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高玉坤（1975-）

男，吉林省吉林市人，1998年畢業于吉林化工學院工業自動化專業，現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冗余功能的設計方案及實現方法，闡述了冗余控制對機組系統可靠運行的重要性。

關鍵詞：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的安全性，減少由于控制系統硬件原因導致的機組停車事故發生，是保證裝置穩定運行的重要前提。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冗余功能的設計方案及實現方法，從設計上提高了控制系統運行的可靠性。

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采用的是GE公司的Micronet  5009  TMR 集成機組控制系統（Integrated Turbine &Compressor Control）。該控制系統將調速控制、性能控制、防喘振控制、聯鎖控制等集于一身。為了確保機組的運行安全，該控制系統從供電系統、ITCC硬件、軟件設計、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生，并在實際應用中收到了良好的效果。

2 冗余功能的實現

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卡件上部的狀態指示燈會顯示CPU的當前運行狀態。自檢通過后，“RUN”燈點亮。否則，相應的故障指示燈點亮。任意一個CPU所采集的數據都要經過三個CPU的計算，計算后對輸出結果進行雙向數據表決，最后分別由單個CPU輸出正確的計算結果，并通過FTM送出（如圖1所示）。當任意一個CPU計算結果出現錯誤時，另兩個CPU會通過對計算結果的表決剔除壞值，實現了控制功能的冗余。
 

                                   圖1   CPU容錯系統示意圖

    由于機組的控制及聯鎖信號較多，如果都采用三重冗余將占用大量的硬件資源。為有效地利用系統資源，吉化乙烯裝置裂解氣壓縮機組控制系統的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、設備損壞等，這類信號我們采用了三取二表決來實現。三取二信號主要由三個Kernel單元內的CPU分別對現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行元件，可避免單一測量元件和傳輸線路引發的故障，實現了回路完全冗余。這是和系統本身的單個FTM實現的三取二表決是有區別的。用于調速、聯鎖、防喘振、超速保護的輸出信號均通過此發生實現冗余。如轉速控制、控制油壓力聯鎖、復水器調節閥、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

    為保證供電系統的穩定，供電系統采用了雙重冗余設計。冗余的每個電源功率都能夠滿足負載的要求，正常工作時根據負荷分配負載。兩路220VAC UPS5通過兩個主開關輸入到開關電源“#1”、“#2”，開關電源輸出的24VDC經二級管、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，系統還采用了浮空對地的設計，提高了信號傳輸的可靠性。現場I/O的電源則是通過兩路獨立的外部電源來提供的。
 

                                      圖3   冗余供電系統圖

2.1.3 操作界面、通訊系統的冗余

    為保證操作人員能夠對機組進行有效的操作，乙烯裝置裂解氣壓縮機組的人機界面系統也采用冗余設計。DCS和上位機系統均能進行操作，每個系統的操作界面均設有一個“Local/Remote”的切換開關，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，能夠對機組的首出報警和控制系統診斷及工藝過程、機組運行狀態的報警進行記錄，而DCS系統的是只能記錄工藝過程報警。這兩個操作界面，無論哪一個出現故障，均能保證操作員對機組的正常監視、操作。

    由于系統之間數據量交換較大，若都采用硬接線的方式，會極大的增加系統的容量，導致系統負荷過高，另一方面也會導致系統的成本增加。為了降低成本，ITCC和操作界面、其它控制系統之間的數據交換統一采用了冗余的RS485通訊方式。如DCS系統和ITCC系統之間、Bently 3500系統兩機架之間、上位機和Bently 3500系統之間等（如圖4所示）。由于RS-485通訊協議只能對整數進行傳送，數據按照數值的大小，在發送端對數據進行升冪處理，然后在接收端進行還原，保證了數據傳送的精度。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 轉速控制冗余    

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

    為了保證調速閥的可靠動作，乙烯裝置裂解氣壓縮機組的電液轉換器采用雙線圈驅動。線圈分別由“A”、 “B”兩CPU所帶的FTM進行驅動。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為例介紹調速閥冗余功能的實現（如圖6所示）。

    轉速信號經過控制器、限制器，計算比較后，輸出調速閥控制信號。AA、AB兩個信號分別由一個A CPU 的FTM103的兩個AC通道輸出，輸出的信號經壓接在一起（如圖7所示）。輸出電流疊加，驅動電液轉換器的線圈工作。當BA、BB組出現故障時，輸出的信號由“ACT_A_SEL”模塊，根據正常工作的數量，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或回路出現故障時，調速閥仍能夠正常工作，實現了調速輸出的冗余。
 

                                    圖5   轉速控制MOE框圖
 

                                圖6   調速閥冗余輸出MOE框圖
 

                               圖7   調速閥冗余輸出接線圖

2.2.2 調節功能的冗余

    乙烯裝置裂解氣壓縮機組調節回路采用獨立的現場測量元件，ITCC內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；其它非關鍵的顯示、控制信號采用雙重冗余的設計原則。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。由于電流冗余設計比較繁瑣，我們采用了0~5V電壓輸入模式。電流電壓的轉換通過端子板內的200Ω電阻來實現（如圖8所示）。為了防止過流，每個輸入端子設有100mA的熔斷器。數據冗余的處理通過CPU之間的同步數據交換和表決來實現。

    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節、油箱溫度控制等采用雙重冗余進行控制。如三重冗余的調節閥，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。實現輸出的冗余。通道故障的判斷原理同調速閥類似。調節回路從輸入到輸出，實現了全回路冗余，大大降低了由于控制原因引起機組故障問題的發生。

2.2.3 聯鎖功能的冗余

    為了避免由于采用結點開關容易受環境因素影響、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、流量報警及聯鎖系統均采用變送器的測量方式。三個獨立的測量元件經變送輸出的4~20mA信號，輸入到三個“Kernel”的不同通道，經過“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、聯鎖值的設定，比較后輸出開關信號，參與邏輯的判斷。機組的密封氣泄漏流量聯鎖、控制油、潤滑油壓力低聯鎖登均采用這種設計思想，提高了安全性能。

    數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（如圖9所示）。當其中的一個信號出現錯誤時，系統三取二表決后仍能夠輸出正確的結果。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，對所有的聯鎖邏輯均采用“故障安全型”設計（正常工作時狀態為“ON”，報警時狀態為“OFF”），防止由于邏輯失效而導致危險的發生；為了防止機組超速，除設計兩級電子超速外，機組還設計了獨立的3取2超速保護控制器。三個獨立的磁感應探頭（MPU）將速度信號送入到ProTech 203系統中，系統可根據需要對MPU信號進行判斷，發出停機或報警信號，參與跳車邏輯（如圖9所示）；對執行機組停機任務的泄油電磁閥，采用冗余并聯方式，防止由于電磁閥故障，導致的危險發生。
 

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

                               圖9   聯鎖信號冗余輸出線路圖

3 結束語

    在實際維護工作中我們也碰到過多次冗余系統避免故障的應用事例。如Kernel“C”FTM的浮水器液位調節閥輸出通道出現故障，由于我們作了輸出冗余設計，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LS_31504A出現的故障報警，由于冗余的設計，均沒有影響到機組的平穩運行。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定生產起到了至關重要的作用。