ITCC控制系统在空分空压装置压缩机控制中的应用

应用研究| APPLICATION RESEARCHCHINA INSTRUMENTATION中阚露佞表2012年第4期Tcc控制系统在空分空压装置压缩机控制中的应用The Application of ITCC in Compresseor Control of AirSeparation and Compression Unit王强林唐黎锋翻(1中国石油工程建设公司大连设计分公司,1引言辽宁大连116011压缩机组是空分空压装置中主要的核心设备,2中国石油天然气股份有限公司大连石化公大连石化新建的8000立空分空压装置,共有9台离司,辽宁大连116031)心式压缩机组、调压机组、循环氮压机组以及膨胀机组,其中循环氮压机组以及膨胀机组没有备用机摘要:中国石油大连石化公司为了提高800空分组,连续性生产显得尤为重要,机组控制包括透平空压装置压缩机控制水平和保护压缩机操调速控制、防喘振控制、性能控制、负荷控制、抽气作的安全,在该工程中设计采用了ITCC系控制、自保联锁控制,以往设计需要采用分立仪表统将压编机防喘振调节、联锁自保、电子调如独立的防喘调节器、电子调速器、负荷调节器、联速、负荷调节于一体,经过3年多的实践检锁自保系统、常规PLC系统等实现,而此类仪表随验,取得了良好的效果,该系统的实施对压着长期使用,电子元件的备件和相关技术支持会逐缩机以及装置整体安全平稳运行提供了有渐成为问题,最终结果就是影响机组的正常可靠运利的保证。行,各机组控制系统相关软件一般不会对用户和维关键词:压缩机一体化控制护人员开放,成为“黑匣子”,使得用户自动化管理受到限制,保证不了机组处于理想运行状态。Abstract: Dalian petrochemical company of在项目详细设计初期,经讨论确定采用一套China built a set of separate and pressor air in近年来出现的新型的压缩机综合一体化控制系June2008 There are9 sets of compressors. A set统ITCC压缩机组控制系统,来实现对空分空压装inconventional of integrated turbine and compressor置压缩机组的控制,与传统的压缩机组控制系统相control system was adopted in this item for the比较,它具有高可靠性、功能强大、组态灵活、容易higtest and best safety. In adition, the control操作等优点。是集透平调速控制、防喘振控制、性能system adopts program logic system,. surge control,掉控制、负荷分配控制抽气解耦控制、自保联锁、超interlock system, electrical control and load速保护控制为一体的综合化控制系统。它将传统上control. This system has ran for three years需要多个分立仪表实现的功能集成在一套可靠性极Key words: Compresseor Intergrated Control高的三重冗余容错模件(TMR)控制系统中完成,中明佞露長 CHINA INSTRUMENTATIONAPPLICATION RESEARCH应用研究2012年第4期因此减少了各个系统间的连接和故障率,降低了长之为 TRICON的基于三重冗余容错模件(TMR)结周期运行成本,提供了先进的控制技术和良好的监构的控制器, TRICON系统有3个主处理器,每一个控界面。主处理器的CPU为32位、50MHz,16MRAM,工作2空分空压机组设置概况方式为3-2-1-0。其32位浮点协处理器的使用得到了TUV6级的安全认证。