关于TMR三重化冗余TRICON紧急停车系统

1、 关于TMR三重化冗余TRICON紧急停车系统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要：本文重点分析大庆炼化公司ARGG装置备用风机的防喘振控制和逻辑联锁控制功能，及其在TRICON系统中实现该方案所采取的主要算法，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：即三重化TRICON系统中用LAD梯形逻辑语言编写的源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。关键词：富士智能调节器、防喘振控制、程序移植、离线仿真。The I

2、mplementation of Emergency Shutdown System for the TMR TRICON Liu Jianyu DaQing Refining & Chemical Company Abstract：This paper places emphasis on the anti-surge and logic interlock control functions of the ARGG equipments used in in PetroChina Daqing Refining & Chemical Company, and the mai

3、n arithmetic applied in the TRICON system as well. It provides the implementing solution for the application program transformation and transplant applied to chemical automation, that is to transform the source programs from the TRICON system to the fuji PNA3-211 genius adjustment and SIEMENS S7-200

4、 PLC. Consequently a new integrated emergency control system can be built to realize the the anti-surge and logic interlock control functions.Key word : fuji genius adjustment 、Anti-Surge Control、Programme transplant、Offline simulation 一、应急控制系统建立的历史背景及意义 ARGG装置三机组控制系统是TRICONEX公司的TS3000控制系统，编程软件为MSW3

5、11，自1998年投用以来运行平稳。但近期以来出现频繁烧卡的现象，如更换主处理器MP和各I/O卡件已有18块之多，造成了大量资金的浪费和严重地威胁装置的安全生产。对此，炼化公司曾多次组织各专业（包括仪表、供电、设计院、厂家和土建等单位）召开专题分析会来研究解决。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。 20

6、03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/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。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

7、用，一旦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。为保证在此情况下装置的正常生产，公司领导研究决定为备用主风机和增压机等建立一套应急控制系统，保证能继续给装置供风。在此期间，紧急处理TRICON系统的问题。待处理完毕后，开三机组。然后将备机停下，将所有信号均接回TRICON系统。二、采取的主要技术措施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

8、风机组无烟机。该大型机组的防喘振控制、静叶控制、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-1所示。TPS系统3500系统GUS站SOE站工程师站2/3#操作站1#操作站TS3000系统图-1 TRICON系统配置图2#增压机1#增压机油系统电机风机现场I/O系统烟机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

9、控制、防逆流保护等我们选定用富士智能调节器实现。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-2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

10、报警检测5、 用多通道无纸记录仪、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。富士智能调节器闪光报警仪Panel控制盘3500系统S7-200PLCGUS站TPS系统电机1#增压机油系统风机无纸记录仪现场I/O系统图-2 新建应急系统配置图三、具体方案的实施确定方案的最终日期为4月20日，截至28日止所有的硬件设备就绪，仪表专业仅用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

11、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。防喘振控制功能的实施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

12、前国内外炼化企业来看，防喘振控制的实现不外乎两种方法：一是早期用专用的ASCC防喘振控制器实现，如WORDWARD公司的505C控制器；二是目前常用的PLC专用软件包来实现，如TRICON系统。我们创建的备机应急系统中，就是将TRICON系统中用MSW311软件用LAD编写的防喘振源程序，移植到富士智能调节器PNA3-211中来实现防喘振控制。一、确立新控制方案的模型 经过攻关组解读原控制方案，确定新的方案如下：1、总体思路l 启机条件取消，当启机条件具备时，有一个硬开关确认。l 安全运行取消，直接联锁停机。l 只用1#增压机。l 联锁停机报警只有一个总报警显示。l 静叶调节完全手动控制。l

13、仪表回路尽量减少，只保留关键工艺参数。2、防喘振控制主要功能：l 实现轴流风机的防喘振控制l 实现喘振阀的快开、慢关功能l 实现联锁停机时喘振阀自动打开l 实现二放空阀分程控制l 实现喉部差压温度补偿算法3、 取消原防喘振部分功能：l 取消喉部差压低选和出口压力高选控制l 取消防喘振线下移功能l 取消PID参数自整定功能l 折线运算由原10段减退化为7段l 因无PC机操作站，在人机界面上无法实现防喘振曲线图二、防喘振控制技术 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

14、在图-3防喘振线的下方，此时偏差epvsv0，调节器的作用方式为反作用。当工作点越过防喘振线并在其上方时，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，使工作点开喉部差压P出口压力P喘振线防喘振线工作点0%100%100% 图-3 防喘振性能曲线图喘振线cbxad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P的自适应能力（自动增大或减小），如果P值不变，放空阀则以正常的速度打开（一般要求在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

