DCS系統(tǒng)變頻控制回路的保護(hù)研究及應(yīng)用

廖旭芳，王密

中國石油西南油氣田公司，四川成都，610500

0 引言

天然氣處理廠的主要功能是對(duì)開采出來的天然氣進(jìn)行凈化和加工，去除里面的雜質(zhì)（酸、水、硫等），提高天然氣的純度，避免在使用過程中出現(xiàn)問題，同時(shí)，通過進(jìn)一步的加工處理，可以生產(chǎn)一系列的天然氣附加產(chǎn)品，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。在凈化和加工過程中需要經(jīng)過諸多的工序，需要對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)需要實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警響應(yīng)，因此配備DCS系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、安全化、可控化生產(chǎn)。

1 DCS系統(tǒng)在天然氣處理廠的應(yīng)用

1.1 天然氣處理廠工藝組成

阿姆河第二天然氣處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為年處理天然氣90×108m3/a、生產(chǎn)模凝析油54.16×104t/a。處理廠工藝裝置包括集氣裝置、脫硫脫碳裝置、脫水裝置、脫烴裝置、酸氣處理裝置、凝析油穩(wěn)定裝置、胺液凈化裝置、凈化氣外輸出站閥組區(qū)和凝析油外輸發(fā)送裝置；生產(chǎn)輔助裝置：火炬及放空系統(tǒng)、凝析油罐區(qū)、污水處理裝置、全廠工藝及熱力系統(tǒng)管道、氣田水蒸發(fā)、焚燒池等；公用工程：給排水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、鍋爐房、空氣氮?dú)庹竞腿剂蠚庀到y(tǒng)等[1]。

1.2 DCS系統(tǒng)概述

根據(jù)工藝裝置分布及功能劃分情況，全廠設(shè)計(jì)了7套DCS控制站。DCS系統(tǒng)采用橫河電機(jī)公司的CENTUM VP系統(tǒng)。DCS控制系統(tǒng)綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、CRT和過程控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，在可操作性、可靠性、發(fā)生故障率等方面具有突出優(yōu)勢(shì)，是天然氣處理系統(tǒng)中非常核心的、具有長遠(yuǎn)前景的一項(xiàng)控制技術(shù)。隨著現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，天然氣處理廠的自動(dòng)化水平逐步得到提高，對(duì)DCS系統(tǒng)的依賴程度也越來越突出。

DCS系統(tǒng)采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)，可以保證當(dāng)某一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響到系統(tǒng)中其他功能的運(yùn)行。另外，DCS系統(tǒng)中的每臺(tái)計(jì)算機(jī)都承擔(dān)著相對(duì)單一的任務(wù)，故可以通過配備特定的系統(tǒng)，有針對(duì)性地在不同計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)所需功能，這種運(yùn)行方式間接性地提高了系統(tǒng)的可靠性。DCS系統(tǒng)的控制功能相對(duì)開放。系統(tǒng)程序可以對(duì)任意任務(wù)預(yù)先設(shè)定優(yōu)先級(jí)和運(yùn)行周期，在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜調(diào)節(jié)回路功能的基礎(chǔ)上，可以做到開關(guān)量的快速控制。DCS的系統(tǒng)配置靈活多變。該系統(tǒng)通過在簡單的調(diào)用算法庫中選擇適當(dāng)?shù)目刂瞥绦蚺浜蠌膱D形庫調(diào)用基本圖形來實(shí)現(xiàn)多種監(jiān)控和報(bào)警畫面。DCS系統(tǒng)維護(hù)相對(duì)簡單。由于DCS系統(tǒng)采用分散結(jié)構(gòu)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)都有特定功能，故對(duì)故障的檢測與維修相對(duì)簡單。DCS系統(tǒng)的工作站之間具有相互協(xié)調(diào)性。工作站之間通過通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)的傳送，以達(dá)到信息的共享及工作的協(xié)調(diào)，因此在優(yōu)化處理方面有一定的優(yōu)勢(shì)。

