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1 概述
中國石化股份有限公司安慶分公司焦化裝置機302機組是該裝置120萬噸/年延遲焦化裝置擴能改造工程中的建設項目，該壓縮機機組由沈陽鼓風機股份有限公司生產的離心壓縮機和杭州汽輪機股份有限公司生產的汽輪機組成，壓縮機的設計分子量為26，額定流量為18000Nm3/h。
該富氣壓縮機控制系統采用TRICONEX公司的TS3000系統，硬件方面：TRICON CPU模塊為三取二系統、I/O模塊的輸入輸出通道也是三取二；系統軟件方面：分為上位人機界面組態和下位控制聯鎖方案組態，上位組態軟件是FIX7.0，下位組態軟件是TRICONEX公司的MSW312。該系統對壓縮機機組各參數進行集中控制、聯鎖和保護，部分重要工藝參數送DCS系統進行顯示。
2 硬件組成
該系統的硬件包括一臺主機架和一臺擴展機架，雙冗余電源卡8312、EMP Ⅱ3006主處理器卡、NCM卡4329、EICM卡4119A、AI卡3700A、AO卡3805E、DI卡3503E、DO卡3604E和PI卡3511。
(1) 雙冗余電源
主機架的第一個槽位為雙冗余電源卡件（任一電源卡能滿足一個機架的全部負載），一個電源卡失效不會影響控制器的運行。電源卡為上下分布，上邊的電源兼系統故障報警顯示。擴展機架的第一個槽位同樣是雙冗余電源卡件。兩個機架之間通過擴展三重冗余I/O總線連接，其長度不能超過30米。
(2) 處理器
主機架的第二、三、四個槽位為三塊互為冗余的主處理器（MP）CPU卡，主處理器就裝在電源卡件的旁邊。主處理器包括32位微處理器、I/O通訊處理器、通信處理器和2MB的SRAM。每個主處理器獨立地用它的I/O子系統進行通訊，以及執行用戶編寫的控制程序。TRICON控制器中現場信號分三路，輸入電路A、B、C，過程數據傳到主處理器A、B、C后，每掃描一次，三個MP通過高速三總線（TRIBUS）進行相互通信，進行表決和比較，排除錯誤的輸入數據和輸出正確的數據，實現三重冗余，以保證系統的可靠性。
(3) 通訊卡
NCM（4329）通訊卡NET2口，支持開放網絡，可實現SOE功能、DDE服務器功能。使用TCP/IP或IEEE802.3協議，通訊速率可達10Mbps。NCM通訊卡支持以太網通訊功能，與上位機通訊就是通過NCM卡進行，控制系統默認的IP地址是192.168.1.1（雙卡默認的第二IP地址是192.168.2.1），對于操作站或工程師站也必須各指定一個IP地址。EICM（4119）提供RS-232/RS-422/RS-485通訊口，以Modbus協議作為標準，與裝置CS3000系統以Modbus方式進行通訊，只要對TRICON各變量都指定了Alias，任何標準的Modbus通訊都可以有效地與TRICON控制器進行通訊。TRICON熱插拔特性不適用于EICM和NCM。
(4) 數字和模擬輸入/輸出卡件
輸入輸出卡件也是TRICON控制器實現三重冗余的重要部分。所有的輸入卡件都有三條隔離的輸入支路，獨立地處理輸入卡件的數據，傳送給主處理器A、B、C。數字數據在剛要受到處理之前在主處理器處受到表決、模擬數據用中值選擇算法選出一個值來，用以保證每次掃描的正確數據。通過對每個模擬輸入卡件各支路進行不斷的完全的診斷。任何一條支路上的任何診斷中發現有失效時，卡件就會FAULT報警，輸出機架報警信號，AI卡的FAULT狀態燈指示的是支路故障，不是卡件本身故障。卡件在有單一故障時能保證正常運行，有時在有多重故障時也能繼續正常地運行。每個數字輸出卡件內裝有適用于三條完全相同但彼此隔離的支路所用的電路。各種輸出卡件，除了雙重DC卡件外，都采用特別的四重化輸出電路，這種電路對各個的輸出信號在它們剛要被施加到負載去之前對其進行表決。表決電路的基礎是并行―串行通道，三路中的二個驅動器表決決定進入ON。
3 防喘振控制
