基于Mark Vle壓縮機控制系統研究

溫 旭

(沈陽鼓風機集團自動控制系統工程有限公司，沈陽 110869)

Mark VIe系統是美國GE公司為燃氣輪機、蒸汽輪機、離心式壓縮機專門定制開發的透平機械控制系統，系統模塊采用完全硬件獨立的三重化冗余容錯(TMR)技術，系統發生故障時可繼續正確地執行控制任務。系統設計采用100 M快速以太網和G3防腐技術，10 ms、20 ms、40 ms控制周期可選，采用先進的入口滑工況壓縮機控制算法，其故障分散，維護簡單，可在線更換。

1 網絡結構

Mark VIe系統包括IO Net網絡接口和控制網絡接口(UDH-Unit Data Highway)，通過IO Net網絡交換機，使控制器和I/O卡件進行通信，所有的I/O卡件與IO Net網絡相連接。I/O模塊可以安裝在本地機柜，也可以通過光纖遠程分布式安裝。UDH用于和HMI通信或與其他控制器通信。IO Net網絡和控制網絡的通信速率為100 MB。

Mark VIe系統從IO Net網絡讀取參數，從CPU通過IO Net網絡輸出命令。系統通過3取2表決屏蔽錯誤信號，CPU根據表決結果進行邏輯運算。系統通過自診斷功能檢測報錯設備，強大的診斷功能能夠最大限度縮短平均修復時間(MTTR)。根據現場工藝要求和用戶資金狀況，檢測元件可以是1、2或3個。每個I/O模塊獨立運行在各自IO Net網絡，允許在線替換報錯模塊，不會影響系統正常運行。

控制器和I/O模塊之間的通信通過內部的IO Net網絡來進行(見圖1)。控制器上有3個IO Net網絡口，通過交換機和I/O模塊相連。IO Net網絡的帶寬為100 MB，該網絡可以組態成非冗余、雙冗余和三冗余網絡，IO Net網絡通過EGD方式和I/O進行通信。EGD是基于 UDP/IP(RFC 768)層的實時網絡通信協議，EGD的數據包以一定的幀頻從控制器廣播到I/O模塊來響應輸入數據。

IO Net和 IEEE 802.3的標準相符合，通信介質可以采用100 Base Tx和100 Base Fx(光纖)用于遠距離的通信，以降低工業噪聲、雷擊和接地干擾。星型網絡拓撲結構(見圖2)用于控制器在一端、交換機在中間、I/O模塊在末端的結構。

圖1 I/O網絡Fig.1 I/O network

圖2 星型網絡拓撲結構Fig.2 Star network topology

2 SOE功能

SOE按時間記錄機組順序發生的各種事件狀態，與歷史趨勢配合對機組故障后查找原因有非常大的幫助[1]。SOE精確到1 ms，可記錄報警信息及操作事件并打上時間標記，生成報表。SOE順序事件記錄器具有以下特點：一是所有的DI/DO點的動作的先后順序能完全真實地記錄下來，不會發生記錄丟失；二是分辨率精確到毫秒級記錄事件順序；三是機組跳閘復位后采集數據；四是精準記錄和查詢并進行數據寫保護，防止惡意刪除功能；五是自動按日期備份SOE數據；六是進行實時打印記錄報表；七是SOE記錄條數為60 000。

3 系統要求

電源要求。項目需要提供兩路獨立的不間斷AC 220 V供電，電壓浮動不能超過±5%。

接地要求。Mark VIe系統的接地分為保護接地和信號接地。接地工程符合規格書要求的標準規范(SH/T3081-2003，IEC354-5-548-1996，ISA-RP12.6-1995)，采用等電位連接方式接地，連接到電氣接地系統，接地工程資料通過CE認證。Mark VIe系統硬件具體系統接地要求如下：保護接地小于等于4歐姆，信號接地小于等于4歐姆，等電位接地。

程序要求。要求對Control ST軟件增加工程師級別用戶。對程序進行調試及修改、下裝時，要有工程師權限方能進行。要求對上位操作畫面增加操作員權限，用于監控安全生產。

