重整裝置氫壓機組控制系統安全和性能的提升

葉方軍

（中國石化上海高橋石油化工有限公司，上海200137）

某石化企業連續重整聯合裝置氫壓機組控制系統[1]（CCS）承擔著9套壓縮機組的控制及聯鎖功能，其中氫壓機組由壓縮機組、齒輪機組和汽輪機組三部分構成，是裝置的核心控制部分之一。該機組控制系統已運行十多年，硬件及軟件已難以滿足實際生產運行需求。為了保證氫壓機組安全、平穩、長周期運行，提高自動控制的可靠性，確保安全生產，更好地發揮裝置運行的經濟效益，對該控制系統進行了升級改造。

1 控制系統改造必要性評價

1.1 控制系統軟硬件提升需求

氫壓機組控制系統采用TRICONEX公司產品，主控制器硬件采用3006系列，系統編程軟件應用DOS平臺，畫面編輯采用工控組態軟件FIX32實現。控制系統自投運后經過十多年運行，故障率明顯上升，其中主控制器已成為淘汰產品，并且備品配件難以購置，控制系統處于非安全狀態。

1)控制編程軟件應用DOS平臺，非開放型的代碼不利于系統邏輯調整和修改。

2)原控制系統供電采用1對冗余電源模塊對整個控制系統供電，曾發生過冗余電源中某一電源模塊故障，另一電源未能在瞬間負擔起全部負載而造成機組停機的事件，控制系統存在本質不安全因素。

1.2 控制系統改造功能性需求

連續重整聯合裝置氫壓機組控制系統需要對功能性進行改造，其需求包括以下幾方面：

1)解決控制系統改造前軟硬件存在的問題。

2)增加循環機組的干氣密封控制功能。因該機組原有密封已改為干氣密封，但機組控制系統組態軟件采用DOS版本，不適于新的組態，只能把本應與機組一體的邏輯控制部分挪到連續重整聯合裝置的緊急停車系統（ESD）中實現[2]。該次改造需要將邏輯控制部分內容補充到機組控制系統中。

3)受氫壓機組控制系統輸入輸出點配置數量局限，對往復機組允許開機、啟停油加熱器、盤車開關等邏輯功能的實現均采用繼電器完成。該次控制系統改造將增加輸入/輸出（I/O）點數，完成由繼電器實施控制邏輯向CCS實現控制邏輯的轉變。

4)受控制系統I/O配置數量局限，往復機組軸振儀表未能接入氫壓機組控制系統，操作者無法實時監控機組的機械運行狀態。該次控制系統改造將增加I/O點數，完善往復機組的機械運行監測功能。

1.3 控制系統改造安全性需求

連續重整聯合裝置氫壓機組控制系統需要對安全性進行改造，其需求包括以下幾方面：

1)解決供電模式存在的安全隱患。機組控制系統集成了2套裝置9臺壓縮機組的控制和聯鎖功能，鑒于曾出現過的供電隱患，規避部分電源出現故障導致整個控制系統失電的情況再次發生。安全性方案對每個機柜供電均采用獨立冗余電源配置，使供電模式具有可靠性和安全性。

2)適應管理體制變化的安全需求。因操作管理模式變化，方案中取消獨立設置壓縮機控制室而將操作站歸入到聯合裝置中心控制室集中操作的模式，實現與裝置DCS、裝置ESD的畫面數據和信息的共享[3]，為氫壓機組安全、穩定、長周期運行創造了條件，也適應了生產操作和管理的需求。

