浙大中控T9100系统在压缩机上的应用

                                         浙大中控T9100系统在压缩机上的应用

T9100控制系统介绍
2.1 系统概述
卖方为本项目提供完整的三重化（TMR）和硬件容错（HIFT）的安全控制技术的T9100TMR容错型ITCC系统，用以实现对机组的综合控制和安全保护，以防止异常条件引起的其他严重后果，以达到对装置和人员的保护等功能。
通常系统控制单元（控制站）、工程师站、操作员站等均连接在系统的高速通讯网络上。控制系统可通过标准Modbus RTU协议与第三方产品（如DCS、本特利3500等）进行通讯。并且通讯介质支持串行电缆，重要信号参数（如联锁信号、负荷信号）则通过硬接线连接。
T9100系统安全等级SIL3级、是一个基于三重化的系统，内部所有的重要电路均采用三重化容错的设计。T9100系统保证在内部单通道出现故障的状态下，仍能正确地执行程序。系统所有的模块均能在线热更换。这种设计使得T9100系统几乎可以保持100%在线。T9100被用来实时地处理各种复杂和危险的生产过程的控制，接受现场信号，执行逻辑运算、PID等各种控制程序，输出控制信号，驱动现场执行单元。
T9100平台在产品性能上，具有高速逻辑与联锁控制能力、丰富的高阶函数运算和完整的控制策略。对于具有高性能应用需求的场合来说是最理想的解决方案，特别适用于大型装置的自动化控制和联锁，以及分布区域广泛的SCADA应用场合。同时，我们从设计上考虑不同应用领域用户需求的特殊性，平台产品具有良好的环境适应性，适用于有防腐蚀、宽环境温度、高海拔、防爆和野外使用要求的应用场合，在-40ºC 至 75ºC的环境中，系统仍能长期可靠运行。
基于平台化的控制产品设计与软件构架，T9100平台运行在多任务、多处理过程的实时操作系统上，支持IEC61131-3国际标准规范的编程语言。
2.2 系统硬件

控制器和I/O 模块都有三个独立的通道回路，输入模块内的三个通道同时采集同一个现场信号并分别进行数据处理，经表决后发送到三条I/O总线，控制器从三条I/O总线接收数据并进行表决，并将表决后的数据送三个独立的处理器，各处理器完成数据运算后，控制器对三通道中的运算结果进行表决，并将表决结果送I/O总线，输出模块从I/O总线接收数据并进行表决，表决结果送三个通道进行数据输出处理，处理结果表决后输出驱动信号。
先进高效的控制策略，采用多任务操作系统，支持定周期、循环扫描和事件触发等多种方式运行，将过程、批次、离散、驱动和运动控制融合到统一自动化应用中。
具有点下载、函数下载、整体下载和可选择区域下载等多种在线下载方式，具有完善的在线下载安全机制，确保在线修改及维护控制策略。
丰富的过程控制库，可方便实现电机、传动控制和运动控制等设备的全套解决方案。
具有大容量的高速逻辑控制能力，小于20ms的联锁响应速度。
采用生产者、消费者模式交互和共享数据，高效实现数据交互。
通道级的故障分析及预警机制，和自动故障切除保护机制，为您提供完善的故障诊断安全机制。
更快的工程开发速度，一次定义位号，全面优化实施效率。
具备完整功能的单一控制引擎，可通过外置储存卡进行配方管理。
2.3 控制功能
中控压缩机优化控制技术在通用的成熟喘振控制模块和速度控制模块基础上引进世界上的先进技术进行了优化，同时考虑到压缩机与工艺操作的相关性加入了性能控制的理念，使得压缩机控制更安全、更稳定、能耗更低以及自动化程度更高。主要表现在以下三点：
 工艺扰动时保证机组和工艺稳定运行
