數據通訊大型壓縮機組監控系統中的應用

潘大龍，劉映岐，賈成琪

（中國石油大慶石化公司煉油廠，黑龍江大慶163711）

大型壓縮機組是煉油廠生產裝置中的核心設備，運行時一旦出現故障將導致機組或裝置非計劃停機、停工，伴隨而來的經濟損失和環境影響巨大。壓縮機組都是在高溫、高壓、高速的狀態下長周期運行，大型關鍵壓縮機組的運行狀態直接關系到整個生產裝置的安全生產和經濟效益。為保證大型關鍵壓縮機組的平穩運行，機組的運行監控操作系統尤其重要。

1 機組監控系統

大型機組監控系統通常采用ITCC/ESD（機組綜合控制/緊急停車）系統、軸系狀態監測系統實現對大機組的運行監視控制、聯鎖保護。ITCC/ESD系統采用的控制系統，如TRICONEX 公司的TS3000 系統（簡稱TS3000 系統），主要用于機組的溫度、壓力、轉速等運行參數的顯示報警監控［1］。實現機組的防喘振控制、蒸汽輪機的轉速控制、性能控制、PID 控制等功能，實現機組的自保聯鎖邏輯控制。

軸系狀態監測系統采用本特利公司的3500系統（簡稱3500 系統），能夠通過采用不同類型的傳感器對機組的軸位移、軸振動、轉速、溫度等參數進行連續、實時的監測，并根據設定好的報警、保護值進行聯鎖邏輯輸出［2］。各運行參數、狀態信號通過3500 系統進行采集、數據處理。為了監測到機組本體的主要參數（如振動、軸位移、鍵相等），隨時掌握機組運行狀態，需要實現3500 系統與ITCC/ESD 系統之間的通信，將相關參數顯示在操作站上。當軸系信號超限判斷及機組保護聯鎖動作時，實現機組的可靠監測及聯鎖保護功能［3］。

2 數據通訊的連接方式

該煉油廠的大機組監控系統中，TS3000 系統與3500系統間的信號連接方式有3種：（1）全模擬量方式；（2）模擬量顯示、離散量聯鎖結合的方式；（3）數字通訊顯示、離散量聯鎖結合的方式。

3 種連接方式在裝置中可實現差異化定制［4］。但在實際應用中，發現單鏈路RS485通訊穩定性較差，易發生系統之間的數據中斷。根據實際應用作者結合數字通訊顯示、離散量聯鎖結合的方式提出1 種單鏈路RS485 通訊的改進方案。通過改進設計，實現了RS485 的冗余通訊，提高了機組通訊的可靠性，滿足機組各種復雜工況、長時間運行的要求。

2.1 全模擬量方式

全模擬量方式采用硬線連接全模擬量方式進行信號的傳遞，全模擬量連接方式見圖1。

圖1 全模擬量連接方式

以加氫裂化裝置為例，3500 系統卡件硬件配置為7塊位移振動監測卡，1塊鍵相卡、用于監視循氫機、新氫機。3500 系統由40 卡件采集現場渦流探頭和前置放大器傳來的大機組軸系狀態（位移、振動）信號，通過帶4～20 mA 模擬信號輸出功能，將經過40 卡件進行信號處理后的位移、振動信號轉換為模擬信號輸出，由TS3000 系統側采用模擬輸入模件接收4～20 mA 模擬信號，經過信號處理，轉換成相應的軸位移、軸振動信號，傳到操作站上進行顯示。

軸位移、軸振動等聯鎖保護都是在TS3000 系統內經過信號轉換，邏輯判斷運算等實現，當監測的信號達到聯鎖動作值后，按照聯鎖邏輯進行相關的動作，實現機組的監控聯鎖，保證機組設備安全。此方案的優點是簡單方便，可靠直觀，容易實現，缺點是可顯示的監測信息少，整個信號處理過程經過多次數模、模數轉換后精度下降及運算處理速度慢，機組保護動作周期長，TS3000 需要的模擬卡件多、成本高。

2.2 模擬量顯示、離散量聯鎖結合

模擬量顯示、離散量聯鎖是1 種改進方案，模擬量和離散量結合方式見圖2。

圖2 模擬量和離散量結合方式

為了提高聯鎖響應速度，在3500 系統相應的各卡件中設置軸位移，軸振動等聯鎖值，并在3500繼電器輸出卡中組態與、或邏輯進行表決判斷。當軸位移、軸振動值達到聯鎖保護值時，繼電器卡輸出干接點信號，送至TS3000 系統數字量輸入模件中，由TS3000系統來執行相應的聯鎖保護動作，而模擬量顯示與第1 種方案相同，由硬線連接到TS3000 模擬量輸入模件上在操作站顯示。該方案優點是邏輯動作響應速度快，缺點是在監測信息量一定時卡件數量較多、成本較高。

