先控理念在tps系统和tmr三重化冗余tricon

先控理念在 TPS 系统和 TMR 三重化冗余 TRICON 紧急停车系统中实现应用程序转化和移植问题的探讨 防喘振控制方案研究 1、防喘振控制方案分析 就目前国内外炼化企业来看，防喘振控制通常用两种方法：一是早期专用的防喘振控制 器，如 WORDWARD 公司的 505C 控制器、ELLIOT 公司的 ASCC 控制器等；二是目前常用的 PLC 专用软件包。如 GE 公司的 9070 系列 PLC（用 Logic Master 或 Field Control 编的软件包） 、TRICONEX 公司的 TS3000（用 MSW311 或 TS1131 软件包）等。但每个厂家出于对知识产权 的保护，均不会公开其防喘振控制的算法。专用的控制器只给用户提供接口参数，专用的软 件包是用高级语言编写的软件包（如语言） 。用户无法打开，只能在程序中调用。这些技 术封索直接影响用户对防喘振控制方案的深入理解，给程序的移植带来了相当大的难度。笔 者通过对多套机组喘振方案的研究，发现只有 TS3000 系统中的源程序对用户是相对开放的， 于是对其进行了反复实验，最终弄清了其算法。这种算法仅仅是不同厂家、不同设备中众多 算法中常用的，也是相对减化的算法。 、防喘振控制的主要功能 喉部差压低选、出口压力高选 喉部差压温度补偿算法 喉部差压和比例增益参数的折线运算 防喘振线下移功能 可远程给定的 PID 运算 实现放空阀的快开慢关功能 实现两个放空阀的分程控制 实现联锁停机放空阀自动打开控制 实现防喘振曲线图 、防喘振控制技术方案 根据测量压缩机的喉部差压、出口压力、入口温度这三量，TRICONEX 有一套完整的喘 振技术，该算法中气体分子量变化不会影响机组的防喘振控制。当风机正常运行时，它的工 作点应该在图 2 防喘振线的下方，此时偏差 ePVSP0，调节器的作用方式为反作用。当 2 工作点越过防喘振线 并在其上方时，即偏差 e0 时，则要求防喘振阀快速打开。由于防喘振阀的打开，使 工作点开始回到防喘振线以下时，阀的动作又应减慢，即要求防喘振阀在开关时，是以变速 动作的。在偏差 e0 时,放空阀打开的快速取决于 PID 参数比例增益 K 的自适应能力（自 动增大或减小） ，如果 K 值不变，放空阀则以正常的速度打开（一般要求在 3 秒钟之内） ； 而当喘振发生的趋势得以控制时，即偏差 e0 时，放空阀则以 0.1%渐进式缓慢关闭。 防喘振控制算法，是通过温度补偿后的喉部差压值（防喘振曲线的横坐标 X 轴）经过折 线运算得出的出口压力作为 PID 控制的设定值 SP（防喘振曲线的纵坐标 Y 轴） ，来控制测量 值出口压力 PV。防喘振控制的偏差 ePVSP 即为出口压力的控制偏差。防喘振 PID 作用为 反作用，正常状况下偏差 e0，当 e0 时发生喘振。防喘振控制框图如图 3 所示。 喉部差压P 出口压力 P 喘振线 防喘振线 工作点 0% 100% 100% 图 2 防喘振性能曲线图 喘振线 c b x a d 温度补偿 折线运算 喘振检测 比例 K 折线运算 防喘振线移动 PID 运算 快开慢关 输出置 0% 分程控制 出口压力 PT1841A/B 高选 低选喉部差压 PDT1840A/B 比例增益 K 值 SP 值 PV 值 ASV1840 ASV1841 （气关阀） 注：积分系数保持不变为 4 3 当偏差 e 大于 2%时系统发出喘振报警，当偏差 e 大于 7%并且逆流报警存在，则防喘振线下 移 1%。为了保证风机的功效，最多下移 5 次，还设置了手动复位功能。当防喘振线下移时， 此时的设定值 SP 为折线算出的 SP减去移动次数 N 乘以下移量 1%。即： SP SPN1%。 PID 参数比例增益 K 自整定功能是通过折线运算实现的，共 11 点坐标形成 3 段斜坡折 线得出 K。在没有发生喘振情况下，当偏差 e 大于 0.1%时（即喘振条件具备）发生喘振， K 值自动置为初始值 90，然后 K 通过和折线运算后的 K计算逐渐减小。计算公式： K（9025.0）（K25.0） 当偏差 e 小于 0.1%时，K 值值保持不变。在比例增益 K 值自动变化过程，积分 T1 值始 终为 4，微分 T2 值始终为 0。如图 4 所示。 