在催化装置中主风机风量、富气压缩机入口压力都是关键的工艺变量。而一般的压缩机控制只对压缩机本体进行保护而与工艺不关联，主风机风量控制、富气压缩机的入口压力控制以及喘振控制都是手动操作，当工艺出现较大波动或开工过程中的不稳定工况，手动操作不能自动调节及时跟踪工艺变化，会导致工艺的不稳定甚至停车。中控机组控制技术的性能控制能够自动控制主风机导叶和富气压缩机的入口压力，以及入口放火炬阀，从而稳定压缩机和工艺操作，避免不必要的停工并且提高油品质量。

 明显节能降耗
相比于一般控制系统的手动操作模式，在主风机的控制中，根据主风压力或流量的需求自动调节导叶开度，并引入温度的变化来自。动修正喘振曲线。这样在由于季节变化以及日夜温差变化的过程中，能够自动调节风量，从而降低功耗2%左右，以9000千瓦机组为例，能耗可以降低180千瓦/时；
对于富气压缩机来说，一般的控制系统手动模式给定转速调节入口压力，反飞动阀往往有一定开度，帮助调节入口压力。中控的压缩机控制技术设置了入口压力控制回路，自动控制改变转速来控制富气压缩机的入口压力，而更精确的喘振控制可以关闭反飞动阀，使得能耗较之普通控制平均下降10～15%左右，年经济回报率达到200万元左右。

 全自动控制
目前国际上大型石化装置的人员配置都非常精简，如国外1000万吨到2000万吨规模的炼油厂平均不超过1000人。因此，压缩机岗位都不设置操作员，由工艺岗位兼顾。同时手动操作要求操作员更高的注意力和经验。但仍然存在误操作造成装置停车、压缩机喘振等问题。尤其是新装置开车阶段，由于操作员经验缺乏、工艺波动、工艺设备不匹配等问题，手动操作开车会使整个开车过程延长。而中控的压缩机优化控制技术很好的解决了这个问题，专业的性能控制和喘振控制都有专用算法来提供根据压缩机制造商的自动启动、加载和自动停车的功能，使得机组启动并机无需操作员手动干预，装置开车更快更平稳，更可以使得开车过程中的火炬排放最小或者消灭火炬。
 防喘振控制
喘振极限线SLL（Surge Limit Line）：喘振极限线SLL是防喘振控制器内部用于控制与保护的基准线，喘振极限线SLL可以通过压缩机主机厂提供的压缩机运行性能曲线得到，或者在现场做喘振实验得到。实际上，即使通过现场喘振实验得到的喘振极限线SLL，该值可以通过补偿模块更接近于真实的喘振。
喘振控制线SCL(Surge Control Line)：为防止喘振发生，防喘振控制算法在喘振极限线SLL 右边设置了一个可组态的安全裕量，从而得到用于主PI计算的喘振控制线；当运行点进入喘振控制线SCL的左边时，防喘振主PI计算输出变大，防喘振阀门打开，增加压缩机的流量，使压缩机运行点返回到安全区域。防喘振主PI响应作为连续性的调节手段，用于克服小幅度的喘振接近扰动，例如用于克服工艺降负荷操作过程中可能出现的缓慢扰动。
前馈控制响应（D_Response）:当运行点远离喘振线时，工况出现大幅波动，运行点向左移动速度过快时，喘振控制线将以固定速率向右移动，提前控制打开防喘阀，避免机组快速穿越喘振控制线发生喘振或触发阶跃响应，造成工艺大幅波动。
阶跃响应线SRL(Step Response Line)：在喘振极限线SLL和喘振控制线SCL之间，设置了用于开环保护动作的阶跃响应线。如果运行点越过喘振控制线SCL并碰触阶跃响应线SRL，表征压缩机正在面临一次剧烈的快速扰动，防喘振主PI响应不能够及时克服扰动，此时触发开环的阀门阶跃响应，一个可组态的开环阶梯响应强度叠加在防喘振控制器的输出上，从而快速开大防喘振阀门、增加压缩机流量量、迅速保护压缩机远离喘振区域并返回安全区域。