15、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SV（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epvsv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-4所示。注：积分系数保持不变为4出口压力PT1841A/B比例增益P值高选比例P折线运算喘振检测低选喉部差压PDT1840A/BPV值SV值PID运算防喘振线移动折线运算温度补偿（气关阀）ASV1841入口温度TE1840分程控制输出置0%快开慢关ASV1840联锁停机信号 图-4 防喘振控制框图当偏

16、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SV为折线算出的SV减去移动次数N乘以下移量1%。即：SV SVN×1%。PID参数比例增益P自整定功能是通过折线运算实现的，共11点坐标形成3段斜坡折线得出P。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，P值自动置为初始值90，然后P通过和折线运算后的P计算逐渐减小。计算公式： P（90×25.0）÷（P25.0）在比例增益P值自动变化过程，积分10080比例PI值

17、始终为4，微分D值始终为0。0图-5 比例增益P的折线运算49.8100301048.848.6偏差e 三、防喘振程序的移植实现程序的转化和移植，一个最关键的问题就是技术上的难度。为攻克这一课题，我们反复读资料、做实验。逐段程序去转化、去仿真、去实验、去测试等等。三重化Tricon系统中的用LAD梯形逻辑语言实现的防喘振控制程序转化到富士智能调节器PNA3-211中，完整地实现备机的防喘振控制，这客观的要求技术人员必须做到：l 对原LAD源程序彻底读懂 对防喘振控制思想，目前还没有一个厂家完全的对用户公开，因此，给我们读源程序带来了相当大的困难。我们反复钻研，同时和北京Triconex公司项目

18、工程师取得联系，以做到对喘振思想的理解上万无一失。l 对现PNA3调节器彻底会用 PNA3调节器，在我公司用的很多，但还停留在其常规的简单控制功能，其“智能”的深度挖掘还远远不够。本次攻关，可以说把PNA3的功能用到了极尽，充分发挥了其智能表的功能。l 防喘振控制功能的彻底移植在移植过程中，我们得到了林源同行的热心帮助，对不同的控制思想和策略的实施做了比较，极大的提高了软件思想的汇融，对防喘振控制功能可靠性和安全性提供了实际参考经验和理论支持。在此，我们花费了很大精力。1、控制说明：l 调节器BIC1840面板上的SV、PV分别显示防喘振出口压力的给定值和测量值。l 调节器选反作用方式，偏差D

19、VPVSV，当DV0时且操作方式在“R"时开始防喘振控制（开阀）。l 分程控制正常处于“A”模式，HIC1841关到45时，HIC1840开始动作。l 温度补偿的基准温度为22.5。l 防逆流调节器HIC1849正常应处于“A”状态。2、注意事项：l 防喘振控制实现自动控制必须处于“R"模式l SV值只能由计算自动给定，不能手动设定联锁停机时，二放空阀自动全开后，需将控制器由“R"模式切到“M"模式，手动调节放空阀开度；否则，停机信号消失后，放空阀会自动全关。3、温度补偿算法： 源程序为： rBIC101 = (iTE840 + 273.15) / (2

20、73.15 + cTE840S); rBIC103 = rPdT842 / rBIC101; 这需换算成适于PNA3-211运算的功能块模型来实现。根据气体流量的修正公式： Q实/Q参（P实T参K参实/ P参T实K实参）1/2 不考虑绝对压力P压缩系数K和密度的变化，风机喉部差压不需方根运算，则公式只和绝对温度有关，可简化为： Q实/Q参T参/ T实T参22.5 入口温度的量程为-4060Q参/Q实 (100T实40273.15)/(T参273.15) 33.82T78.86源程序移植在PNA3中组态参数为： W1=C3 W11031TIA1840 W12880CON133.82 W13881

21、CON278.86 W2C4 W21030PDA1840 W22A014、折线运算 不同的静叶角度对应的喘振点是不同的，而静叶角度和喉部差压有关。因此，根据补偿后的喉部差压作为坐标的横坐标，计算出对应的出口压力作为纵坐标，纵坐标即为PID控制的设定值SV。为安全起见，通常将坐标点向下偏移7的裕度来确定一点，将若干点相连，就形成了防喘振线。在新控制方案中，防喘振线是采用8点7段（原11点10段的简化）折线算法，确定了近似于理论防喘振线。具体坐标值见下表（实数转化为百分数）。序号X轴Y轴原X轴原Y轴10%0%00212.56%15.83%3.1495.0318.60%23.92%4.65143.5