在壓縮機與一定容積的管網聯合工作時，當流量小于一定值時，葉片背弧氣流嚴重脫離，直至通道受堵塞，氣流強烈脈動，此時機、網系統氣流的參數出現整體大幅度波動，即氣量、壓力隨時間大幅度周期性變化，壓縮機的功率以及聲響均周期性變化。這種變化非常劇烈乃至機器無法維持正常運行，這種現象稱為喘振。喘振是整個機、網系統發生的現象，因此它不但與壓縮機內部流動特性有關，且決定于管網特性，其振幅、頻率受管網容積的支配。喘振對機組的危害極大，機組各部件因承受過高的應力，從而造成機組滑動部件的加速磨損；軸承產生疲勞裂紋，甚至燒毀；密封元件被損壞等惡性事故。因此離心式壓縮機的防喘振控制是整個機組控制的核心部分。
3.1 防喘振線
當壓比一定時，保證壓縮機入口流量，不低于最小流量控制點的值，為喘振點。例如：在某一轉速，壓比一定時，壓縮機入口流量的喘振點，最小流量值為最大流量的30%，如果裝置處理量降低，使得壓縮機入口流量低于30%，即25%，為保證壓縮機入口的最小流量值，就必須用壓縮機出口量打回入口，來補充不足的5%流量。這樣就起到了防喘振的目的。將喘振點連接成線，稱為喘振線。為了安全起見一般喘振線都設有一定的安全裕度（7%~10%），稱為防喘振線，如圖1所示。
圖1 離心式氣體壓縮機喘振線及防喘振線示意圖
壓縮機喘振控制系統的基本原理，采用壓比（出口壓力/入口壓力）Pd/Ps和
做喘振曲線，其基本形狀為拋物線，而采用Pd/Ps和
作圖時得到的喘振線則基本呈直線形狀（簡化后，得
，這里的h為孔板的差壓，是線性輸入）。
其中：Pd為出口壓力，kPa；Ps為入口壓力，kPa；C為常數（由孔板尺寸決定），m2；h 為孔板差壓（與流量的關系式為Q2=h)，kPa；
3.2 防喘振線的計算
將壓縮機出口與入口壓力的比，即Pd/Ps（Y軸）和孔板差壓h與入口壓力Ps的設計壓力的百分比，即h/Ps?100%（X軸）。
Y坐標：
X坐標：
其中：ρ為密度kg/m3；
Qm為體積流量，m3/h（質量流量M=ρ?Qm，kg/h）；
Ts為入口溫度，K；
Zs為壓縮機壓縮系數，Zs；
C為常數；
Ps為入口壓力(A)，kPa；
MW為壓縮機分子量。
表1 喘振點計算表
將計算出的喘振線五個喘振點輸入到TRICONEX公司提供的喘振函數模塊中，生成防喘振曲線，將Pd/Ps作為K1Y的系數、h/Ps?100%作為K1Y的系數，系統自動生成喘振線。在此基礎上設置好Surge Control Line的參數后，自動生成防喘振線及防喘振線下移的百分比。
其中防喘振偏置系數e1EBIAS=6.0，r1ADMAR為喘振偏置累計，即工作點每進入一次喘振區，r1ADMAR增加2.0，防喘振線下移的百分比由k1RCINC來確定，一般k1RCINC= 2.0。
圖2 喘振控制塊功能圖
為了保證機組的安全，喘振偏置累計將使防喘振控制線隨著工作點進入喘振區的次數而每次2%向右移動，使壓縮機的工作區域減小；必須人為進行復位才能使防喘振控制線恢復到原始位置。
3.3 防喘振控制的實現
TS3000系統具有一個獨特的喘振預測技術，它根據測量壓縮機的入口流量、出口壓力、入口壓力來進行喘振控制。防喘振控制技術由標準的三個喘振控制模塊：Surge-Line、Surge-Detect、Surge-Control進行封裝。
(1) 防喘振控制功能塊
三個喘振控制模塊實現的功能主要有：如果機組發生喘振，防喘振線重新調整；工作點突然移向喘振區，喘振設定值徘徊功能將打開喘振閥；喘振控制器有適配增益和快開、慢關功能；比例功能可忽略控制器的調節，強制打開喘振閥；速度控制器與喘振控制器進行耦合控制，必要時進行解耦；使用自動/手動/半自動控制功能有利于故障檢測和控制系統調試；將等百分比閥進行線性化；當工作點接近喘振線時，閥門預置特性打開喘振閥進行泄壓調整；如果突然發生喘振或聯鎖停車，用開關量信號打開喘振閥放空。以上功能可以細分為13個子功能塊，功能塊結構框圖如圖2所示，各功能塊的作用如下：
? 模塊1 (Surge-Line)：選定喘振算法；TS3000控制算法分兩種：即Pd/Ps～h/Ps喘振算法和 Pd-Ps～h/Ps喘振算法，一般選用Pd/Ps～h/Ps喘振算法；
? 模塊2 (Surge-Detect )：檢測工作點離喘振控制曲線的遠近情況；
? 模塊3 (Recalibrate)：喘振安全域度（即喘振控制曲線與喘振曲線之間的距離）修正，一般域度設7%～10%；