處理廠所采用的橫河電機(jī)CENTUM VP系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：①采用千兆帶寬的控制網(wǎng)；②點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；③99.99999%（7個(gè)9）的系統(tǒng)可用性；④獨(dú)有的4CPU 控制技術(shù)；⑤靈活的結(jié)構(gòu)；⑥先進(jìn)的人機(jī)交互機(jī)制；⑦統(tǒng)一的報(bào)警管理；⑧便捷優(yōu)異的組態(tài)功能。

CENTUM VP系統(tǒng)采用非服務(wù)器/客戶端的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵诘湫偷姆?wù)器/客戶端結(jié)構(gòu)中，當(dāng)服務(wù)器停止工作后，所有的HMI客戶端也都將停止工作，而PC機(jī)服務(wù)器的可靠性有時(shí)并不是十分高。而此非服務(wù)器/客戶端的結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性體現(xiàn)為：雖然PC機(jī)的可靠性不是十分高，但是它并不影響橫河電機(jī)DCS過程操作功能的整體可靠性；每臺(tái)PC機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，互為冗余，規(guī)避了由單個(gè)設(shè)備故障引起整個(gè)處理廠一系列的事故。

2 變頻控制回路在天然氣處理工藝中的應(yīng)用

2.1 變頻控制回路的工藝應(yīng)用

變頻控制（DCS系統(tǒng)對(duì)變頻器的控制）在天然氣處理廠實(shí)際的應(yīng)用主要為工藝介質(zhì)溫度的冷卻風(fēng)機(jī)的變頻控制和再生氣壓縮機(jī)冷吹氣流量的變頻控制。天然氣處理廠共有四列主體裝置，每一列主體裝置有5臺(tái)變頻風(fēng)機(jī)和2臺(tái)再生氣壓縮機(jī)（一備一用），其在工藝中的應(yīng)用主要為：①脫硫脫碳單元的貧液溫度控制。②脫硫脫碳單元的酸氣溫度控制。③脫水單元的富再生氣溫度控制。④脫水單元的冷吹氣流量的控制。

2.2 變頻控制回路的工作原理

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。

DCS系統(tǒng)對(duì)變頻器的控制，主要就是對(duì)變頻器的調(diào)速控制。而變頻器的調(diào)速實(shí)質(zhì)就是控制IGBT的觸發(fā)與導(dǎo)通。通過控制IGBT的觸發(fā)與導(dǎo)通，可以將經(jīng)整流后的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

3 變頻控制回路實(shí)際應(yīng)用中的問題

3.1 DCS系統(tǒng)故障問題

從處理廠投產(chǎn)試運(yùn)起，自控儀表管理人員檢查DCS系統(tǒng)時(shí)，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)DCS系統(tǒng)的AO卡件有頻繁的掉線現(xiàn)象，如圖2的DCS系統(tǒng)狀態(tài)中紅色卡件所示。雖然通過重新熱插拔可以暫時(shí)恢復(fù)AO卡件的使用，但對(duì)DCS系統(tǒng)的可靠性是個(gè)極大的隱患。

3.2 故障原因分析

為了弄清DCS系統(tǒng)AO卡件掉線原因，我們進(jìn)行了仔細(xì)的分析與實(shí)際排查工作。首先進(jìn)行了掉線AO卡件的完好性檢查，發(fā)現(xiàn)AO卡件本身并無故障問題，而且并非每次都是該卡件掉線，所以更加排除了卡件本身質(zhì)量問題。其次對(duì)掉線AO卡件上的控制電纜依次進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)問題，同時(shí)線纜絕緣良好，對(duì)地也絕緣良好。最后檢查測試是否存在強(qiáng)干擾影響該卡件上的控制回路，最終檢查測試也排除了該可能性。我們從DCS系統(tǒng)和儀表本身運(yùn)行情況出發(fā)，并未找到導(dǎo)致AO卡頻繁掉線原因，故只有從其他地方查找原因。之后結(jié)合工藝操作和DCS系統(tǒng)AO卡掉線記錄研究發(fā)現(xiàn)，AO卡掉線總是在工藝操作人員停掉現(xiàn)場冷卻風(fēng)機(jī)或者再生氣壓縮機(jī)時(shí)出現(xiàn)的，并且該冷卻風(fēng)機(jī)或者再生氣壓縮機(jī)均為該AO卡件上的變頻控制回路對(duì)象。至此，我們基本上確定了AO卡掉線是由于變頻冷卻風(fēng)機(jī)或再生氣壓縮機(jī)停用，變頻器斷電所致[2]。

