复杂控制在三重化机组综合控制系统中成功应用

　　三重化冗余机组综合控制系统，就是所有重要电路都实现三重化或物理三重化并且具备冗余功能，安全等级必须具备TUV 6级或SIL-3级认证。它克服了以往分散控制系统的缺点，把机组的各个控制部分，包括：机组联锁ESD、SOE事件顺序记录、机组控制PID(例如：防喘振控制、调速控制等)及常规指示记录功能，故障诊断功能等完美地结合在一起，集成为一套机组综合控制系统。由于它的组态及编程功能强大，才使得复杂控制在三重化冗余综合控制系统中得到成功应用，并在石油、化工、冶金等大型机组综合控制中得到广泛应用。

　　关键词：三重化；冗余；安全等级；机组综合控制；复杂控制；应用

　　0、引言

　　大型机组在生产过程中起到心脏的作用，为此许多厂家对生产装置大型机组重要性的认识，逐年提高。为避免事故的发生，多数厂家已经采用三重化冗余综合控制系统。目前在石油、化工、冶金等应用广泛的大型机组综合控制系统，有ICS Triplex控制系统TMR、CCC控制系统TMR、Tricon控制系统TMR、Woodward MicroNet™控制系统TMR、GE GMR控制系统等综合控制系统。机组综合控制系统包括：机组联锁ESD、SOE事件顺序记录、机组控制PID(例如：防喘振控制及调速控制等)及常规指示记录功能、故障诊断功能，为了让大家了解，复杂控制在三重化冗余机组综合控制系统中的成功应用，首先介绍三重化冗余综合控制系统概念。

　　1、三重化冗余综合控制系统概念

　　三重化模块冗余-TMR：系统采用三重化技术，就是说：所有重要电路都实现三重化，三重化的每个部分是独立的，但三个部分的功能又完全相同。三重化电路的输出信号在成为系统输出之前，经过一个三取二的表决芯片。当三个电路中有一路发生故障，输出错误信号，经过三取二表决后该错误信号被屏蔽掉，系统仍然输出正确的信号（电压、电流或开关状态）。系统不会因为内部故障而对过程产生影响。

　　冗余：系统能在线更换模块是三重化技术的必然要求。在线更换必须达到冗余要求，就是在不中断系统正常运行的条件下，系统自动将发生故障模块（主），切换到备用模块，实现冗余功能。控制权交给备用模块之后，发生故障的模块可以在线拔出，对故障模块进行维护。

　　机组综合控制系统包括：机组联锁ESD、SOE事件顺序记录、机组控制PID(例如：防喘振控制及调速控制等)及常规指示记录功能、故障诊断功能。

　　2、安全系统标准

　　IEC61508 是一个有关工业安全系统的国际标准。它涉及电子、电路以及可编程电子系统，涵盖硬件和软件两个方面。

　　德国TUV 标准和国际电工委员会IEC 61508 标准的对应关系

        
　　三重化冗余综合控制系统必须具备TUV 6级或SIL-3级认证，就是说：当系统中出现一个或者多个故障时，系统能正常运行，同时故障模块能够在线更换。如果故障超出了系统的容错能力，则系统将按照预先的设定，转为失效－安全模式，确保用户生产装置和设备的安全。这种设计适用于高可靠性、高可用度以及对系统在线时间要求很高的应用场合，例如：石油、化工、冶金等大型机组综合控制系统应用场合。

　　3、常用综合控制系统比较

　　价格：
　　ICS Triplex控制系统最高、CCC控制系统、Woodward MicroNet™控制系统、Tricon控制系统、GE GMR控制系统最低。

　　SOE时间：
　　ICS Triplex控制系统为1毫秒，CCC控制系统为一个扫描周期（50毫秒内），Woodward MicroNet™控制系统最快5毫秒，Tricon控制系统为一个扫描周期（50毫秒内），GE GMR控制系统为一个扫描周期（40毫秒内）。

　　三重化实现：
　　ICS Triplex控制系统、CCC控制系统、Tricon控制系统为单卡内部实现三重化。Woodward MicroNet™控制系统、GE GMR控制系统为外部硬件实现三重化。