喘振保护线SPL(Surge Protect Line)：喘振保护线SPL定义了一个极限条件。通常防喘振主PI响应和开环的阶跃响应能够及时地保护压缩机在面临一次较强的喘振接近扰动时及时、迅速地返回到安全运行区域；然而在极个别的情况中，当面临一次极强的喘振接近扰动时，运行点可能刺破喘振极限线SLL继续左移,当运行点碰触紧急喘振线SPL时，可认为压缩机发生了喘振，紧急喘振响应将自动增加喘振控制线SCL的安全裕量，并再次触发一个阶跃响应。从而增强闭环主PI响应和开环保护动作的强度，通常在一次执行周期中使运行点返回到安全区域；同时产生紧急喘振响应报警以提示操作人员压缩机组发生了一次喘振事件。
手动控制：操作人员任意时候都可以将自动控制模式切换到手动操作模式，在手动操作模式下，喘振控制将忽略PI控制响应，当运行点碰到阶跃响应线时，控制器自动切回到自动状态并触发一次阶跃响应。
 速度控制
速度控制功能块具备以下功能：
 全自动启动：汽轮机可以通过按下控制面板的启动按钮自动启动、升速、暖机、越过临界转速直到到达最小调速转速Ngovmin，投入正常运行。全自动启动可以组态为热启动和冷启动两种模式。
 半自动启动：通过按怠速1、怠速2和额定按钮，可以将汽轮机升速到工作转速，升速过程中可以通过“暂停”和“继续”按钮来停止升速和继续升速
 手动操作：当汽轮机冲转达到最小控制转速Nmin，操作员也可以通过按升速、降速按钮或者直接输入转速目标值来进行升速降速调节。
 硬手动控制：当切到硬手动操作模式，速度控制PID被屏蔽，控制输出通过输入调阀目标值来直接控制。
 临界转速：可以组态两个临界转速带（Ncritical1和Ncritical2），当转速到达临界转速时，汽轮机将快速升速越过临界转速带，在超越临界转速带期间，任何停止升速的操作都被禁止失效。
 超速保护：当汽轮机转速N达到设定的超速保护转速Nosp时,将触发联锁跳闸信号，切断主汽门，调阀关闭。
 超速试验：正常运行中汽轮机转速不能超过最大连续转速Nmax，超速试验功能将暂时屏蔽这个转速限制功能，使得汽轮机能够升到超速跳车转速，以测试超速保护装置的功能。
 远程控制：速度控制的设定点可以通过按远程切换到远程控制，远程控制范围为最小调速转速到最大调速转速。
 本地控制：本地控制的设定点可以在操作画面中通过按升速/降速按钮来改变，也可以直接输入设定值的方式来改变。
 转速探头失效：内置的转速探头失效诊断可以在运行过程中判断转速探头失效。
 入口压力控制
性能控制器控制压缩机入口压力，输出串级控制转速。其输出信号0~100%做为速度控制器的远程设定值，对应速度控制的最小和最大值。当入口压力降低时降低转速，当入口压力升高时提高转速来维持入口压力。入口压力控制可以随时切换为手动操作或调速器本地操作，由操作员手动改变速度设定值，这一操作都是无扰动切换。同时，性能控制还具备自动加载自动卸载功能。
2.4 系统部件及功能
CCS系统主要有以下硬件组成

1. 系统柜；
2. 辅助柜 （根据需要可包括安全栅及柜间电线、电缆、开关、熔断器、端子等）；
3. 操作站工程师站/SOE站；
4. CCS通讯外设；
5. 供电及接地。
   2.4.1机柜
   系统柜及端子柜