硬件檢查及替換要求。通過上位軟件中的系統狀態圖、各硬件指示燈的狀態指示進行日常巡檢，當發現存在硬件故障時應及時處理，可按下系統狀態圖中的“系統復位”按鈕進行復位。非硬件故障一般都可以通過“復位”操作進行復位處理，若為硬件故障，需要進一步判斷及更換處理。更換故障卡件時，要確認故障卡件位置，佩戴防靜電手套進行更換。需要斷電時，不要誤操作導致系統誤停車。更換的新卡件，要確認好卡件型號，若為端子背板故障，要停下系統更換，進行軟件組態修改及下裝。

系統停運檢查要求。為保證CCS控制系統的安全性和有效性，要求每投運1年后，對CCS系統硬件及功能進行停車校驗，每3年做1次點檢。

4 控制功能

4.1 控制邏輯

監視及操作壓縮機組所有控制邏輯，控制邏輯條件均滿足后，執行命令。

4.2 報警和信息查詢

監視及操作壓縮機和汽輪機所有參與報警點的位號、測量值、設定值及報警狀態。具有安全級別可以修改低報警設定值、高報警設定值、低低報警設定值、高高報警設定值。設置報警信息查詢，詳細記載報警和事件，以優先級確認報警信息和聯鎖信息或事件信息的發生，可以第一時間提醒操作人員機組發生事件的具體詳細內容，以便預警和查詢操作記錄等。

4.3 聯鎖和首出

監視及操作壓縮機和汽輪機所有參與聯鎖點的位號、測量值、設定值及聯鎖狀態。具有安全級別可以修改設定值欄下的低低聯鎖設定值、高高聯鎖設定值，聯鎖旁路等。首出功能記錄本次發生聯鎖的第一事故信息和日期、時間，直到下次聯鎖發生重新記錄。開車前需系統復位，有聯鎖不可以開車。

4.4 流程系統

檢測壓縮機和汽輪機的氣路系統、軸系系統、潤滑油系統、干氣密封系統和蒸汽空冷器系統等設備流程參數，具體包括機組進出口溫度、壓力和流量，機組軸承溫度、軸承振動、軸承位移、軸承鍵相和轉速，潤滑油的溫度、壓力、液位和差壓，干氣密封氣的流量、壓力和差壓，設備的運行狀態等。

4.5 歷史和實時趨勢

設置歷史趨勢和實時趨勢功能，查詢某測量點之前某一時間段變化趨勢。可以選擇歷史趨勢功能。查詢某測量點當前變化，可以選擇實時趨勢功能，二者可以有效準確地提供機組運行情況。依據壓縮機組不同的工作階段，配置對應的采樣周期，利用采樣周期記錄壓縮機組在各個工作階段內的狀態監測數據，以便對壓縮機組進行狀態監測[2]。

4.6 調速控制

開環啟動。速度控制器啟動后，控制模式顯示為自動開環啟動。速度控制器輸出100%，通過調節速關閥執行的開環啟動，手動沖轉。手動沖轉過程中，轉速PV值達到控制轉速1 500 rpm，調速PID立即自動接管，調速PID自動調整調速汽門開度。

暖機。調速PID接管后自動爬坡升速，轉速設定達到暖機要求。預設轉速，進入暖機1狀態，實際控制模式顯示為暖機1，當暖機1完成后，需要繼續升速，直接點擊暖機2按鈕，轉速設定爬坡升速到達到暖機2預設轉速，進入暖機2狀態。

過臨界。暖機1升速、暖機2升速或額定升速過程中，進入臨界區，調速器將轉速設定SP值的上升速率自動改為跨臨界斜坡速率50 rpm，以便快速通過臨界區。通過臨界區后調速器將轉速設定SP值的上升速率自動改回暖機斜坡速率5 rpm，過臨界報警在PV值未通過臨界區時一直存在，直到轉速PV值完全通過臨界區。