　　4、复杂控制在三重化机组综合控制系统应用实例

　　复杂控制在三重化冗余综合控制系统中成功应用，实例以Tricon综合控系统为例。

　　4.1、镇海重整C702机组，压力三分程、防喘振、调速及递推综合控制

　4.1.1、V701罐压力PIC7003输出三分程控制递推控制

　　调节器为＂正＂作用
　　PIC7003调节器输出0~100%分成三部分

　　* 0~30%低选分程后控制一段回流阀

　　将0~30%转换成0~100%，输出至手操器HIC－7012，手操器HIC－7012输出与PIC7005输出的50~100%转换成0~100%反向，低选输出，再与防喘振控制器FIC7012的输出反向，进行低选后，进行分程放大控制，（50~100%转换成0~100%）FV7012A、（0~50%转换成0~100%）FV7012B两个一段回流阀。

　　* 30~60%输出作为C702机组调速外给定

　　将30~60%转换成0~100%，输出经手操器HIC－7020作为C702转速控制器的串级给定信号，C702转速控制器既可以压力串级控制，也可以通过在DCS上进行外给定转速控制，通过内给定为本地转速控制，当SIC－C702选择外给定时，必须选择是压力控制还是DCS控制，外给定转速控制范围9000～10500 RPM。

　　*60~100%控制V701放空阀

　　将60~100%转换成0~100%输出，经手操器HIC－7003输出至V701放空阀PV7003。

　　注意：

　　为解决喘振与调速耦合，当进入防喘振控制区时，调速自动转到手动（在正常运行调速范围）升速/降速。

　　4.1.2、防喘振控制

　　　　FIC7012防喘振控制 (略)

　　　　FIC7013防喘振控制 (略)

　　4.1.3、递推控制

　　当V703压力，PIC－7006压力高时，通过控制V702压力，PIC－7005，使二段回流阀FV7013A、FV7013B开，将能量传递到一段，再通过V701压力，PIC-7003使一段回流阀FV7012A、FV7012B开，将能量传递到V701，通过V701放空阀PV7003放空，实现递推控制。

　　PIC7005输出二分程

　　调节器为＂正＂作用

　　*0~50%分程放大输出控制两个二段回流阀

　　0~50%转换成0~100%与PIC7006输出的50~100%转换成0~100%反向，低选输出再与防喘振控制器FIC7013的反向输出，进行低选后，进行分程放大控制（50~100%转换成0~100%）FV7013A、（0~50%转换成0~100%）FV7013B两个二段回流阀。

　　*50~100%低选分程后控制一段回流阀

　　50~100%转换成0~100%反向输出与PIC7003输出的手操器HIC－7012输出，低选输出，再与防喘振控制器FIC7012的输出反向，进行低选后，进行分程放大控制，（50~100%转换成0~100%）FV7012A、（0~50%转换成0~100%）FV7012B两个一段回流阀。

　　PIC7006输出二分程

　　调节器为＂正＂作用

　　*0~50%控制V704A/B阀PV7006

　　将0~50%转换成0~100%控制PV7006阀。

　　*50~100%分程放大输出控制两个二段回流阀

　　50~100%转换成0~100%反向后输出，与PIC7005的0~50%分程放大，低选输出，再与防喘振控制器FIC7013的反向输出，进行低选后，进行分程放大控制（50~100%转换成0~100%）FV7013A、（0~50%转换成0~100%）FV7013B两个二段回流阀。

　　4.2、C702机组调速
    
　　4.2.1、启动条件

　　1）、首先C702机组联锁条件正常（说明：置1正常，置0联锁动作）

　　　　*、压缩机低压缸轴位移高高正常，另外还设有软切除；

　　　　*、压缩机高压缸轴位移高高正常，另外还设有软切除；

　　　　*、汽轮机轴位移高高正常，另外还设有软切除；

　　　　*、润滑油压力低低正常，并设有软切除，联锁（置0）时，延时2秒钟后，输出置0，目的是防止由于扰动可能产生的误动作，如果置0延时在2秒钟内，则输出不置0即保持原输出不动；

