的保护，均不会公开其防喘振控制的算法。专用的控制器只给用户提供接口参数，专用的软件包
8、是用高级语言编写的软件包（如语言） 。用户无法打开，只能在程序中调用。这些技术封索直接影响用户对防喘振控制方案的深入理解，给程序的移植带来了相当大的难度。笔者通过对多套机组喘振方案的研究，发现只有 TS3000 系统中的源程序对用户是相对开放的，于是对其进行了反复实验，最终弄清了其算法。这种算法仅仅是不同厂家、不同设备中众多算法中常用的，也是相对减化的算法。、防喘振控制的主要功能喉部差压低选、出口压力高选喉部差压温度补偿算法喉部差压和比例增益参数的折线运算防喘振线下移功能可远程给定的 PID 运算实现放空阀的快开慢关功能实现两个放空阀的分程控制实现联锁停机放空阀自动打开控制实现防喘振曲线图、防
9、喘振控制技术方案根据测量压缩机的喉部差压、出口压力、入口温度这三量，TRICONEX 有一套完整的喘振技术，该算法中气体分子量变化不会影响机组的防喘振控制。当风机正常运行时，它的工作点应该在图 2 防喘振线的下方，此时偏差 ePVSP0，调节器的作用方式为反作用。当工作点越过防喘振线4并在其上方时，即偏差 e0 时，则要求防喘振阀快速打开。由于防喘振阀的打开，使工作点开始回到防喘振线以下时，阀的动作又应减慢，即要求防喘振阀在开关时，是以变速动作的。在偏差 e0 时,放空阀打开的快速取决于 PID 参数比例增益 K 的自适应能力（自动增大或减小） ，如果 K 值不变，放空阀则以正常的速度打开（一
10、般要求在 3 秒钟之内） ；而当喘振发生的趋势得以控制时，即偏差 e0 时，放空阀则以 0.1%渐进式缓慢关闭。防喘振控制算法，是通过温度补偿后的喉部差压值（防喘振曲线的横坐标 X 轴）经过折线运算得出的出口压力作为 PID 控制的设定值 SP（防喘振曲线的纵坐标 Y 轴） ，来控制测量值出口压力 PV。防喘振控制的偏差 ePVSP 即为出口压力的控制偏差。防喘振 PID作用为反作用，正常状况下偏差 e0，当 e0 时发生喘振。防喘振控制框图如图 3 所示。喉部差压P出口压力 P 喘振线防喘振线工作点0%100%100%图 2 防喘振性能曲线图喘振线cbxad温度补偿折线运算喘振检测比例 K
11、折线运算防喘振线移动PID 运算快开慢关输出置 0%分程控制出口压力PT1841A/B高选低选喉部差压 PDT1840A/B比例增益 K值SP 值PV 值ASV1840ASV1841（气关阀）注：积分系数保持不变为 4入口温度 TE18405当偏差 e 大于 2%时系统发出喘振报警，当偏差 e 大于 7%并且逆流报警存在，则防喘振线下移 1%。为了保证风机的功效，最多下移 5 次，还设置了手动复位功能。当防喘振线下移时，此时的设定值 SP 为折线算出的 SP减去移动次数 N 乘以下移量 1%。即：SP SPN1%。PID 参数比例增益 K 自整定功能是通过折线运算实现的，共 11 点坐标形成
12、3 段斜坡折线得出 K。在没有发生喘振情况下，当偏差 e 大于 0.1%时（即喘振条件具备）发生喘振，K 值自动置为初始值 90，然后 K 通过和折线运算后的 K计算逐渐减小。计算公式：K（9025.0）（K25.0）当偏差 e 小于 0.1%时，K 值值保持不变。在比例增益 K 值自动变化过程，积分 T1 值始终为 4，微分 T2 值始终为 0。如图 4 所示。2、原 TMR 三重化冗余 TRICON 系统的配置ARGG 装置配置了烟机、主风机、备用主风机各一台，增压机两台。根据风量主风机和备用主风机选用轴流压缩机，驱动机选用烟机和电机，注意：备用主风机组无烟机。该大型机组的防喘振控制、静叶
13、控制、轴系监控、启停机顺序控制、联锁逻辑控制（ESD）等均由 TRICON 系统的 TS3000 硬件来实现。系统配制简图如图 5 所示。图 3 防喘振控制框图联锁停机信号偏差 e100100比例 P0801048.6 48.83049.8图 4 比例增益 P 的折线运算6防喘振程序的转化和移植这里主要讨论二个主要的技术问题：一是在富士智能调节器 PNA3-211 实现备机的防喘振控制和防逆流控制；二是在 TPS 系统中利用先控理念实现压缩机的防喘振控制。程序移植方案一：建立备机应急控制系统确定方案的最终日期为 2003 年 4 月 20 日，截至 28 日止所有的硬件设备就绪，仪表专业仅用
14、3 天时间就完成了系统的组态和机柜内的接线工作。后用 3 天时间进行调试，到5 月 3 日为止全部完毕，具备了应急使用的要求。在方案具体实施过程中，我们得到了各级领导的热心关注和大力支持，同时也感觉责任和压力是非常重大的。责任之重大，关系到我公司重中之重之装置 ARGG 的安全生产，进而是显著的经济效益和良好的社会效益的影响。压力之重大，在于方案在实施过程中的技术难度之大、时间之紧迫、准确性之精高，是对我们全新的考验。鉴于此，我们临时成立了攻关小组，并成立了组织机构，明确了每个人的分工和责任。分工明确方能各负其责。在方案具体实施过程中，我们兵分二路：一组负责 PLC 组态和编程；一组负责以防喘
15、振控制为重点的复杂控制和静叶控制、防逆流保护等常规控制及监视功能的组态和编程。TS3000 系统 3500 系统1#操作站2/3#操作站工程师站SOE 站TPS 系统GUS 站烟机风机电机现场 I/O 系统图 5 TRICON 系统配置图1#增压机油系统2#增压机7一、防喘振控制功能的具体实施方案ARGG 备用主风机组共有仪表回路 117 个，由于受现有控制系统点数的限制和系统应急特殊性的要求，经攻关组开会研究决定对防喘振控制等复杂控制进行必要的和适当的简化，同时删去不重要的仪表回路，最终审定关键回路为 62 个。我们结合目前公司旧设备的实际情况，防喘振控制、静叶控制、防逆流保护等我们选定用富
16、士智能调节器实现。大量的模拟量显示回路用多点无纸记录仪监视，数字量报警用多点闪光报警指示仪实现。机柜用的是废弃的旧机柜，我们经过改造和刷漆，作为工艺的操作盘。新制作一个控制盘，架装 SIEMENS 的 S7-200 系列 PLC 作为 ESD，用于备机的联锁及油泵的自启动控制。系统配制简图如图 5 所示。1、用西门子的 S7-200 系列 PLC 及继电器等实现备机及增压机的联锁控制2、用富士智能调节器 PNA3-211 实现备机的防喘振控制、防逆流控制3、用富士单回路调节器 PNA1-011 与原有伺服控制器连接，实现静叶调节，以及常规控制4、用富士调节器 PNJ3-000 实现备机的逆流报警检测用 5、多通道无纸记录仪、多通道闪光报警指示仪、继电器、按钮、开关等，对必要的工艺参数进行监控。喘振对轴流式压缩机的影响非常厉害，由于机组自身特性和管网的喉部差压低等条件均会使得喘振产生的非常快，因此必须应用专门的控制技术来及时打开放空阀，防止喘振发生。就目前国内外炼化企业来看，防喘振控制的实现不外乎