為了確定真正原因，我們對(duì)冷變頻器的控制回路電阻值進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)變頻器正常通電，電阻約為300Ω；斷電后，電阻值約為9000Ω，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出DCS系統(tǒng)模擬量輸出通道要求的可負(fù)載電阻范圍0～750Ω。故當(dāng)AO卡件檢測到負(fù)載回路電阻超出其負(fù)載范圍后，AO卡件將自動(dòng)掉線以保護(hù)其卡件及DCS系統(tǒng)。在變頻器恢復(fù)通電后，DCS系統(tǒng)的掉線AO卡件需要通過重新熱插拔的方式才能恢復(fù)正常使用。

DCS系統(tǒng)AO卡件掉線后，冗余的卡件啟動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)暫時(shí)工作正常。但如果回路負(fù)載沒有及時(shí)恢復(fù)正常，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)對(duì)冗余啟動(dòng)的卡件精度和壽命造成影響，甚至損壞卡件，從而導(dǎo)致卡件其他正常回路失控，最終可能造成裝置的停車。

為了徹底解決AO卡掉線問題，我們進(jìn)行了詳細(xì)分析。冷卻風(fēng)機(jī)和再生氣壓縮機(jī)變頻控制的變頻器均為施耐德的ATV61系列變頻器。由于ATV61系列變頻器的固有特性：其斷開三相輸入電源后，內(nèi)部直流模塊及相關(guān)保護(hù)停止工作，為了防止外部浪涌損壞板件，采用斷電后增大模擬輸入回路電阻的方式來實(shí)現(xiàn)。由于該固有特性的存在，不可能從改變變頻器方面解決AO卡掉線問題，同時(shí)由于工藝操作的安全性及檢維修安全性考慮，也無法使變頻器永不斷電來保證其正常電阻值從而防止AO卡掉線，故只有從DCS系統(tǒng)方面想辦法解決該問題。

4 AO卡掉線整改方案

由于確定了是變頻控制的風(fēng)機(jī)和再生氣壓縮機(jī)停用，變頻器斷電導(dǎo)致DCS系統(tǒng)AO卡掉線的原因后，我們從DCS系統(tǒng)控制回路方面著手整改措施。天然氣處理廠為易燃易爆區(qū)域，所以與DCS系統(tǒng)相連接的儀表設(shè)備均為防爆隔離型的，且滿足設(shè)計(jì)的防護(hù)等級(jí)。故DCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制回路圖為：

由于變頻控制回路在變頻器斷電后，其回路阻抗不滿足0～750歐姆的要求，不能直接接入DCS控制系統(tǒng)，故可以在DCS系統(tǒng)與變頻器之間的輸出回路中通過增加隔離式安全柵的方式解決該問題[3]。

4.1 安全柵介紹

安全柵應(yīng)用在本安防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，它是安裝于安全場所并含有本安電路和非本安電路的裝置，電路中通過限流和限壓電路限制了送往現(xiàn)場本安回路的能量，從而防止非本安電路的危險(xiǎn)能量串入本安電路，是本安系統(tǒng)的重要組成部分。由于安全柵被設(shè)計(jì)為介于現(xiàn)場設(shè)備與控制室設(shè)備之間的一個(gè)限制能量的接口，因此無論控制室設(shè)備處于正常或故障狀態(tài)，安全柵都能確保通過它傳送給現(xiàn)場設(shè)備的能量是本質(zhì)安全的。

