三重化控制系統在壓縮機性能控制及調速上的應用

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三重化控制系統在壓縮機性能控制及調速上的應用神華集團包頭煤化工公司富氣壓縮機採用TS3000系統控制，用於操作監控、報警及聯鎖監視、各種條件確認、迴路調節、聯鎖保護、調速控制和防喘振等。系統組成有：控制器、上位機以及具有組態功能的下位機。

關鍵詞：三重化冗餘；性能曲線；汽機調速

目錄

1　三重化系統特點

TS3000是基於三重化模件冗餘（TMR）結構的容錯控制器。它將三路隔離、並行的控制系統和診斷集成在一個系統中，通過三取二表決提供高度完善、無差錯、不間斷的過程控制，不會因單點故障導致系統失效。傳感器信號在輸入模塊中被分成隔離的三路，通過三個獨立的通道分別送往各處理器。處理器間的TriBUS總線按表決糾正輸入數據偏差。保證每個主處理器使用相同的表決數據完成應用程序。處理器的輸出沿着三個通道，送到輸出模塊並再次進行表決/選擇。表決電路中包含有總的「反饋」電路，用於對輸出狀態做最後校驗並診斷潛在的故障。系統對每個獨立的分電路、模塊組件和每個功能電路都進行廣泛的診斷，對操作錯誤進行檢測和報告。所有診斷信息都貯存在系統變量里和/或由LED和報警觸點指示。這些信息可供應用程序使用以調整控制作用或直接進行維護，並且所有硬件都可以在線更換。系統可以在3、2或1個處理器完好下正常操作，具有全面的系統診斷特點確保了系統時刻保持高度的完善。

1.1　處理器模塊

三個處理器控制三個隔離的分電路，每個處理器與另外兩個處理器平行運行並作為三重化成員之一。每個處理器專用I/O通訊處理器還管理處理器與I/O模塊間數據交換。三重化I/O總線裝在機架背面，通過I/O總線電纜可以延伸到另一個機架。每個輸入模塊輪詢時，新的輸入數據通過I/O總線相應分電路傳送到處理器。來自每個輸入模塊的輸入數據匯成在處理器中，並存入存貯器用於硬件表決。

每個處理器的各個輸入表，以專用TriBUS總線傳送到相鄰的處理器中，同時進行硬件表決。採用可編程直接存取存貯器使三個處理器間同步傳遞、表決和數據比較。若出現不一致，兩個占優勢的處理器對不同者進行修正。每個處理器都保持數據在自身存貯器內進行必要的校正，任何差異都有旗標表示，每次掃描完畢，由內部的故障分析程序判斷在個別模塊上是否有故障存在。經總線傳輸後，輸入數據表決出一個正確的輸入送到控制程序，每個處理與相鄰的其它兩個處理器並行地執行控制程序。控制程序根據建立的規則生成以輸入值表為基礎的輸出值匯總表，每個處理器的IOC處理器可通過I/O擴展總線把輸出數據送到輸出模塊。

1.2　數字輸入模塊

I/O模塊以數字輸入和模似輸出為例，其它類型I/

O模塊略。

三個分電路裝在同一模塊內，但都完全隔離並獨立操作，一個分電路故障不會擴散到另外的分電路里。每個分電路都有一微處理器，能與相應的主處理器進行通訊。

三個分電路中都可異步檢查輸入端子模塊上的每點信號，以判別其狀態並將值放在相應A、B、C輸入表內。異步讀數可用高頻濾波使系統對干擾少受影響。每個輸入表通過I/O總線用I/O通信處理器定期進行輪詢，通信處理器在相應主處理器中。

數字輸入模塊具有專門的自測電路，用不足500微秒內檢測「ON」粘住（指閉合接點不能斷開）和「OFF」粘住故障。具有故障安全系統必備特性，在檢測出輸入故障時，把輸入值強制在安全狀態。

1.3　模似輸出模塊

與數字輸出模塊相似，輸出模塊接受輸出值的三個表，每一分電路從相應的主處理器獲取。在每一個分電路數/模轉換器後，其中一個分電路被選中時就可驅動模擬輸出。輸出是連續地用每點的輸入反饋迴路校核以使其達到正確，每一點是被三個處理器同時讀取的，若工作的分電路故障，並選擇新的分電路輸出。驅動分電路的選定是在分電路間輪換的，三個分電路都可測試到。綜上所述，控制系統三重化冗餘結構，保證了設備的容錯能力，有效地克服了處理器、I/O模塊等(電源模塊屬雙重化冗餘，除外)硬件原因造成的系統故障。