? 模塊4 (Control Line)：生成喘振控制曲線，即喘振曲線加喘振安全域度得到喘振控制曲線；
? 模塊5 (Controller Setpoint)：計算出喘振控制器的設定值。喘振控制器的設定值根據工作點的變化而變化，如工作點位于喘振控制線的右邊，該設定值與工作點的距離為某一設定值，一般設為2%～5%。如果工作點位于喘振控制線的左邊，則與防喘振控制線進行高選，來決定設定值；
? 模塊6 (Controller)：喘振控制器，這是一個快速PID控制器，根據喘振控制器的設定值及當前的入口流量來計算出喘振器的輸出值；
? 模塊7 (Proportional Function)：計算喘振控制器的比例項輸出值。如工藝擾動特別大或其它原因，造成機組突然喘振，喘振控制器來不及響應，這時該模塊輸出一個比例項輸出值來迅速打開放空閥。
? 模塊8 (Startup)：計算機組起動時的控制邏輯輸出值。在機組起動時，控制邏輯使放空閥全開，使機組能安全起動，防止意外事故的發生；
? 模塊9 (Valve Singal Selector)：選擇防喘振控制程序的輸出值。即在快速PID控制器的輸出值、比例項的輸出值、機組起動時邏輯控制器的輸出值三者之間進行高選；
? 模塊10 (Speed Bias)：計算喘振－速度耦合控制器的值。如果喘振發生，控制邏輯會使速度控制器的設定值增加，使機組轉速升高，增加入口流量防止喘振。當然如果轉速升高，機組的出口壓力升高，有可能繼續引起喘振，這時就應該解除耦合，實現解耦控制；
? 模塊11 (Auto/Manual)：設定喘振控制邏輯的手動、部分手動及自動控制功能。如果在手動方式，快速PID控制器的輸出值不起作用。如果在部分手動方式，快速PID控制器仍然監控機組的運行情況，即防喘振控制優先；
? 模塊12 (Valve Prepare)： 閥門預置功能，這一功能用來提高閥門的響應速度；
? 模塊13 (Valve Linearize/Reverse)：進行閥門線性。
以上這些子功能塊可以根據實際需要有選擇的進行組態，不需要的功能塊可以不用組態。
(2) 重要的子模塊的功能與實現
? 喘振線
功能：根據輸入的喘振點繪制出喘振線。
輸入參數：
K1SUMOD： 選擇喘振算法塊的形式。即K1SUMOD為“1”時，喘振算法采用入口流量差壓與出入口壓力比的形式；為“0”時采用入口流量差壓與出入口差壓的關系式。為了簡潔我們選用壓比算法；
k1YA-k1YE：喘振點縱坐標即Pd/Ps（出入口壓力比值）；
k1XA-k1XE：喘振點橫坐標即h/Ps（入口流量差壓與入口壓力的比值）。
k1PART：出入口壓力比值（Pd/Ps）。
輸出參數：
r1HX：若采用K1SUMOD=1，rHX等于流量差壓與入口壓力的比值h/Ps，若采用K1SUMOD=0，rHX等于流量差壓值h，即當前工作點；
r1SULIN：當前工況下對應的喘振點值（% r1HX）。
? 防喘振線的校正
輸入參數：
k1RECT：防喘振校正的類型，為“0”時，以一個常數進行校準，為“1”時，每次以遞增方式校準；
k1RCINC：校正值；
k1RECNO：最多允許校準次數；
r1MAR：實際操作裕度。
輸出參數：
f1INSUR：喘振標志。喘振發生時，此標志為“1”；
r1ADMAR：喘振發生時所調整防喘振線的總裕度；
r1RECNO：當前校準次數；
r1SURNO：當前發生喘振的總累計次數。
當喘振發生時，存在下列表達式關系：
r1ADMAR（喘振發生時所調整防喘振線的總裕度）= r1ADMAR+ k1RCINC（以常數k1RCINC校準防喘振線）；
r1SURNO（當前發生喘振的總累計次數）= r1SURNO+1；
r1RECNO（當前校準次數）= r1RECNO+1。
根據機組的性能的實際要求，設置最多允許校準防喘振線10次，每發生一次喘振，防喘振線向右平移2%。可通過控制參數g1MARRS=0，使r1RECNO=0（當前校準次數）和r1ADMAR=0（喘振發生時所調整防喘振線的總裕度）。
? 防喘振線
輸入參數：
e1EBIAS：設置偏置安全裕度；
e1EPROP：設置安全裕度比例；
r1ADMAR：喘振發生時所調整防喘振線的總裕度（模塊3）；