2、原 TMR 三重化冗余 TRICON 系统的配置 ARGG 装置配置了烟机、主风机、备用主风机各一台，增压机两台。根据风量主风机和 备用主风机选用轴流压缩机，驱动机选用烟机和电机，注意：备用主风机组无烟机。该大型 机组的防喘振控制、静叶控制、轴系监控、启停机顺序控制、联锁逻辑控制（ESD）等均由 图 3 防喘振控制框图 入口温度 TE1840 联锁停机信号 偏差 e100 100 比例 P 0 80 10 48.6 48.8 30 49.8 图 4 比例增益 P 的折线运算 4 TRICON 系统的 TS3000 硬件来实现。 防喘振程序的转化和移植 这里主要讨论二个主要的技术问题：一是在富士智能调节器 PNA3-211 实现备 机的防喘振控制和防逆流控制；二是在 TPS 系统中利用先控理念实现压缩机的 防喘振控制。 一、防喘振控制功能的具体实施方案 ARGG 备用主风机组共有仪表回路 117 个，由于受现有控制系统点数的限制和系统应 急特殊性的要求，经攻关组开会研究决定对防喘振控制等复杂控制进行必要的和适当的简化， 同时删去不重要的仪表回路，最终审定关键回路为 62 个。我们结合目前公司旧设备的实际 情况，防喘振控制、静叶控制、防逆流保护等我们选定用富士智能调节器实现。大量的模拟 量显示回路用多点无纸记录仪监视，数字量报警用多点闪光报警指示仪实现。机柜用的是废 弃的旧机柜，我们经过改造和刷漆，作为工艺的操作盘。新制作一个控制盘，架装 SIEMENS 的 S7-200 系列 PLC 作为 ESD，用于备机的联锁及油泵的自启动控制。系统配制简 图如图 5 所示。 1、用西门子的 S7-200 系列 PLC 及继电器等实现备机及增压机的联锁控制 2、用富士智能调节器 PNA3-211 实现备机的防喘振控制、防逆流控制 3、用富士单回路调节器 PNA1-011 与原有伺服控制器连接，实现静叶调节，以及常规控 制 4、用富士调节器 PNJ3-000 实现备机的逆流报警检测 用 5、多通道无纸记录仪、多通道闪光报警指示仪、继电器、按钮、开关等，对必要的 工艺参数进行监控。 喘振对轴流式压缩机的影响非常厉害，由于机组自身特性和管网的喉部差压低等条 件均会使得喘振产生的非常快，因此必须应用专门的控制技术来及时打开放空阀，防止喘振 发生。就目前国内外炼化企业来看，防喘振控制的实现不外乎两种方法：一是早期用专用的 ASCC 防喘振控制器实现，如 WORDWARD 公司的 505C 控制器；二是目前常用的 PLC 专 用软件包来实现，如 TRICON 系统。我们创建的备机应急系统中，就是将 TRICON 系统中 用 MSW311 软件用 LAD 编写的防喘振源程序，移植到富士智能调节器 PNA3-211 中来实现 防喘振控制。 二、确立新控制方案的模型 5 经过攻关组解读原控制方案，确定新的方案如下： 1、总体思路 启机条件取消，当启机条件具备时，有一个硬开关确认。 安全运行取消，直接联锁停机。 只用 1#增压机。 联锁停机报警只有一个总报警显示。 静叶调节完全手动控制。 仪表回路尽量减少，只保留关键工艺参数。 2、防喘振控制主要功能： 实现轴流风机的防喘振控制 实现喘振阀的快开、慢关功能 实现联锁停机时喘振阀自动打开 实现二放空阀分程控制 实现喉部差压温度补偿算法 3、 取消原防喘振部分功能： 取消喉部差压低选和出口压力高选控制 取消防喘振线下移功能 取消 PID 参数自整定功能 折线运算由原 10 段减退化为 7 段 因无 PC 机操作站，在人机界面上无法实现防喘振曲线图 三、防喘振程序的移植 实现程序的转化和移植，一个最关键的问题就是技术上的难度。为攻克这一课题，我 们反复读资料、做实验。逐段程序去转化、去仿真、去实验、去测试等等。三重化 Tricon 系 统中的用 LAD 梯形逻辑语言实现的防喘振控制程序转化到富士智能调节器 PNA3-211 中，完 整地实现备机的防喘振控制，这客观的要求技术人员必须做到： 对原 LAD 源程序彻底读懂 对防喘振控制思想，目前还没有一个厂家完全的对用户公开，因此，给我们读源程序带 来了相当大的困难。我们反复钻研，同时和北京 Triconex 公司项目工程师取得联系，以做到 对喘振思想的理解上万无一失。 对现 PNA3 调节器彻底会用 6 PNA3 调节器，在我公司用的很多，但还停留在其常规的简单控制功能，其“智能”的 深度挖掘还远远不够。