今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
顏景義（1982— ）
男，山東鄆城人，助理工程師，學士，(新疆烏魯木齊石化公司煉油廠儀表車間，新疆 烏魯木齊 830019），研究方向為信息通信與應用自動化控制，現就職于新疆烏魯木齊石化公司煉油廠。
摘要:文章介紹了ESD系統改造的具體設計和實現及改造后取得的效果。
關鍵詞:Tricon ESD；三重冗余 ；喘振控制
Abstract:The paper introduces the design and implementation about the transformation of ESD system. Also the effect is detailed.
Key words:Tricon ESD ; Tri-redundance ; anti-surge control
ESD緊急停車系統按照安全獨立原則要求，獨立于DCS集散控制系統，其安全級別高于DCS。在正常情況下，ESD系統是處于靜態的，不需要人為干預。作為安全保護系統，凌駕于生產過程控制之上，實時在線監測裝置的安全性。只有當生產裝置出現緊急情況時，不需要經過DCS系統，而直接由ESD發出保護聯鎖信號，對現場設備進行安全保護，使生產裝置進入一個預定義的安全停車工況，從而使危險降低到可以接受的最低程度，以保證人員、設備、生產和裝置的安全。為提高企業的經濟效益，安全平穩、長周期地連續生產是至關重要的。“該動則動，不該動則一定不動”是ESD的明顯特征。煉油廠蠟催裝置是煉油廠最重要的生產裝置之一，蠟催機組則是裝置的心臟，隨著老系統的使用年限增加，故障率也隨之增長，為機組安全運行埋下隱患。成為我廠將來兩年完成600萬原油加工量任務的絆腳石。為了更好地提高機組控制系統的整體性、可用性、保證機組控制安全可靠，選用了Tricon ESD TS3000控制系統對蠟催裝置聯鎖系統進行了全面的改造。
1 原有系統的狀況分析及升級ESD系統的必要性分析
（1）蠟催大機組由1，2#主風機和氣壓機組成。其中：1，2#主風機由西門子的S5系列PLC控制；氣壓機是由沈陽鼓風機廠生產的TRICON公司的TS3000系統進行控制，上位機為FOX系統；自保系統由深圳美利華TRIFIG公司生產的ESD系統，狀態監視系統采用BENTLY3300來監測2#主風機和氣壓機振動、位移、轉速等狀態參數。主風機，氣壓機，自保系統，機組狀態監測系統由不同五套系統控制組成。控制方案復雜，可靠性差，給機組維護造成很大的困難，并且備品備件的儲備種類繁雜，無法做到備件的完備。
（2） 由于原來1，2#主風機組聯鎖系統西門子S5系列PLC不能處理模擬量AI，AO信號，只能處理DI，DO信號，其模擬量信號處理由DCS完成；自保和氣壓機聯鎖是兩套不同的ESD系統。這就造成現場來信號，報警臺信號接線錯綜復雜；系統之間無法進行通訊；三機崗位多臺操作站分散操作，給工藝操作和判斷帶來了很大的不便；大大增加了故障出現的幾率。
（3） 1，2#主風機組聯鎖系統沒有歷史趨勢，實時趨勢，SOE事件順序記錄、機組控制PID(如防喘振控制及調速控制等)及常規指示記錄功能、故障診斷功能，使日常操作及事故分析手段都不完善。
（4） 主風機，氣壓機，自保系統，機組狀態監測系統使用年限均超過8年，出現老化現象（有部分配件廠家已停止生產），故障率逐年升高。
綜上所述對原有的蠟催大機組控制系統進行升級改造勢在必行。
2 ESD升級改造配置及應用
2.1 系統配置