2 控制系統改造實施方案

2.1 改造主要內容

控制系統改造的主要內容包括以下幾方面：

1)系統軟硬件升級。系統軟件升級到最新版本；處理器、通信模塊、I/O模塊等升級，與原有系統機柜內I/O模塊布置一致。

2)升級改造后的氫壓機組控制系統徹底消除了存在的功能和安全上的缺陷，提升了原控制系統的整體性能[4]。

2.2 系統主要硬件的功能和安全性保證措施

在對硬件升級時，對硬件配置的功能和安全性作了具體的措施落實。

2.2.1 控制站處理器措施

控制站處理器采取的安全性措施包括以下幾方面：

1)采用TRICON技術的CCS[5]，核心硬件采用具有三重化冗余容錯（TMR）結構的容錯控制器。

2)每一個主處理器的CPU采用32位、50 MHz，16 M RAM，工作方式為3-2-1-0。其32位浮點協處理器具備TüV AK6級的安全認證。

3)處理器系統掃描時間不大于100 ms；處理器的負荷不超過50%；處理器具備順序事件記錄（SOE）功能，掃描記錄時間為毫秒級。

4)系統中所有的I/O信號都經過硬件的“三取二”表決。

2.2.2 I/O卡件具備的性能和措施

I/O卡件具備的性能及采取的安全性措施包括以下幾方面：

1)不同聯鎖區域的I/O卡件分別安裝于各自獨立的卡件箱。

2)所有I/O卡件均采用三重冗余結構，故障卡件可在線更換。

3)所有I/O卡均為隔離型，輸入、輸出、通道之間、電源之間相互隔離。

4)I/O卡件種類滿足設計要求，具有識別現場開路、短路和做出故障處理能力[6]。

2.2.3 系統后備電池功能和措施

系統后備電池功能和采取的安全性措施包括以下幾方面：

1)系統配備后備電池。

2)外部電源故障時，后備電池作為備用電源能夠保持用戶程序及內存數據至少6個月不丟失。

3)電池具有正常使用5 a的壽命。

2.2.4 工程師兼SOE站功能和措施

工程師兼SOE站功能和采取的安全性措施包括以下幾方面：

1)工程師兼SOE站配有控制系統組態所必須的各種專用軟件，用于控制器的組態、修改、測試及診斷。

2)通過工程師站，可以在離線和在線狀態下進行系統組態、修改、設置相關參數。并可在程序運行狀態下下裝修改過的組態程序。

3)工程師兼SOE站具備在線記錄系統的各類報警及動作事件，存入硬盤，供查詢、追溯和打印功能。

4)工程師兼SOE站具有順序事件記錄功能，配備整套順序事件記錄的軟件，分別記錄各控制器的報警及動作事件[7]。硬盤的容量要足夠大，系統能滿足所有種類數據的記錄需要，可由用戶選定記錄的參數、采樣周期和記錄長度，并可對記錄的數據進行過濾和排序，所記錄的數據能以其他文件格式進行導出。

5)順序事件記錄的分辨率為毫秒級，記錄的數據總數為1×105條。

2.2.5 操作員站功能和措施

操作員站的功能及采取的安全性措施包括以下幾方面：

1)配置操作員站，用于聯鎖信號旁路的操作及狀態的顯示。

2)具備打印組態數據和圖形能力。

2.3 供電可靠性措施

改造后的CCS電源采用冗余配置，功能和安全性有了提升[8]。系統接受2路交流220 V、50 Hz供電，1路不間斷電源（UPS），1路隔離變電源（GPS）。2路電源中任1路發生故障，都不影響系統正常工作。

3 改造過程中問題及措施

CCS改造后控制系統本身的可靠性、安全性得到了較大提升，在機組調試開機過程中出現轉速指示偏差，經分析計算，問題得以解決。

3.1 問題過程描述

系統調試結束后，在機組試運轉過程中，發現1號連續重整汽輪機組轉速指示明顯偏低。回顧機組控制系統的改造情況，改造并未對現場儀表設備作變動，信號電纜也保持原樣，只對轉速信號進控制系統的安全柵做了全部更新，針對轉速信號異常，對安全柵組態進行了復查。

3.2 問題分析

3.2.1 一般判斷

針對控制系統改造過程遇到的問題，作出以下幾方面判斷：

1)轉速安全柵接受的輸入信號可以是Hz為單位的頻率信號或脈沖數，一般采用后者。

2)對于脈沖信號，其物理意義為旋轉1周所產生的脈沖數，脈沖數為整數值，可轉換為對應輸出機組的轉速。

3)一般情況下汽輪機組有確定的齒數，每轉脈沖數固定，安全柵組態時只要輸入脈沖數即可得到對應轉速指示。

3.2.2 現場對比

根據現場情況進行對比，得出以下幾方面結論：

1)由于整臺機組儀表硬件安裝已完成，汽輪機齒數從機械上無法直觀獲取，原始機組資料也未標識，安全柵組態中需設置脈沖信號的數據無法得到。

2)根據氫壓機組的現場轉速探頭安裝情況觀察：汽輪機組轉速探頭并非安裝于汽輪機，而是安裝在變速箱上，變速箱測得的轉速并非汽輪機轉速，兩者需通過轉速比進行換算。

3)經對機組試運轉記錄數據比較，得到實際測出的鍵相轉速指示是變速箱轉速指示的1.11倍。

3.3 脈沖設置參數的復核還原

脈沖設置參數的復核還原包括以下幾方面：

1)復核思路。安全柵接受脈沖信號只能為整數值，非整數值無法適用脈沖信號。因此，安全柵的設置只有通過輸入頻率信號才能得到轉速輸出[9]。

2)復核參數。對汽輪機鍵相指示值與安全柵輸出變速箱轉速指示值比較，再經過理論計算，獲取還原的參數，計算過程如下：

式中：n——轉速，r/min；f——頻率，Hz；p——每周產生的脈沖數。

當汽輪機轉速量程為0～11 000 r/min，變速箱轉速比為1.11時，通過計算得出f=165.165 Hz。將頻率信號設置到安全柵的輸入信號，完成組態下裝后，汽輪機的轉速指示恢復正常。

4 結 論

通過對連續重整氫壓機組控制系統進行升級改造，消除了機組控制系統的安全隱患，提高了系統運行的可靠性，減少了系統故障率，減少了技術人員維護工作量及備品備件的儲備量，避免了因系統故障引起的非計劃停車，確保了連續重整氫壓機組能夠穩定、安全、長周期的運行，同時能進一步改善生產操作和管理條件，為裝置優化控制打下良好的基礎。