2　操作畫面

2.1　狀態和報警

每幅操作畫面上方的「狀態和報警信息窗口」，具體如圖1所示。

信息報警窗口一欄顯示改變時間、位號及狀態值。狀態及登錄窗口有當前操作權限(登錄可改變操作權限)。聯鎖投用或切除、報警及聯鎖、潤滑油泵運行狀態、電加熱器啟/停、防喘振閥開度及汽機轉速等。

2.2　操作流程畫面

操作畫面分「開車條件」、「工藝流程」、「報警畫面」、「性能曲線」、「汽機調速」、「調節迴路」、「趨勢圖」、「棒狀圖」、「測點清單」和「硬件故障」。「工藝流程」包含「氣路流程圖」、「潤滑油系統」、「干氣密封系統」和「氮氣、干氣系統」。

2.3　開車條件及聯鎖停車

開車條件含有防喘振調節閥狀態、潤滑油壓、油溫、密封氣壓、密封氣差壓及流量、機組各聯鎖點是否正常，速關閥狀態及聯鎖停機（TRIP）點是否恢復等，各條件滿足後，機組具備啟車條件。

停車分手動停車和聯鎖停車兩種：手動停可在現場操作，也可在操作面板上按「緊急停車」或輔助操作台按緊停按鈕。

自動停車，聯鎖點包括：汽輪機三個轉速聯鎖，三取二表決，兩點≥11865rpm時聯鎖停車；潤滑油總管壓力三個聯鎖點，三取二表決，兩點≤0.1MPaG時聯鎖；密封氣差壓≤0.1MPaG時聯鎖；密封氣流量≥8Nm3/h時聯鎖；壓縮機軸位移兩測點,有一點≥0.7mm時聯鎖以及汽輪機軸位移兩測點中有一點≥0.8mm時聯鎖停車。

2.4　潤滑油系統

兩台油泵A、B，現場指定一台為主泵，另一台則為輔泵，室內、就地都能啟動A、B油泵。正常下，主油泵處運行狀態，當油壓力≤0.15MPa時，系統啟動輔油泵，當壓力正常後，停輔油泵。

根據既往經驗，為防止晃電現象產生，主油泵應設計為透平驅動，在遇有晃電時，不會造成機組停車。

3 性能曲線

3.1　性能曲線表現形式

本系統採用動態防喘振技術，它是根據機組運行狀態動態調整防喘振工作線，實時監測、控制，及時克服各種干擾引起的喘振，確保機組安全運行。

喘振工況的檢測至關重要，以往大多防喘振控制技術中經常出現由於氣體組分、分子量變化而出現很大的偏差，原因是喘振工況不易檢測。我公司富氣離心壓縮機採用Pd/Pi～h/Pi 特性曲線控制，是因為其機組的喘振曲線是非線性的。式中：

·Pd - 排出氣體絕對壓力；

·Pi - 吸入氣體絕對壓力；

· h- 入口文丘里壓差。

在被輸氣體物理特性不變的情況下，離心壓縮機特性曲線如圖2所示。

不同轉速下曲線有一個最高點，最高點連線即為機組在不同轉速下的喘振極限曲線，圖中的喘振極限曲線右側為機組運行的工作區，其陰影部分即為喘振區，機組正常運行時需要避免進入此區間。

在測定喘振極限流量線工作時，首先需核實被壓縮介質成分、溫度、壓力和分子量等工況，TS3000提供十段折線組成防喘振曲線，實際應用中喘振曲線一般需測量3～6點轉速。例如在測量n1（rpm）轉速下，打開旁路，此時壓縮機肯定運行在正常工況下，逐漸關閉旁路，直至出現喘振，記錄入、出口壓及入口節流裝置差壓；對n2、n3直至n11下轉速喘振測試如上所述，這樣就獲得一條實際喘振極限流量線，實際控制中再將這條曲線右移5%～10%作為生產中的操作線，稱安全裕度。若過於提高安全裕度，則以減少工作區為代價，實際操作中不僅難以控制，也起不到長周期運行的目的，適當安全裕度不僅使機給安全運行，又能降低能耗。我們知道，可變極限流量防喘振控制比固定極限流量防喘振具有明顯優勢，最重要的是可變極限防喘振減少壓機能量損耗。由於生產過程中富氣流量波動大，需要採用調轉速來控制流量，使其沿着當前防喘振線右側運行。