系統選用美國TRICONEX 公司TRICON V10控制器，組態軟件為Tristation 1131 v4.1。監控和人機界面軟件選用Wonderware Intouch v.9.5版。控制程序和HMI畫面由北京康吉森自動化設備技術有限公司和煉油儀表車間共同編制完成。改造完成后，實現了透平-壓縮機一體化控制系統ITCC(Integrated Turbine & CompressorControl)在一套控制器內實現了三機組的緊急停車聯鎖保護、安全運行。它包括：主風機防喘振控制、逆流保護、油泵控制、負荷控制等；富氣壓縮機組汽輪機調速控制、氣壓機防喘振控制；機組聯鎖保護；潤滑油泵、復水泵控制以及催化裝置聯鎖自保系統、相關過程監控、過程報警等功能。
保留原來的氣壓機ESD系統，把控制器由3007升級為現有的3008，對原來電源進行了更換，與新增的2臺ESD機柜共同組成現在的TS3000系統。選用3臺DELL工作站作為該裝置的工程師站及操作站，工程師站可以離線和在線組態、修改、設置參數及系統維護和操作功能，并作為操作站監控現場和調節操作。
系統采用三重化技術，就是說：所有重要電路都實現三重化，三重化的每個部分是獨立的，但三個部分的功能又完全相同。三重化電路的輸出信號在成為系統輸出之前，經過一個三取二的表決芯片。當三個電路中有一路發生故障，輸出錯誤信號，經過三取二表決后該錯誤信號被屏蔽掉，系統仍然輸出正確的信號（電壓、電流或開關狀態）。系統不會因為內部故障而對過程產生影響。每種類型I/O卡件具備雙重化冗余容錯功能，同時卡件具備對故障和信號出錯的鑒別及處理功能，所有I/O卡件還具備對現場開路及短路等故障的鑒別及處理功能，每種類型卡件均能在線熱插拔和更換。
用BENTLY3500狀態監視儀取代原來的2套BENTLY3300狀態監視儀，實現3500與ESD之間的通訊，使3500數據在ESD 系統中方便的進行的讀取，歷史趨勢，實時趨勢的存儲，報警，打印等功能，如圖1所示。
圖1 2#機組狀態監測畫面
采用一入兩出安全柵將重要參數分別引進DCS系統和ESD系統中；利用ESD 的MODUBUS通訊功能，將ESD控制器與DCS通過RS-232/485接口與DCS系統進行通訊，通過系統組態，
2.2 系統實現的功能
（1）SOE·事件順序記錄
系統帶有SOE功能，I/O卡件給控制器提供事件順序能力，在每次掃描期間，控制器檢查所指定的被稱為事件的離散變量的狀態改變。當一個事件發生時，控制器將變量的當前狀態和時間協簽存儲在緩沖區內，以便組態提取事件順序。SOE的識別時間間隔為≤1ms，SOE的事件記錄存儲時間為不少于6個月，并可實時存貯在硬盤中，并可通過打印機打印出來通過事件記錄畫面按時間順序記錄、顯示及打印所有設備故障或報警事件及相關信息，事件記錄可按要求選擇記錄格式，存儲時間及打印的時間間隔。通過該功能，監控人員就可以通過發生事件時間順序，查找第一故障點，從而準確的進行處理。
（2）第一事件報警
報警在生產運行中作為重要的一員，其重要性不言而喻。為了更直觀，快捷的判斷報警事件，在組態時開發了第一事件報警。經過畫面點與系統內部系統參數的鏈接，將相關的報警值每5個分為1個塊，3塊為1組，當報警發生時可以清楚地得到每一塊，每一組和全部報警的時間及順序。為操作人員分析和維護裝置起到了舉足輕重的作用。
如圖2所示，Tricon ESD TS3000已經為我們提供了最直接的分析。
圖2 氣壓機系統報警畫面
（3）氣壓機，主風機防喘振
壓縮機在運行過程中吸入流量減少到一定值時，出現一種不穩定的工作現象，其吸入流量和出口壓力會周期低頻率大幅度的波動，并引起設備的強烈振動，這種現象被稱為壓縮機的喘振。每臺離心式或軸流式壓縮機都有一個最大壓頭和最小流量的極限，超過這個極限，壓縮機將會發生喘振。
壓縮機喘振控制作為壓縮機的保護裝置是非常重要的，防止這種有害現象發生是壓縮機控制系統最重要的任務之一。要想防止壓縮機喘振的發生，就要知道壓縮機運行時它的喘振點在哪里，才能確定一個合適的喘振控制裕度，再根據喘振發生的特點通過一些特定的控制來控制防喘振的發生，保護機組安全穩定地運行。