隔離式安全柵除具有限壓與限流的作用之外，還帶有電流隔離的功能。隔離式安全柵通常由回路限能單元、電流隔離單元和信號(hào)處理單元三部分組成。回路限能單元為安全柵的核心部分。此外，輔助有用于驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場儀表的回路供電電路和用于儀表信號(hào)采集的檢測電路。信號(hào)處理單元?jiǎng)t根據(jù)安全柵的功能要求進(jìn)行信號(hào)處理。由于隔離式安全柵采用了限壓、限流、隔離等措施，不僅能防止危險(xiǎn)能量從本安端子進(jìn)入危險(xiǎn)現(xiàn)場，提高系統(tǒng)的本安防爆性能，而且還增加了系統(tǒng)的抗干擾能力，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

4.2 控制回路整改

本次整改是在控制回路中增加了隔離式安全柵的回路圖為：

4.3 KF系列隔離式安全柵特點(diǎn)

本次改造選用PEPPERL+FUCHS的KF系列隔離式安全柵（標(biāo)準(zhǔn)型）型號(hào)為KFD2-SCD-EX1.LK。此隔離式安全柵具有以下特點(diǎn)：單通道、可安裝在危險(xiǎn)區(qū)zone2、短路與斷路檢測、HART信號(hào)傳遞（電氣隔離）、電磁兼容性符合NAMUR NE 21、根據(jù)IEC61508安全等級(jí)可達(dá)到SIL2等級(jí)[4]。

其功能主要為：將4～20mA電流從安全區(qū)傳遞到危險(xiǎn)區(qū)。智能數(shù)字信號(hào)疊加在安全區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)的模擬信號(hào)上。HART信號(hào)允許安全區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)雙向傳輸。線路檢測，輸入特性：正常狀態(tài)下負(fù)載電阻，現(xiàn)場側(cè)帶載能力100Ω～700Ω；現(xiàn)場短路，安全側(cè)輸入阻抗小于50Ω；線路開路，當(dāng)I_ON=20mA時(shí)，安全側(cè)輸入阻抗大于2kΩ。負(fù)載電阻大于700Ω時(shí)，電流信號(hào)無法傳輸。當(dāng)線路短路時(shí)，輸入阻抗大于100kΩ，電流降到1mA以下，紅色故障指示燈LED閃爍。正常狀態(tài)下，輸入壓降小于4VDC(200Ω/20mA時(shí)），交流輸入阻抗與輸出阻抗相對(duì)應(yīng)。

5 變頻控制回路整改后的實(shí)際運(yùn)行情況及評(píng)價(jià)

為了天然氣處理廠的平穩(wěn)安全運(yùn)行，我們第一時(shí)間購買了隔離式安全柵，以最快的速度完成了DCS系統(tǒng)控制回路整改。從整改后運(yùn)行至今，DCS系統(tǒng)的變頻控制回路所在AO卡件再?zèng)]出現(xiàn)過掉線情況，實(shí)際DCS系統(tǒng)狀態(tài)完好，如圖5：

從DCS系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行情況看，該變頻控制回路保護(hù)性改造非常成功，保證了DCS系統(tǒng)的完整、安全、可靠性。由于該變頻控制回路與其他的控制對(duì)象隸屬于同一塊DCS輸出卡件，一旦該變頻器斷電，DCS輸出回路負(fù)載電阻變大，超出負(fù)載要求范圍，整塊DCS輸出卡件將失效，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)，將有可能導(dǎo)致同一塊DCS輸出卡件的其他控制回路控制失效，甚至導(dǎo)致裝置停車。故為天然氣連續(xù)生產(chǎn)處理產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

6 結(jié)論

通過在DCS系統(tǒng)變頻控制回路中增加隔離式安全柵的措施，使系統(tǒng)與外部設(shè)備進(jìn)行了隔離保護(hù)，很好地解決由于變頻器停用斷電后導(dǎo)致DCS系統(tǒng)模擬量輸出卡掉線的問題。由于隔離式安全柵采用了將輸入、輸出以及電源三方之間相互電氣隔離的電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)符合本安型限制能量的要求，因此可以應(yīng)用到很多其他類似場合。