　　　　*、汽轮机排汽压力高正常，并设有软切除，联锁（置0）时，延时2秒钟后，输出置0，如果置0延时在2秒钟内，则输出不置0即保持原输出不动；

　　　　*、汽轮机就地盘手动停机，正常时置1；

　　　　*、V708增压机液位高高正常，联锁（置0）时，延时2秒钟后，输出置0，如果置0延时在2秒钟内，则输出不置0即保持原输出不动；

　　　　*、V702一段再接触罐液位高高正常，联锁（置0）时，延时2秒钟后，输出置0，如果置0延时在2秒钟内，则输出不置0即保持原输出不动；

　　　　*、V702二段再接触罐液位高高正常，联锁（置0）时，延时2秒钟后，输出置0，如果置0延时在2秒钟内，则输出不置0即保持原输出不动；

　　　　*、C702紧急停车，正常时置1；

　　　　*、C702调速系统正常停机，正常时置1；

　　　　*、C702超速跳闸及联锁，正常时置1；

　　上述条件只要有一项不满足联锁就无法自锁，调速系统模式iMODE_C702=0，当条件都满足时，按下C702系统软复位按钮gC702RS按钮时，C702停联锁继电器返回信号dESD_DI04自锁，使C702停机置1及去TS3000 C702调速系统fC702T置1，iMODE_C702=1，联锁系统复位。

　　2）、C702机组启动条件正常（说明：满足条件置1，否则置0）

　　　　*、盘车机构电机停置1；

　　　　*、防喘振阀全开置1；

　　　　*、润滑油压力正常置1；

　　　　*、润滑油温度正常置1；

　　　　*、C702停机联锁复位fC702T置1；

　　　　*、速关阀关置0反向后和速关阀开置1进行“与”操作，目的是检验速关阀开关是否有故障。

　　上述条件都满足时，C702允许启动灯亮置1，同时允许启动置1，去调速系统TS3000，使调速系统运行模式iMODE_C702 =2，进入允许启动模式。当确认系统正确无误时，按启动命令按钮，硬按钮或软按钮，进入第一暖机目标值1000RPM，iMODE_C702=3，系统在自动模式下，就开始自动按预定的升速曲线开始升速。调节器为＂反＂作用。

　　4.2.2、启动过程及控制

　　按启动命令前要检查以下开关状态：
　　在HMI调速画面中，首先检查调速操作

　　①、 选择冷/热启动方式

　　热启动时， 第一暖机模式iMODE_C702 =3，倒计时10 分钟，第二暖机模式iMODE_C702 =4，倒计时间默认20 分钟，但通过登陆到工段级以上，可以修改倒计时时间，倒计时时间在0～5小时内可任意设定。冷启动时，第一暖机模式iMODE_C702 =3，倒计时20 分钟，第二暖机模式iMODE_C702 =4，倒计时间TMR_02_PT_C702默认20 分钟，但通过登陆到工段级以上，可以修改倒计时时间，倒计时时间在0～5小时内可任意设定。

　　② 、手动升速/自动升速操作方式选择

　　自动方式升速时，按设置的参数进行升速，升速率（1000RPM），正常爬坡速率（600.0RPM），临界转速（3000.0～5000.0 RPM），快速爬坡速率（临界段）（4000.0 RPM）在6300.0 ～10934.0 rpm转速范围内任意可调，条件是转速调节器SIC_C702也在自动模式。手动方式升速时（不建议），按升速/降速命令按钮(硬按钮或HMI软按钮)，按一下升几转，连续按下不放手时，升速速率与自动相同，条件是转速调节器SIC_C702也在自动模式，SIC_C702调速切换(外给/中控选择)。

　　第二暖机模式结束后，自动进入加速升速iMODE_C702 =5在此期间要通过临界转速3000.0～5000.0 RPM）到达目标转速6300.0进入正常运行模式iMODE_C702 =6，此后可以根据调节器给定值来调节C702机组转速，范围为6300.0 ～10934.0 rpm。

　　在自动升速时，按照升速曲线运行（见升速曲线）

　　iMODE_C702表示C702机组在升速过程中的各个状态：
　　　　iMODE_C702 0： 停机
　　　　iMODE_C702 1： 系统复位
　　　　iMODE_C702 2： 允许启动
　　　　iMODE_C702 3： 暖机1到计时
　　　　iMODE_C702 4： 暖机2到计时
　　　　iMODE_C702 5： 加速升速
　　　　iMODE_C702 6： 正常运行
　　　　iMODE_C702 7： 正常停车
　　　　iMODE_C702 8：　　　　　　　超速试验 

