海上平臺低壓氣回收機控制系統(tǒng)程序設計缺陷的邏輯優(yōu)化

傅華軍，李智慧

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

1 研究背景

海上某生產平臺設置有2 臺螺桿式低壓氣回收機用于對工藝流程中的低壓伴生氣進行提壓回收，以此來降低平臺的碳排放。低壓氣回收機采用西門子S7-300PLC 控制器，實現(xiàn)對機組運行參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測、閥門控制、機組啟停和邏輯關斷保護功能。

PLC 控制系統(tǒng)作為機組控制的神經中樞，重要性不言而喻，安全問題變得越來越突出。這是由于PLC 故障輕則發(fā)生局部死機，對機組的安全穩(wěn)定運行帶來影響；重則引起整個工藝流程的波動，甚至引發(fā)整個生產的安全事故[1]。

在一次低壓回收機報故障停機后，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)控制盤屏參數(shù)均顯示為亂碼，指示燈顯示停機而實際情況是進出口閥門關閉、輔機停機，但主電機未停機仍在運行，且伴有機組高溫現(xiàn)象，立即通過配電盤斷電使電機停止。結合故障現(xiàn)象和控制系統(tǒng)設計邏輯進行深度分析，發(fā)現(xiàn)程序存在設計缺陷，在控制系統(tǒng)PLC故障的情況下未能確保系統(tǒng)安全停車，該情況發(fā)生如未及時發(fā)現(xiàn)并處置將會對設備帶來重大安全風險，不符合故障安全型設備設計的理念，需對控制系統(tǒng)程序進行改造優(yōu)化，實現(xiàn)保護功能的完好性和有效性。

本文總結介紹了儀控系統(tǒng)邏輯優(yōu)化的成功案例。

2 邏輯改造優(yōu)化技術方案

2.1 低壓機儀控系統(tǒng)介紹

低壓氣回收機控制系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC控制器，實現(xiàn)對機組運行參數(shù)、儀控信號的狀態(tài)監(jiān)測、閥門控制、機組啟停和邏輯關斷保護功能，其中邏輯關斷有進出口壓力高高低低信號、機體和軸承溫度高高信號、電機繞組和軸承溫度高高信號、潤滑壓力低低信號，同時還設計有現(xiàn)場手動停機、急停按鈕，ESD 系統(tǒng)發(fā)出的一二三級關停信號。按照本質安全設計，在控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時也必須保證機組正常關停。

正常情況下，在故障停機、人為停機、緊急停機后，必須通過控制盤的復位按鈕進行復位操作才能重新啟動機組。

2.2 主機不停機原因分析

根據(jù)圖紙確認PLC 啟停機控制由輸出繼電器J22 進行控制(圖1)。啟機測試時，手動將PLC 撥到Stop 狀態(tài)，測量繼電器J22 的觸點一直處于常閉狀態(tài)。分析原因為J22 使用常閉觸點，但當PLC 由Run切換至Stop 狀態(tài)時，PLC 無法輸出信號使J22 得電將其常閉觸點斷開，因此無法達到停機的目的。查看PLC 主機停車設計程序，以便對原因進一步確認。通過程序可以看出，當出現(xiàn)主機連鎖停機信號時，SR觸發(fā)器對J22 繼電器進行置位動作，使J22 常閉觸點斷開，進而控制回路斷開實現(xiàn)停機(圖2)。根據(jù)定義，SR 觸發(fā)器是復位優(yōu)先觸發(fā)器(圖3)[2]，在主機停車信號反饋以后對J22 繼電器進行復位。

圖1 停機信號繼電器Fig.1 Stop signal relay

圖2 停機邏輯Fig.2 Stop logic

圖3 西門子SR/RS觸發(fā)器Fig.3 Siemens SR/RS flip flop

當產生連鎖停機信號時，PLC 輸出信號使J22得電將其常閉觸點斷開，此時機組停機。在得到停機反饋信號后再對J22 復位，使機組處于可啟機狀態(tài)。但未考慮當PLC 產生故障時，PLC 程序無法運行，SR 觸發(fā)器無法輸出使J22 得電的信號，因此存在設計缺陷。

2.3 邏輯優(yōu)化及測試

針對PLC 控制器故障時進行停機控制的繼電器無法得電的缺陷，將相應控制程序段修改為RS 觸發(fā)器置位優(yōu)先模式，同時將J22 常閉觸點改為常開觸點。這樣在機組狀態(tài)正常時，J22 繼電器得電，常開觸點閉合，機組正常運行；當PLC 產生故障時，程序停止，J22 立即失電，繼電器觸點恢復至常開狀態(tài)，機組停機。當控制系統(tǒng)恢復正常后接收到停車信號反饋給PLC，將RS 觸發(fā)器置1，確保機組能處于可啟機狀態(tài)(圖4)。

圖4 優(yōu)化后的停機邏輯Fig.4 Stop logic after optimization

對程序修改后，正常停機狀態(tài)時J22 繼電器處于得電狀態(tài)，常開觸點閉合，機組處于可啟機狀態(tài)。此時按下啟機按鈕，啟動控制回路閉合機組運行。一旦PLC 發(fā)生故障，PLC 無法正常輸出控制信號使J22保持在得電狀態(tài)，J22 繼電器斷電，主機停機，從而實現(xiàn)了在保證原有正常停機邏輯情況下PLC 本身故障的停機保護(圖5)。

圖5 修改優(yōu)化后的停機信號繼電器Fig.5 Stop signal relay after adjustment

3 借鑒意義

西門子PLC 控制器應用較為廣泛，普遍用于各種大中型設備的自動控制。在設備控制程序中SR 和RS 觸發(fā)器為常用功能塊，在使用時需要重點考慮PLC 控制器故障狀態(tài)下的信號輸出，確保停機功能的本質安全[3]。

作為低壓伴生氣壓縮系統(tǒng)中重要而又普遍使用的設備，低壓氣回收機發(fā)揮著極為重要的作用。發(fā)現(xiàn)機組故障現(xiàn)象進行低壓回收機儀控系統(tǒng)邏輯優(yōu)化改造，在不改變原有保護邏輯的前提下，解決了系統(tǒng)本身的設計缺陷，保證了壓縮機儀控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，其他單元亦可同步對低壓回收機程序進行相應檢查確認，具有較強的普遍推廣意義。

4 總結

加強重點領域節(jié)能減排工作是實現(xiàn)碳達峰、碳中和的一個重要途徑，海上石油開采平臺低壓伴生氣回收有助于企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排，低壓伴生氣回收裝置的安全平穩(wěn)運行顯得尤為關鍵。

在控制系統(tǒng)設計時，除了考慮流程和設備參數(shù)異常情況下的停機邏輯外，也必須考慮控制系統(tǒng)失效場景下的停機保護邏輯，否則機組將處于失控的運行狀態(tài)，給設備帶來一定的損失。

針對低壓伴生氣回收機本身設計缺陷，通過程序優(yōu)化改造，保證了低壓伴生氣回收機的穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了降本增效，同時為生產平臺降低碳排放目標打下了堅實的基礎。