22、45424.96%31.26%6.24187.53531.12%38.25%7.78229.52639.40%42.56%9.85255.36754.36%44.78%13.59268.668100%44.78%25.00268.66图-6 折线运算功能图折线的算法如图-6所示，与图-3稍作比较可知ac点间的纵坐标之差即为7安全裕度，工作点xd之间纵坐标之差即为偏差e，当e0时（即x在d的上方时）系统认为已接近喘振，此时放空阀打开。4、 WFC组态（PNA3211） 空通道默认为00，运算时系统认为是0（数字量或模拟量）；不用的功能块可设为00，不参与系统运算。组态的框图如图-7所示。四、模拟

23、仿真1、模拟仿真调试防喘振控制功能的实现 为保证防喘振控制功能的正确性和可靠性，我们模拟仿真调喘振参数的实际情况，给出参考值进行调试，调试结果均记录在案。实际调试表明：防喘振控制功能彻底实现了。参见调试报告。备机防喘振控制仿真调试报告序号参 数取样值1取样值2取样值3实验结论备 注1出口压力PIA1841A40.40%40.40%40.40%合格联调2入口温度TI184060.68%60.68%60.68%合格联调3喉部差压PDT184050.09%35.08%合格联调4补偿后的喉部差压值（人工计算）50.40%25.20%35.29%合格联调5折线运算后计算出的SV值（人工计算）44.19%

24、31.53%40.42%合格联调6控制器面板显示的SV值（自动计算）44.19%31.57%40.41%合格联调7防喘振调节器BIC1840输出100%100%100%合格联调8手操器HIC1841输出100%100%100%合格联调9手操器HIC1840输出100%100%100%合格联调10放空阀ASV1841回讯ZT1841-0.10%49.98%100.10%合格单调11放空阀ASV1841回讯ZT18420.80%50.01%99.98%合格单调2、融会贯通，完全彻底领悟防喘振功能的算法和控制策略本次攻关结束后，我们计划将本次喘振功能在Honeywell的TPS系统中实现，大力开展技

25、术创新，不断优化控制方案，确生产保效益最大化。图-7 PNA3逻辑功能图ESD逻辑联锁的实施 我们在以前的维护过程中，对于西门子的S7-200系列PIC从未使用过，对于S7-200系统的硬件组态，以及软件编程一无所知，这样就产生一个重大的课题“时间短，任务重”。我们一方面对西门子的S7-200系统PLC进行攻关，查阅有关S7-200 PLC的相关资料，对S7-200的硬件组态，软件编程在短时间内有了深入的认识，同时对TRICON系统内关于ESD的控制程序进行认真的解读与分析，对原系统的控制思路有了更深刻的认识，为以后的编程做好了充分的准备。另一方面，对备机的ESD回路进行认真的统计，确定了S7

26、-200与现场的连接对应关系，并对回路进行认真核对，以保证回路的准确性。TRICON系统为三重冗余控制系统，而S7-200为普通的PLC，S7-200系统PLC在冗余冗错方面有着严重的缺陷与不足。为了保证S7可靠运行，我们一方面对S7-200进行严格的测试，另一方面认真编写应用程序，反复调试。一、备机的联锁回路1、联锁动作条件：当机组运行过程中，出现以下情况，将联锁停车。A 风机轴位移过高（2取2），（18HH/1811/1810）B 润滑油压力过低（3取2）（PS1852/1853/1854）C 动力油压力过低（3取2）（PS1861/1862/1863）D 逆流达到安全运行（PDI1840

27、）E 手动紧急停车F 电机脱网2、联锁摘除：除电机脱网与手动紧急停车信号外、都设有联锁摘除开关，在处理联锁仪表时，可先摘除联锁，并在处理完毕后，恢复联锁。3、执行器动作情况：A 去供电电机跳闸B 发出联锁信号去DCSC 两个放空阀全开D 风机出口止回阀全开E 风机防逆流阀全关F 发出报警信号G 手动关闭静叶至14°二、增压机联锁：1、联锁条件：A、增压机润滑油油压低（PS1871/PS1881）B、增压机位移过大ZHH1871（ZHH1881）C、手动紧急停车2、联锁摘除 处手动紧急停车外，其余联锁均设有联锁摘除开关，用于联锁的摘除3、执行器的动作情况 A去供电停主电机 B发出联锁报警信号 C发出联锁信号去DCS三、润滑油泵自启1、启动条件润滑油压力低 PS1851 PS18502、执行器的动作情况 至供电自启备用润滑油油泵3、手动停泵 自启油泵后，当油压恢复正常后，工艺人员可按停泵按钮停备用油泵。四、动力油泵自启1、启动条件 动力油压力低 PS18632、执行器的动作情况 至供电自启备用动力油油泵3、手动停泵 自启油泵后，当油压恢复正常后，工艺人员可按停泵按钮停备用油泵。五、增压机润滑油备泵自启1、启动条件 润滑油油压