系统中所有的IO信号都要经大连石化公司新建空分空压装置机组设置概况过硬件的三取二表决。如下:数字量输入信号在DI模件中被分成隔离的三机组类型功能数量机组位号路,通过3个独立的通道分别被送到3个主处理器中料机空分原料压缩2c1011,美国SC1012Atlascopco进行三取二表决;经纠正任何偏差后的数据通过3氮压机空分氮气循环1SC102美国Cooper条IO总线被送到DO模件,并在DO模件通过获得专膨胀机空分膨胀致冷1HT101利的“方形表决电路”硬件进行再次表决,DI、DOHT102Cryostat压缩机空压原料压缩3Sc201-1,美国模件均采用与现场光电隔离方式,以及“ STUCKSC201-2, AtlascopcoSC201-3ON、 STUCK OFF”检测功能。调压机组空压风量调节2SC202-1,美国同样模拟量输入信号在AI模件中被分成隔离SC202-2 Ingersoll Rand3TCC控制系统简介的三路,通过A模块上每一个分电路的模数转换器把模拟量转换成12位的数字量,用32位的协处理器31控制系统硬件介绍进行处理,每个主处理器采用选取中间值的算法读ITCC控制系统采用的是 TRICON TS3000系取正确值,并纠正任何分电路中的偏差,主处理器统,硬件设置如下:主要包括2套冗余控制器、2套操输出的模拟量信号在AO模块中的模拟输出选择器作站、2套辅助操作台、1套工程师站,ⅠO数量约922中进行选择,以确保输出信号的准确点,ITCC控制系统通过ECM4119A的RS-232/485从用户的角度来看,系统的使用非常简单。用户接口与DCS系统进行串行通讯,执行 MODBUS通只要将传感器和输出回路的接线接在一个接线端子讯协议。DCS控制系统为主站,ITCC控制系统为从上,只需要编写一套应用程序,使用起来和“单”的控制系统一样方便。控制器主要采用三重冗余容错模件(TMR)结TRICON系统最大的特点是能同时满足高可靠构,系统硬件结构见图1。性、高可用性的容错控制能力,控制系统可以识别控Input Moduleoutput Module制系统元件的故障,自动把故障的元件加ot sparHot spares以排除,并允许在继续完成指定任务的Force to valuc国同时,对故障元件进行在线修复而不中断过程的操作32控制系统软件介绍控制系统软件主要分为控制程序组Same as口 IO Bu态软件和人机界面组态软件,人机界面软DLC Probcol件选用 Wonderware Intouch V9.50版,组图1 TRICON系统硬件结构态软件为 Tristation 1131v4.l.433TRICONEX公司TS3000系统的硬件核心是称Tristation1131是 TRICON系统的基本软件开发应用研究| APPLICATION RESEARCHCHINA INSTRUMENTATION中候長2012年第4期平台,提供给用户的编程语言有:功能块(FBD)、油压、油温、振动等。梯形图(LD)和结构文本(ST)语言。软件支持主处理器和/O卡件完全三重化,不会因为单IEC1131-3标准图库,同时也支持 TRICON过程控点故障而引起系统停车,机组可连续长周期运行,制,这些功能块包括:模拟输入、指数滤波、PID、超减少误动作及停车时间前滞后、积分、中值选择、模拟输出、在线监视、打独特的IO逻辑槽位设计(提供工作和备用两印及其它 TRICON特殊的功能块。个槽位)保障故障卡件全部在线更换。Tristation I131软件具有工程组态、系统维护调I/O卡件上的光隔器全部三重化。试、在线修改程序、在线下装程序和离线模拟试验浮点协处理器经过TUV六级认证等功能,较大地方便了用户32位芯片保证了系统的快速运行。TRICON系统主处理器可分配16个存储区域,高度的系统诊断覆盖率,诊断功能皆为系统内用于SOE的记录存储,最大记录60000个事件,SOE置,不需编写应用程序。