2.3 數字通訊顯示、離散量聯鎖結合

數字通訊顯示、離散量聯鎖結合方式是利用MODBUS 通訊實現軸位移、軸振動、機組轉速等實時數據采集處理［5］。通過RS485 通訊，將需要顯示的實時數據信息都傳輸到TS3000系統中。當軸位移，軸振動等超過聯鎖保護限值后,在3500 系統里進行動作條件邏輯判斷,當達到聯鎖值時，通過3500 繼電器輸出，送到TS3000 系統的數字量輸入模件中，由TS3000系統執行相應的聯鎖保護動作。此方式能夠顯示所有3500系統的信息，例如卡件、通道及機架的工作狀態、間隙電壓等，可通過組態靈活選用需要顯示的內容，便于發現系統問題及維護。此方式保護邏輯動作響應速度快，減少了對TS3000 模擬量輸入卡件的需求，降低成本的同時提高了信息顯示量，是目前比較常用的方式，見圖3。

圖3 通訊顯示、離散量聯鎖結合方式

2.4 單鏈路RS485通訊的改進方案

在生產運行中發現應用數字通訊顯示、離散量聯鎖結合的方式所連接的3500 系統與TS3000系統之間通訊多次出現數據中斷。操作站顯示全部失靈，短時間內對機組狀態失去監控。現場發現3500 系統與ITCC 系統僅通過1 根485 電纜實現單鏈路RS485通訊，當電纜插頭、線纜接觸不好、通訊卡件RS485 接口出現故障或存在其他外界干擾時通訊鏈路就會出現問題，造成數據中斷的故障。

嘗試改進時，利用TCM 卡的端口進行軟件組態實現冗余通訊。TS3000 系統的每塊TCM 卡有1個以太網通訊口、4個RS485/422通訊口，實際上所使用的TS3000 系統是采用2塊TCM 通訊卡進行冗余配置的，以此來實現上位操作站與控制站之間以太網的冗余通訊。3500系統的通訊卡件92卡也提供2個RS422/485通訊接口，并能同時讀取數據，支持RS485 冗余通訊。現場的在用系統卡件具備實現冗余通訊功能的基礎條件，只要增加1條通訊電纜，即可實現硬件上的冗余連接。同時在TS3000 系統、3500 系統中進行相應的軟件組態設置，便能夠實現RS485冗余通訊。

使用冗余通訊鏈路方式的同時，在TS3000 系統組態中增加通訊狀態判斷程序,系統不斷對通訊端口狀態進行檢測,當系統檢測到通訊塊數據讀取出現異常時，對2 個端口進行切換檢測，直到數據讀取恢復正常后，停止切換并停留在當前的通訊口進行工作。當系統檢測到當前使用的通訊口故障時，則自動切換到另1 條通訊鏈路上，以確保通訊正常。同時，在系統內組態通訊檢測報警功能，當通訊鏈路出現數據中斷時，控制系統在操作員站發出故障報警，第一時間內提示操作人員通訊出現故障，使故障能夠得到及時處理。

改進方案中增加1 條RS485 專用通訊電纜，對需要的參數調整設置進行離線組態，對ITCC 系統邏輯程序組態修改，增加了冗余MODBUS 線路自動判斷切換邏輯，進行了離線程序試驗。

檢修后經通訊測試，完全實現冗余通訊，經長時間觀察裝置未出現數據中斷的問題。測試成功后又將此方案應用于二重催裝置。二重催裝置有3 套大機組，大機組的3 取2 超速保護系統放在了3500 中增加了機架的數量，由于ITCC 系統同時需要與DCS 進行RS485 通訊，將數據傳輸到DCS 系統，導致ITCC的通訊接口不足。

為解決該問題，提出了利用RS485一對多站通訊功能將3套3500系統的RS485總線串接，采用菊花鏈的方式通訊。經過改進，最終通過冗余的RS485 總線連接到 ITCC 系統，一對冗余 RS485 總線串接3 套3500 系統，實現了一對三的通訊，數據通訊正常。改進后的冗余通訊顯示、離散量聯鎖結合見圖4。

圖4 改進后的冗余通訊顯示、離散量聯鎖結合

3 系統聯網組態

首先解決組態編程口通訊連接問題，原有系統組態編程接口采用的是RS232通訊方式，通訊距離最遠30米，不具備遠程連接和聯網的條件，只能用編程組態筆記本電腦在機柜附近連接，同時需要筆記本帶有RS232接口，而目前的筆記本都沒有RS232 接口。通過查閱資料得知新型號的3500 系統可以選用以太網組態接口，在二重催自控系統改造更新設計的采購階段提出改進建議，選用配帶有以太網接口的3500系統卡件實現遠程連接。

采用以太網的通訊方式，通過網線將3500 系統的RIM 卡件與ITCC 系統的網絡交換機連接上，使3500 系統與ITCC 工程師站處于同一局域網內，能夠通過網絡訪問3500 系統，現場機柜間的ITCC系統的網絡交換機與中控室的網絡交換機通過光纖連接，這樣就實現了以太網物理上的連接。

將3500 系統組態軟件安裝到中控室ITCC 工程師站或機柜間的輔助工程師站，通過設置對應3500 系統IP 等參數，實現在中控室ITCC 工程師站或輔助工程師站上對3500 系統進行組態、報警查看以及事件記錄導出等操作。

4 結束語

利用Modbus 協議對重要機組的3500 系統進行數據通訊的進行改進，改進優化后的通訊運行可靠，數據準確。該煉油廠中4 套大機組運轉24個月后，未發生因機組狀態監測數據中斷故障，實現了機組的狀態監測無中斷，保障了整個裝置的安全、長周期運行。