   控制系统的所有硬件及附件安装在机柜内，机柜为中控标准机柜，型号按照用户要求配置；颜色为RAL 7035，规格：800mmD×800mmW×2,100mmH，辅操台、操作台颜色为RAL 7035，外型尺寸与用户DCS系统保持一致。能前后开门，装有风扇、照明及空气过滤器，电缆从机柜的底部进入，机柜的上部和下部留出足够的维修空间。机柜分为系统机柜和端子柜，在端子柜底侧分别设置安全地和系统地接地排或按照规格书要求的标准进行配置。
   系统电缆
   卖方将提供本系统内部的各类电缆及与以下与第三方系统之间的通讯连接电缆。提供连接电缆遵循以下原则：包含CCS与工程师站/SOE站/操作员站之间的系统电缆；操作台、辅操台均安装在中央控制室。若机柜间与中控室距离超过600m，则需增加远程柜。
   2.4.2工程师站
   用于CCS系统的应用软件编程、组态、调试、在线监测、故障诊断、系统监视和文件存档。工程师站将安装基于Windows的下位编程组态软件，该软件符合IEC61131-3标准，可以实现系统组态、应用程序开发、系统维护、系统诊断、离线仿真、离线测试、逻辑修改变更等功能。安装SOE的相关软件，实现SOE的所有功能。
   2.4.3 顺序事件记录站（由工程师站兼作）
   顺序事件记录站（SOE）用于在线记录系统的各类报警及动作事件，并进行存储，可供查询、追溯、打印。顺序事件记录的时间分辨率为1毫秒，记录的数据总数大于100,000 条。顺序事件记录站能分别记录各控制器的报警及动作事件。
   2.4.4 操作站
   操作站将通过高速冗余的以太网与CCS系统通讯卡接口相连接,将安装在CCR中，用于实现对压缩机组完整的操作、监控、仪表维护旁路及对CCS系统的维护监视。
   2.4.5与用户DCS通讯
   CCS通过冗余的MODBUS通讯与DCS交换数据, 接口规格RS485，卖方应将MODBUS通信线引至接线端子，卖方与用户的通信设计分界为卖方压缩机组控制系统的接线端子。
   2.4.6系统供电
   CCS系统供电将接受业主提供的三路的220VAC供电（两路为UPS电源，一路为市电），其中一路供电中断，不影响系统正常运行。机柜内照明、风扇及插座等供电采用市电；CCS系统提供专门的24VDC冗余电源，用于柜内其它设备及现场仪表回路供电。其负荷将不超过最大能力的50％。
   2.4.7系统接地
   CCS系统采用等电位接地方式，有两种接地汇流排：安全地、系统地。接地电阻值要求不大于4欧姆。
   2.5 系统软件包
   2.5.1系统监控软件
   CCS系统设计有独立的操作站，人机界面软件将选用中控VxSCADA软件，其系统平台基于WINDOWS操作系统，该软件通过高速网络与控制器通讯，确保数据及时刷新，从而更好地实现操作人员监控和操作。主要操作画面如下：
   流程图画面及操作状态
   包括工艺流程画面，润滑油流程画面，干气密封流程画面，蒸汽及凝结水流程画面，轴振动、轴位移、轴承温度监测画面、联锁因果关系图及机组及附属设备的状态和运行参数，如有需要，根据用户的要求，卖方可适当增加画面.
   机组顺控启动画面
   当压缩机组各项起动条件具备，系统发出允许起动命令后，机组开始启动，并有灯光显示。起动机组分两种方式：自动起动或手动起动。
   实时趋势画面
   来自实时量，按参数类型分类，操作员可选时间段及仪表位号，时基可选时、分、秒
   历史趋势画面
   按参数的类型分成若干画面，每个画面都有各类趋势画面的菜单及功能键，趋势时间间隔设定，起始时间，并显示系统中发生报警或联锁点的位号、名称。
   报警历史画面
   按各点报警或联锁发生的先后顺序排列报警,显示报警联锁点的位号、名称、报警或联锁状态,及报警或联锁值。