分辨率为毫秒级,其记录文件也可存储在硬盘中作系统维护和故障诊断非常方便。为永久保存,并可打印出来所有模拟卡件(AI、AO)精确度高,并可以定3.3控制系统在空分空压机组控制中实现的主要功期自动校验能主处理器的更换与IO卡件的更换一样方便(1)对于空气压缩机系统实现按照IEC1131-3标准设计的基于 WinNT的编程机组启机-停机顺序控制、联锁保护;软件使用方便,并提供离线模拟测试机组性能、进气流量、防喘振控制应用软件的在线修改、在线下装通过TUV六级认机组轴系温度、轴振动、轴位移监控证机组密封系统、油路系统监控毫秒级的SOE功能将为业主的故障及事件分析机组及机组段间进出口压力、温度监控等提供极大帮助。(2)对于氮气循环压缩机系统实现灵活可变的规模将为系统的扩建提供极大便利机组启机-停机顺序控制、联锁保护;并有效降低扩建成本。机组性能、速度、防喘振控制所有卡件均有金属键锁,防止插错卡件。机组轴系温度、轴振动、轴位移监控;机组密封系统、油路系统监控4TCC控制系统的工程设计机组及机组段间进出口压力、温度监控等。4.1控制系统硬件设计(3)对于高低温膨胀机系统实现:根据机组控制的PID图,以及机组的输入/输出机组启机-停机顺序控制、机组联锁保护;点数,考虑到控制器本身的容量,并对机组集中控机组性能、速度控制;制的风险评估,确定采用两套三重冗余的控制器进机组轴系温度、轴振动、轴位移监控;行控制。机组密封系统、油路系统监控将机组根据其用途及重要性进行不同分类,分机组进出口压力、温度监控等别由不同的控制器进行控制。其规划的原理是:相3.3控制系统功能特点同种类、相同功能、相互备用的机组,适当的将运行控制系统具有专业的透平及压缩机控制软件,的机组与备用的机组放在不同的控制器中,另外根可综合控制机组的性能、喘振、转速及辅助系统如据控制器负荷的不同,尽可能地让两个控制器的负中儀低長 CHINA INSTRUMENTATIONAPPLICATION RESEARCH应用研究2012年第4期荷平均。同时考虑将供电系统采用两路独立的UPS喘振是当压缩机组的流量降到低于最小值时不间断电源进行供电,以减少电气供电系统对整个而出现的一种突然逆流的现象。在喘振区域运行将控制系统运行的影响。会导致机组损坏。喘振控制器通过保持压缩机的流根据两套控制器中的不同类型的IO点数选择量在最小流量即喘振流量以上来防止出现喘振,最出需要的卡件数量。小流量是靠调节压缩机出口控制阀将气体循环回到4.2控制系统软件设计压缩机入口来实现的。一个良好的防喘振控制器,用人机界面软件 Wonderware Intouchⅴ9.50版它不仅具有安全性,能够迅速地动作,以防止喘振进行组态,采用 Tristation113专用的组态软件进行的发生,同时,它还应该具有经济性,以最少的放空逻辑控制编制。量或回流量来防止喘振,以减少对工艺的干扰和能通过人机界面软件 Wonderware Intouch制作静源消耗。任何一台机组在发生喘振时,都希望防喘态工艺流程图和动态画面连接、数据选择画面,以振控制器能快速响应,快速打开防喘振阀门,以防及逻辑组态、PID调节画面组态、电机启动逻辑组止危险发生;但在关闭阀门的过程中,也希望能慢态、停车联锁逻辑组态、趋势组态、SOE即事件顺慢地关闭,以防止发生喘振震荡。序记录功能、通讯组态等。防喘振流程见图3, TRICON TS3000防喘振控4.3控制系统配置结构制主要是根据压缩机的入口流量、入口压力、出口控制系统配置结构,见图2。压力3个参量,经过 TRICON的独特的防喘振控制去DCS技术计算,输出一个值来实现对防喘振阀的控制。打印机RS485压缩机lEEH 802.3 TCP/IP 10MBAlSOE站BNE来自现场信号来自现场信号图3防嗤振流程示意图图2ITCC控制系统配置结构图在循环氮压机防喘振控制系统中,用户利用5机组典型控制设计举例CONSEN防喘振扩展函数功能模块来完成压缩机的防喘振控制。