r1SULIN：當前工況下對應的喘振點值。
輸出參數：
r1SUCLN：當前工況下對應的防喘振線；
r1MARTL：喘振線調整的總裕度。
防喘振控制線等于喘振線加上總的安全校正裕度，見下列表達式：
喘振線調整的總裕度：r1MARTL = e1EBIAS+（r1SULIN* e1EPROP/100）+ r1ADMAR；
防喘振控制線：r1SUCLN = r1SULIN + r1MARTL。
? 喘振控制器的設定點
輸入參數：
k1HOVER：徘徊設定值；
k1HOVERR：徘徊斜坡比例；
r1SUCLIN：當前工況下對應的防喘振點；
r1HX：當前實際工作點。
輸出參數：
r1SUCSP：喘振控制器的設定值。
當操作點遠離喘振線時，喘振控制器的設定點將徘徊接近工作點r1HX，即以k1HOVERR這個比率斜坡靠近點r1HX- k1HOVER。點r1HX-k1HOVER與r1SUCLIN（當前工況下對應的防喘振點喘的值）經過高選后作為振控制器的最終設定值，可見喘振控制器的設定值永遠不會小于防喘振點的值，從而保證了所需的防喘振安全裕度。
? 喘振控制器
輸入參數：
r1SUPB：比例增益；
r1SUINT：積分時間；
r1SUDER：微分時間；
k1SURMP：控制器斜坡下降比率值；
r1SUCSP：控制器的設定值。；
rHX：當前實際工作點；
r1MAR：實際操作裕度；
r1MARTL：喘振線調整的總裕度。
輸出參數：
r1SUCON：控制器的輸出。
喘振控制器在其他工況下，如同常規PID控制器，除了在當前實際工作點超過防喘振控制線的跨度大于適配增益區設定值這種工況，此時調節比例增益將成倍增大，積分項成倍減弱，調節器輸出迅速增大，快速開啟防喘振閥，阻止工作點繼續左移，即喘振控制器的快開特性。當實際工作點已經逐漸向右移到正常工作區時，此時調節器輸出值將與控制器斜坡下降比率值高選結果作為調節器的輸出，防喘振閥將以每秒不大于kSURMP的值逐步慢關，（在該系統中防喘振閥慢關速率每秒鐘不大于3%），這就是喘振控制器的慢關特性，如圖3所示。
圖3 喘振控制器的慢關特性
4 轉速控制和機組聯鎖
在該壓縮機的TS3000系統中除了防喘振控制外，還有汽輪機轉速控制、機組聯鎖和工藝過程控制。
(1) 轉速控制
在一般的壓縮機控制系統中，汽輪機的轉速控制由專門的轉速控制器來實現，在TS3000系統中由汽機調速模塊來實現。主要由調速控制器isMODE的六種操作模式來實現，在每一種模式中按照汽機的性能來進行升速或降速，包括：允許啟動qrdstrt、正常運行qrun、超速試驗qOSTEST、加速升速qACCEL、暖機qWARMUP、正常停車qSHUTDN。在啟動機組時可以按系統提供升速曲線自動進行，也可以手動提速，但轉速控制器的設定點必須按升速曲線的要求來設定。在正常運行時，汽機的轉速由三種控制方式：PLC手動控制方式、壓縮機入口壓力控制方式、DCS控制方式。PLC手動控制方式即手動調節轉速調節器的給定值，壓縮機入口壓力控制方式即通過調節轉速使壓縮機的入口壓力滿足工藝要求，由壓力調節器（主調）和轉速調節器（副調）組成串級調節回路，在機組出現喘振時，由防喘振控制器進行解偶控制，將轉速調節器的控制方式改為PLC手動控制方式。
(2) 機組聯鎖控制
機組聯鎖控制置主要包括：機組啟動條件、啟動潤滑油輔泵和聯鎖停車。聯鎖停車包括七個聯鎖條件：汽輪機轉速高高、潤滑油總管壓力低低、密封氣差壓低低、主密封氣流量高高、密封氣壓力低低、壓縮機軸位移高高、汽輪機軸位移高高。其中主汽輪機轉速、密封氣流量、壓縮機軸位移和汽輪機軸位移信號是二取二，潤滑油總管壓力是三取二。
5 結語
本文介紹了利用TS3000系統的三重冗余的硬件特性和專門的控制模塊在焦化壓縮機控制中的一些體會，其將防喘振控制、汽輪機的轉速控制、機組自保聯鎖和工藝過程控制集于一體，很好的滿足了機組控制的要求，提高了系統的可靠性，確保不會因為控制系統的故障影響機組的正常運行，也提高了故障分析的水平，同時在應用TS3000系統還有很多方面需要更深入地摸索，還需要在實踐中不斷加以總結經驗。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號