TS3000系統在空分機組上的應用及聯鎖優化

陳勝昌

（山東寶舜化工科技有限公司，山東 菏澤 274000）

某公司120 萬噸煤基多聯產項目是以煤為原料生產甲醇及下游相關產品，氣化裝置采用GE 水煤漿氣化技術，項目配置兩套空分裝置，單套空分制氧能力為4.5×104Nm3/h。兩套空分裝置采用杭氧全低壓分子篩吸附凈化、空氣增壓透平膨脹機制冷及內壓縮供氧的工藝技術，其中空壓機和增壓機是由德國曼透平制造，汽輪機由杭汽制造，為一拖二式機組。自2014 年開車以來，因單點儀表故障聯鎖多次跳停，經聯鎖優化后，非停次數明顯降低，提高了機組的可靠性和可用性。

1 機組控制系統發展

大型空分裝置中有大量壓縮機組的應用，從機組的類型上一般會包括離心式/軸流壓縮機、蒸汽透平機、增壓機等。其中，涉及到的儀表控制主要包括防喘控制、調速控制、負荷調節、機組聯鎖及過程監控等。

傳統的控制方式一般是靠多種分離控制原件或系統來實現的。例如，調速通過盤裝調速器，防喘依靠盤裝調節器，機組的聯鎖功能使用獨立的SIS 或用DCS 完成，有的甚至配傳統的繼電器，過程監控則依靠DCS 系統等實現；在HMI（人機界面）上也是各有各的風格，實現的功能也不相同。故存在以下不足：①在控制系統內部，各控制模塊之間需要交換數據來實現解耦控制，且各控制器之間采用通訊方式會造成速率延遲。所以，不能采用高級的控制算法來解決機組控制的解耦問題；②用戶的技術人員要學習不同的控制系統，多控制模塊造成的培訓內容多而繁瑣，要熟悉和掌握各控制功能模塊的操作和維護；③每一套壓縮機組都需要一套完整的控制系統，產品采購、費用成本較高；④各壓縮機組廠家控制系統不統一，獨立的控制模塊多而雜，造成后期維護工作量大；⑤需要供應商提供售后服務，情況有時會變得復雜，如現場控制系統出現故障，需要召集各廠家同時解決故障，難以做到整體協調。

TS3000 是集蒸汽透平速度控制及抽氣控制、壓縮機防喘振控制、性能控制、解耦控制、分離器液位控制等，以及自保護聯鎖邏輯控制為一體的集成綜合控制系統。該系統是三重化冗余容錯設計，具有很長的平均無故障運行時間，可靠性高。TS3000 系統硬件基于三重化冗余容錯技術，達到TUV AK6 和SIL3 安全等級，符合SIS 系統的要求，所以完全可以把裝置的聯鎖整合到ITCC 系統中，該控制策略在機組控制上得到了廣泛應用。

2 TS3000系統設計與實現

在每套空分裝置的3 大機組和裝置聯鎖點各配置一套系統，共兩套系統。兩套空分裝置操作站共設置3 臺，3臺ITCC 操作站可以對每個系統進行操作，操作站上設有流程畫面、報警畫面、調速畫面、防喘振畫面、實時趨勢/歷史趨勢畫面、起停機畫面等。操作站在功能上完全相同，并且可互為備用，任何一臺操作站出現故障，可以通過其它操作站進行操作。設置兩臺工程師站兼SOE 站，完成編程組態、軟件下裝、SOE 數據采集的功能，并能通過打印機打印出來。輔操臺每套ITCC 系統各設置一臺（用于機組），共兩臺，輔操臺上設有緊急停機按鈕、操作按鈕、BYPASS 開關、報警燈屏等設備。TSI 系統采用本特利3500系統，信號通過Modbus 通訊與TS3000 相連，跳車信號通過硬接線方式與TS3000 相連，控制原理如圖1 所示。