　　4.2.3、超速试验

　　首先选择超速试验选择开关（有工段级以上权限），选择现场/中控室启动超速试验，只有在iMODE_C702 =0时（停机），超速试验按钮才起作用，按超速试验按钮，画面用闪烁提示超速试验状态。其余与升速过程相同，进入超速试验iMODE_C702 置8，到达跳闸置时，发出联锁跳闸指令置1，iMODE_C702 置0，

　　4.2.4、正常停急

　　需在运行模式下iMODE_C702 置6，在HMI调速画面上，按正常停机按钮（有工段级以上权限）置1，iMODE_C702 置7进入正常停机模式，目标转速1000RPM，等到测量转速降到等于1010RPM时，倒计时2分钟后，自动停机，iMODE_C702 置0。

　　4.2.5、外给定/中控室调节选择

　　外给定分为DCS给定和PIC7003三分程控制输出PY7003的30～60%放大到0～100%后，转换成9000～10500RPM经手操器输出作为调速器外给定，选择DCS给定或PIC7003给定，由DCS/压力选择开关决定。

　　注意：

　　C702在升速过程中，无论在手动还是自动操作模式时，通过临界区时，均强制自动操作通过，待通过临界区后恢复正常升速。

　　汽轮机单机超速试验时，注意：只有在停机时，按超速试验按钮，否则不可以超速试验。超速试验时，分电子超速和机械超速试验，在电子超速状态下，不能做机械超速，因为电子超速的量程范围被限制，只有在机械超速试验状态下，才可以机械超速试验（量程范围被扩大）。当正常运行时，操作员误操作，没有将机械超速选择开关转到电子超速，程序默认电子超速。

　　4.3、扬子重油催化烟机，再生器压力三分程

　　4.3.1、再生器压力PIC1三分程放大控制输出
　　调节器为＂正＂作用
　　PIC1调节器输出0~100%分成三部分
　　每一部分三分程输出都设有手操器

　　*0~30%低选分程后控制烟机入口蝶阀

　　将0~30%转换成0~100%，输出至手操器HIC1，手操器HIC1输出与转速SIC401（反作用）输出及烟机出口温度控制TIC52（反作用）输出，输出低选，如果转速大于7000.0rpm或装置联锁置0，机组烟机入口蝶阀产生部分关闭指令10%（开10%），使HIC4输出等于10。另外转速在此有自动跟踪功能。部分关闭复位，用HIC1手操器，手动/自动切换置“手动”，使部分关闭复位。

　　*30~60%输出控制小旁路控制阀

　　将30~60%转换成0~100%，输出经手操器HIC3输出到小旁路阀，输出值显示，反向后输出到阀vIP12B。

　　*60~100%输出控制大旁路控制阀

　　将30~60%转换成0~100%，输出经手操器HIC2输出到大旁路阀，输出值显示，反向后输出到阀vIP12A。

　　5、结束语

　　通过上述复杂控制在三重化冗余综合控制系统中成功应用实例的描述，三重化冗余机组综合控制系统，ICS Triplex控制系统TMR、CCC控制系统TMR、Tricon控制系统TMR、Woodward MicroNet™控制系统TMR、GE GMR控制系统，都可以较好地在大型机组中，完成各种控制功能和联锁功能，克服了以往分散控制系统的缺点，把机组的各个控制部分，包括：常规调节及指示记录、调速控制、防喘振控制、事件顺序纪录（SOE）功能、故障诊断功能及机组的紧急停车联锁等完美地结合在一起，集成为一套机组综合控制系统，实现机组复杂综合控制最优化。

　　至于用户选择哪种三重化冗余机组综合控制系统（TMR），这就需要用户根据自己对各种TMR系统的认识程度决定，各种TMR系统都有它自身独特的优点。天津市协力自动化工程有限公司是专门从事工业安全自动化系统集成商，可以帮助您选择最适合您的一种方案，E-mail：tjjiangyue@163.com。

　　由于三重化冗余机组综合控制系统组态简单方便，组态及编程功能强大，可以实现复杂控制，安全可靠，维护方便，在大型机组中应用得到各方人事的一致认可，现广泛应用于炼油、化工、冶金等企业中。