額定升速。暖機1、暖機2過程完成后，需要升到額定轉速或無需暖機過程，也可直接升到額定轉速，直接點擊控制按鈕額定轉速，轉速設定SP值將自動到達額定轉速。

跳車原因。啟動故障安全跳車(開環啟動后一個延時周期內，轉速仍未達到最小控制轉速，啟動故障安全跳車)，外部緊急聯鎖跳車(ESD緊急跳車信號，啟動外部緊急跳車)，操作員緊急停車命令(工藝操作面板上的ESD按鍵，啟動操作員停車)，調速器失速跳車(正常運行時，轉速因探頭故障突然消失或小于100轉)，調速器超速跳車(轉速超過跳車設定值)，調速器正常停車(通過停透平命令緩慢減速直至停車)，停車手動誤啟動跳車(在停車手動操作模式中，防止因閥門誤操作，如主汽門打開蒸汽進入，造成汽輪機誤沖轉動作)。

超速回避。當實際轉速大于超速回避門檻值后，調速汽門以OSP_TM(超速回避一階時滯探測時間)的時間檢測一次，閥門關OSP_DM(超速回避閥門階梯關度)的關度，直到檢測到實際轉速小于超速回避門檻值。

電超速試驗。當轉速PV值達到跳車門檻值，調速器關閉輸出停車信號。本次跳車原因顯示調速器超速跳車，最高轉速記錄下跳車轉速值，跳車試驗完成后復位調速器。

4.7 防喘振控制

用于實現基于無關坐標系的防喘振控制算法，基于5條控制線的實現方法，實現防喘振PI控制和開環快速保護，見圖3。

圖3 防喘振控制功能圖Fig.3 Anti-surge control function diagram

PI響應。當工作點越過SCL(喘振控制線)時，防喘振控制算法PI作用輸出，逐漸打開防喘振閥，根據工作點與防喘振線的距離產生相應的比例積分響應，防止工作點進入喘振區。

微分響應。通過檢測工作點向喘振方向的變化率來影響增加防喘振線安全裕度(變化快，裕度增加大；變化小，裕度增加小。變化率與裕度增加量是實時隨動的)，這樣工作點向喘振方向移動但沒有實質喘振危險時不會打開防喘振閥，只有工作點處于防喘振線時，通過加大安全裕度，使得微分響應輸出，從而加大回流量。這對于一般的工藝擾動可以保持工藝過程穩定，又可以防止喘振發生。

階躍響應。在SLL(喘振極限線)和SCL之間按一定比例設定FOL(階躍響應線)，如果對于一個較大較快的擾動，當微分響應和比例積分響應都不能使工作點保持在SCL的右側安全區時，工作點瞬間越過FOL，則階躍響應就會快速產生階躍響應輸出。采用等比例或變比例控制方式快速打開防喘振閥[3]，增加足夠流量防止喘振，保證機組安全前提下，盡可能穩定上下游工況。

安全響應。如果因意外情況發生(工藝流程變化、操作失誤或特別嚴重的波動)使工作點越過ESL(深度喘振線)發生喘振，則安全響應會重新設定防喘振線裕度，使防喘振線向右平移，增加喘振線與防喘振線調節區域，在下一個喘振周期將喘振止住，防止離心壓縮機深度喘振。

TSL響應。為應對防喘振閥門在小開度下開關不靈活的情況，設定TSL(緊關線)保證壓縮機運行點接近SCL時閥門從全關位置快速響應防止喘振又不會使工藝過程產生不必要的波動。

退守策略。作為一種備選控制策略，當參與喘振計算的離心壓縮機出入口監測點發生故障時，可以提供一個經驗的缺省值以保持喘振控制功能。

超馳控制。通過對喘振預判，壓力超馳控制保證工藝在大幅波動時，壓縮機入口壓力不低于低限跳車閾值和壓縮機出口壓力不高于高限跳車閾值。

5 結語

基于Mark VIe安全系統控制環境，結合壓縮機控制功能特性，給出一套完整的壓縮機控制系統，在壓縮機組安全運行的同時，保證了工藝流程的穩定。先進的控制方案提高了機組的安全性和穩定性，為壓縮機控制提供了參考。