2.1 控制站的配置

TS3000 基于三重模件冗余容錯（TMR）結構的容錯控制器，TS3000 系統有3 個主處理器，每一個主處理器的CPU 為32 位、50MHz，16M RAM，工作方式為3-2-1-0 或者3-2-0。其32 位浮點協處理器的使用，得到了德國獨立安全認證機構TUV AK6（SIL 3）級的安全認證；系統中所有的I/O 信號都要經過硬件的三取二表決；控制站的硬件和軟件具有高可靠性和容錯性；控制站具備順序控制、批量控制和一般連續控制功能，具備順序事件記錄的功能，包括機柜、處理器、IO 卡件等[1]。

圖1 控制系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of the control system

2.2 網絡設置

系統通過冗余的TCM4351B 通訊卡的RS－232/ 485冗余接口與DCS 系統、3500 系統進行串行通訊，執行MODBUS 的通訊協議。DCS 系統為主站，TS3000 系統為從站，當與3500 系統通訊時，TS3000 為主站。系統通過冗余的TCM4351B 通訊卡的以太網通訊口與上位機構成冗余的通訊網絡，通過開放的以太網協議與上位操作軟件和編程組態軟件進行通訊，完成相應的編程組態工作和運行操作，在單個網絡失效的情況下，不影響系統的正常運行。

3 機組聯鎖設計

采用TS3000 系統后，聯鎖功能在TS3000 中實現。機組聯鎖主要有：三大主機溫度和振動、位移、轉速等軸系聯鎖。制造廠設計時，基于設備安全的考慮基本為單點聯鎖，但在實際運行中存在儀表自身故障的原因，造成機組誤停的情況較為常見，因此在實際運行中對聯鎖方案都會開展不同程度的優化工作。

3.1 溫度聯鎖

溫度在選型上基本會選擇單點雙支型，即除了正常使用點外還有一個備用點，所以溫度聯鎖基于實際考慮主要有兩種優化方式：

1）采用二取二方式，即與備用支測點組成二取二。該方式存在諸多爭議，最主要的異議是認為兩個測點在同一個保護管內屬于同源取點，不能反映實際測點溫度，但是做二取二的目的是要排除溫度點自身的故障，而并非測實際溫度情況。某公司采用此方式后運行穩定，未發生相關的事故事件，避免了多次誤停。

2）采用溫度突變自動聯鎖切除的方式[2]，主要分析了溫度故障機理和溫度響應時間，并通過軟件功能實現。目前，火力發電廠各類機泵等應用較為常見。

圖2 軸系聯鎖方案Fig.2 Shafting interlocking scheme

3.2 軸系聯鎖

機組的軸系聯鎖主要是振動、位移、轉速等，除轉速、位移外，振動主要還是采用單點聯鎖。某公司軸系監測采用本特利3500 系統，振動、位移等信號進3500 系統，在3500 系統內實現邏輯運算和判斷，通過繼電器卡輸出跳車信號至TS3000 系統[3]，原理如圖2 所示。

該聯鎖方案存在兩個不足之處：①單點聯鎖存在誤動風險高；②聯鎖切除只能在TS3000 系統中，而且切除的話，相當于兩條聯鎖均全部切除。經過討論后，優化成以下方案，如圖3 所示。

該方案優點是：

1）將X 向、Y 向振動組態成“與”的邏輯，可以減少非正常停機次數，降低了誤動作的風險，提高經濟效益。

2）優化后的各個保護點，通過獨立的繼電器通道輸出到TS3000 系統，增加了聯鎖的可靠性，提高了機組的安全性。

圖3 聯鎖優化方案Fig.3 Interlocking optimization scheme

3）優化后的方案，同時也提高了儀表維護人員的可操作性，降低了維護風險。

4 結束語

TS3000 機組綜合控制系統是目前國內應用最廣泛，技術先進、成熟的綜合控制系統，集控制和ESD 功能于一體，通過對單點聯鎖的優化改造，極大提升了機組的可靠性和儀表的可維護性。