如圖3所示，畫面中列出了蠟催裝置二號主風機的運行工作情況，左圖內橫坐標通過入口風量（FR402）計算出的流量百分數，縱坐標表示主風出口壓力，從而計算出喘振線（圖中紅線部分），綠線表示喘振控制線。機組正常工作在綠線右邊的區域內，如果工作點進入綠線左邊，大放空閥將自動打開。
圖3 二號主風機防喘振控制畫面
除常規防喘振控制外，機組每喘振一次，系統將出現一條橙色修正喘振線，該修正喘振線的位置為喘振控制線向右移動2%。從而更好地避免喘振的發生。右邊實時曲線顯示的是喉部差壓，出口壓力、入口壓力、入口流量的實時趨勢圖。由此畫面我們就可以清楚地看到機組的當前狀態，及直觀的感覺到機組異常狀態。
（4）氣壓機升速完善
此次改造的中，有一項重要的原因就是氣壓機升速不穩。這一問題早就成了全廠關注的重點。對于全廠級特護設備出現的問題，這無疑是埋在一車間的一顆定時炸彈。對此，我們這次改造中征求全廠技術人員的分析結果，結合原來程序的運算，重新運算驗證了如圖4所示的升速曲線。
圖4 氣壓機升速曲線
自動方式升速時，按設置的參數進行升速，升速率，正常爬坡速率，臨界轉速（3600～4800 RPM），快速爬坡速率（臨界段）經過重新計算，真正實現蠟催氣壓機的量身定制。新程序還可以通過按升速/降速命令按鈕來實現手動方式升速，連續按下不放手時，升速速率與自動相同。
由 模式0：停車—〉模式1：系統復位—〉模式2：允許啟動—〉模式3：暖機1(3600rpm)—〉模式4：暖機2(4800rpm)—〉模式5：升速，過臨界—〉模式6：正常運行。逐步平穩的完成氣壓機的整個升速過程。
2.3 改造經驗
（1）為了維護方便、系統靜態調試和工藝操作，特別是裝置開停車的需要，對每個參與聯鎖的點都設置旁路開關。
這樣就大大方便了系統靜態調試和工藝操作。而且對系統特殊狀態下的運行也提供了保證。
（2）Tricon ESD TS3000三重冗余的優勢并不能只是體現在硬件上。在機組改造過程中，筆者吸取去年工藝人員因誤操作導致裝置波動的教訓，在所有點的輸入部分，當輸入變化大于5%時，都會提出“確認”以防治誤操作的發生。
圖5 蠟催裝置工藝聯鎖關系圖
3 改造完成后取得的效果
改造完成通過對壓縮機機組的控制系統的組態和調試，采用最佳控制方案，使壓縮機機組在非滿負荷的工況下，效率最高，操作范圍寬，設備安全，具有足夠的靈活性和可靠的防喘振保護系統。然后又通過熟悉掌握工藝過程和壓縮機的操作性能，對壓縮機機組原來的故障現象進行分析和研究，制定壓縮機機組診斷維護方案，從而使壓縮機控制系統達到最佳化和最優化。大大提高了機組運行的可靠性
另外，改造完成后，畫面直觀，操作簡單，維護方便，讓使用和維護者得到最直接的利益。
4 結束語
緊急停車系統作為一套安全保護系統，其責任和重要性不言而喻。一個好的安全聯鎖保護系統必須具有很高的可靠性、安全性和可用性。蠟催裝置的Tricon ESD TS3000控制系統投用以來，系統安全穩定可靠，使用效果良好，不僅操作簡單、組態方便，且維護量小、故障率低，提高了裝置的生產操作控制和管理水平，優化了裝置的運行，取得良好的經濟效益和社會效率。
其它作者：
楊海濤（1973- ），男，新疆烏魯木齊人,儀表技術員，本科，研究方向為應用自動化控制，現就職于新疆烏魯木齊石化公司煉油廠。
參考文獻
[1] ESD操作規程.
[2] 北京康吉森自動化設備技術有限公司. LAB-Intouch Training.
[3] 北京康吉森自動化設備技術有限公司. Tricon設計與安裝手冊.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號