防喘振扩展函数文件名:SGA31-025!氮气循环压缩机入口导叶控制和放空阀控制LT2。在本程序中,用户使用的是压比 PRAT对流常规PID控制主要有单回路控制、串级控制、比量差压rHX(Pd/Ps对h/Ps)的算法。在完全手动状值控制、前馈控制等。机组的典型控制包括入口导态下 MANUAL置1,输出阀位由操作员在HMI“手叶IGv1001的控制及放空阀BⅤ10的控制。入口导动输出”上给出,当在部分手动状态下,手动控制叶控制主要由电机电流ICI及系统压力PCl经过低值,与喘振控制输出值选高值。包括喘振线功能选器比较后进行控制,放空阀的控制主要由流量控块、控制线功能块、控制设定点功能块、安全裕度修制FCI及出口压力PIC2的低选器输出后进行控制。正功能块、喘振监测功能块、喘振控制功能块、比例52氮气循环压缩机防喘振控制控制功能块、预动作功能块、启动控制块、高选器功应用研究| APPLICATION RESEARCHCHINA INSTRUMENTATION中佞佤丧2012年第4期能块、速度控制功能块、手自动切换功能块等。首先“喘振线复位”按钮复位,才能恢复到初始位置判断控制线是否在喘振线以下工作,通过每秒钟超图4显示了压缩机组的防喘振控制画面。出控制线来判断喘振产生的标志,一般情况下每分钟有6次通过喘振线就认为机组处于喘振状态。通过比较喘振控制、比例控制、预动作控制及启动控制的输出值,通过高选器,将高值送于速度控制功能块最终通过控制喘振阀来实现机组的防喘振控制防喘振放空设置为“快开慢关”功能,保证喘手动输出值保持小于手动输出2%。喘振控制状态-EN振控制的安全可靠性。正常状态自动输出值,跟踪时,自动输出值为喘振控制器输出信号,与手动信号图4防喘振控制画面相比较,输出高值。控制放空阀开度,保证操作点不图4中1部分为喘振控制部分。能移至喘振控制线左侧。横坐标为风机入口流量喉差△P,量程为12当操作点快速左移至控制点左侧时,控制点也kPa,对应座标值为0~100%。快速右移,使放空阀能够快速打开,操作点远离控纵坐标为风机出/口压比ε,ε=POPi,量程制线。当操作点开始右移后,控制点亦缓慢左移至为6。操作点左侧直至稳定状态。自动输出值按前述的跟P0为风机出口压力,为实测值。踪速度逐渐减小,缓慢关放空阀至初始状态。Pi为风机入口压力,设Pi=0.095MPa(A)当防喘振控制不能保证操作点不移至控制线左emax=5.1为最高的压比限制,对应最高出口侧时,将有第二层保护“安全线”。当操作点左移碰压力 POsE=0.38MPa(G),喘振线为红线,拐点在到安全线后,控制系统防喘振安全联锁动作,放空εm=5.1处,水平的喘振线与控制线重合。阀电磁阀失电,使阀快速打开。同时将防喘振控制安全线不显示,以拐点处喉差值的4%将喘振线器手动输出值置为100%,失电2s后,电磁阀自动得向右平移即为安全线。电。此时可以通过放空阀控制面板或喘振控制画面喘振线控制线为黄线,以拐点处喉差值的6%手操输出值,关闭放空阀。将喘振线向右平移得到此线。当操作点停留在安全线超过3s或10s内连续两操作点为黄色“+”形标志,正常位于安全运行次碰到安全线,则放空阀电磁阀失电后将不能得区域,以实际入口喉差和e显示机组运行状态。电,需操作员点击喘振控制画面图下方“开阀确认”喘振线控制点为绿色圆点,正常在操作点水平按钮,使操作员重新得电。然后,才能关闭放空阀。左侧5%处,当遇到喘振控制线时停留在控线上。当操作点超过安全线碰到喘振线,即意味着图4中2部分为操作方式,有手动方式、自动方风机发生了真正的喘振。此时,控制系统将放空阀式及半自动方式。电磁阀立即失电,手动输出值置为100%,同时喘振手动方式:输出阀位由操作员在HMI“手动输计数自动记录一次(累加功能),防喘振控制线右出”上给出,或由上升、下降按钮给出移2%。此时电磁阀失电同样必须通过点击“开阀自动方式:输出完全由防喘振程序决定。确认”按钮复位后才能重新得电。喘振控制线通过半自动方式:输出是手动控制值与喘振控制输中明佞属長 CHINA INSTRUMENTATIONAPPLICATION RESEARCH应用研究2012年第4期出值选高值。设百分比范围内移动。当工作点越过迁移点,以小幅图4中3部分为防喘振控制电机电流、出口压快速向喘振线窜动时,将发生如下情况:防喘振阀力、三级入口温度、输出阀位的实时趋势图。迅速打开;迁移点将向左移动,直到防喘振阀全关:图4中4部分为防喘振控制参数的实际值,氮压新工作点建立:如果迁移点与喘振控制线重合,系统机电机电流IT000,氮压机出口压力PT1002,氮压将保持回流以保证在喘振控制线上运行。机三级入口温度TE1002,防喘振阀PY1002输出阀TRICONEX系统有一纯比例调节阶段,该阶段位的数值显示。可独立于正常PI控制器而打开防喘振阀。当工作点喘振线下移数:当前喘振下移线下移的裕度。移到喘振控制线左方,而正常PI控制器无法提供足喘振累积数:从喘振投用到现在的所发生喘振够响应,可能导致严重的控制失调时,则进入该阶的次数。段。亦即在控制线左方到达某一特定裕度,则进入喘振数:上次点击了喘振复位按钮到现在所发该阶段,打开防喘振阀。当工作点与喘振线重合时,生的喘振数。防喘振阀全开。即工作点进入喘振控制线及喘振线图4中5部分为防喘振控制的喘振点和实际工作之间时,防喘振阀按比例打开。该比例阶段是由信号点及控制点的实际坐标值。选择器来实现的。控制器的反馈动作迫使控制器输特别说明:当发生喘振时,工作点越过喘振线,出( ISUCON)跟踪该阶段。即使在喘振控制器失调同时出现喘振下移线,喘振标志指示为红色。喘振的情况下,该特性仍可保护机组下移线作为下次防喘振控制线,只有当点击复位按喘振控制器提供了一种适应性增益特性。当工钮后,才可以把喘振下移线复位到初时的防喘振作点在喘振控制线右方时,该特性减少了比例动作。线。这要根据氮压机当时的工作状态。是否选用新当工作点在喘振控制线右方的操作裕度超过设定距的防喘振线,以至于早点开防喘振阀离,则调用适应性增益特性。根据比例或积分响应,在防喘振控制中可以对安全裕度进行修正。如防喘振阀可打开,该特性使得防喘振阀响应快。但果系统检测到工作点越过喘振线,表示喘振已经发速率功能限制了防喘振阀的关闭速率。当工作点安生,喘振控制线将被自动修正到右方,而加大安全全地移到喘振控制线的右方,防喘振阀将设定速率裕度。每当喘振被检测到,安全裕度增加(控制线慢关,保证将透平驱动机及工况控制器调整到新的右移)一个校准量,输入一个裕度新值可使瞬态计工作条件下。数器归零,且使修正后的裕度等于输入值。系统可在手动操作模式下有两种权限可选。第一种为组态为每次增加一个固定值(如2%),或一个累加全权手操控制功能,它允许防喘振阀不顾喘振控制量(如1%,2%,4%,8%等)。修正发生的最大次数器的作用而关闭。这种选择在测试和设定的时候有( kRECNO)亦可组态。在某一段给定的时间内与用,但不能组态为正常操作。因为如果系统被置于快开线交叉到给定的次数,喘振会形成一个更大的手操状态,喘振控制器将无法打开防喘振阀;第安全裕度,喘振控制设定值通过给定值迁移逻辑向种为限权手操控制功能。这种选择设定了一个防喘右迁移。控制线将持续迁移到迁移点( rSUCSP)的振阀的最小开度,它允许操作工开阀,而不允许关,十字线终止。如果操作工认为需要开阀避免喘振时,可以不顾喘般情况下,压缩机不会在喘振线上持续运行振控制器的输出而开阀。当向喘振控制线左方出现或过长时间运行。当工作点在控制线右方(安全区特定窜动时,可组态一个触点输出打开大功率电磁域),喘振控制器的迁移点可在当前Hx值的某一可阀,来使防喘振阀快开。此特性对于有较短阀程的