本次攻关，可以说把 PNA3 的功能用到了极尽，充分发挥了其智能表 的功能。 防喘振控制功能的彻底移植 在移植过程中，我们得到了林源同行的热心帮助，对不同的控制思想和策略的实施做了 比较，极大的提高了软件思想的汇融，对防喘振控制功能可靠性和安全性提供了实际参考经 验和理论支持。在此，我们花费了很大精力。 1、控制说明： 调节器 BIC1840 面板上的 SV、PV 分别显示防喘振出口压力的给定值和测量值。 调节器选反作用方式，偏差 DVPVSV，当 DV0 时且操作方式在“R“时开始防喘 振控制（开阀） 。 分程控制正常处于“A”模式，HIC1841 关到 45时，HIC1840 开始动作。 温度补偿的基准温度为 22.5。 防逆流调节器 HIC1849 正常应处于“A”状态。 2、注意事项： 防喘振控制实现自动控制必须处于“R“ 模式 SV 值只能由计算自动给定，不能手动设定 联锁停机时，二放空阀自动全开后，需将控制器由“R“模式切到“M“模式，手动调节 放空阀开度；否则，停机信号消失后，放空阀会自动全关。 3、温度补偿算法： 源程序为： rBIC101 = (iTE840 + 273.15) / (273.15 + cTE840S); rBIC103 = rPdT842 / rBIC101; 这需换算成适于 PNA3-211 运算的功能块模型来实现。根据气体流量的修正公式： Q 实 /Q 参 （P 实 T 参 K 参 实 / P 参 T 实 K 实 参 ） 1/2 不考虑绝对压力 P 压缩系数 K 和密度 的变化，风机喉部差压不需方根运算，则公式只 和绝对温度有关，可简化为： Q 实 /Q 参 T 参 / T 实 T 参 22.5 入口温度的量程为-4060 Q 参 /Q 实 (100T 实 40273.15)/(T 参 273.15) 33.82T78.86 源程序移植在 PNA3 中组态参数为： 7 W1=C3 W11031TIA1840 W12880CON133.82 W13881CON278.86 W2C4 W21030PDA1840 W22A01 4、 折线运算 不同的静叶角度对应的喘振点是不同的，而静叶角度和喉部差压有关。因此，根据补偿 后的喉部差压作为坐标的横坐标，计算出对应的出口压力作为纵坐标，纵坐标即为 PID 控制 的设定值 SV。为安全起见，通常将坐标点向下偏移 7的裕度来确定一点，将若干点相连， 就形成了防喘振线。在新控制方案中，防喘振线是采用 8 点 7 段（原 11 点 10 段的简化）折 线算法，确定了近似于理论防喘振线。具体坐标值见表 1（实数转化为百分数） 。 折线的算法如图 6 所示，与图 2 稍作比较可知 ac 点间的纵坐标之差即为 7安全裕度， 8 工作点 xd 之间纵坐标之差即为偏差 e，当 e0 时（即 x 在 d 的上方时）系统认为已接近 喘振，此时放空阀打开。 五、ESD 逻辑联锁的实施 我们在以前的维护过程中，对于西门子的 S7-200 系列 PIC 从未使用过，对于 S7-200 系 统的硬件组态，以及软件编程一无所知，这样就产生一个重大的课题“时间短，任务重” 。我们一方面对西门子的 S7-200 系统 PLC 进行攻关，查阅有关 S7-200 PLC 的相关资料，对 S7-200 的硬件组态，软件编程在短时间内有了深入的认识，同时对 TRICON 系统内关于 ESD 的控制程序进行认真的解读与分析，对原系统的控制思路有了更深刻的认识，为以后的 编程做好了充分的准备。另一方面，对备机的 ESD 回路进行认真的统计，确定了 S7-200 与 现场的连接对应关系，并对回路进行认真核对，以保证回路的准确性。 TRICON 系统为三重冗余控制系统，而 S7-200 为普通的 PLC，S7-200 系统 PLC 在冗余 冗错方面有着严重的缺陷与不足。为了保证 S7 可靠运行，我们一方面对 S7-200 进行严格的 测试，另一方面认真编写应用程序，反复调试。 一、备机的联锁回路 1、联锁动作条件：当机组运行过程中，出现以下情况，将联锁停车。 A 风机轴位移过高（2 取 2） ， （18HH/1811/1810） B 润滑油压力过低（3 取 2） （PS1852/1853/1854） C 动力油压力过低（3 取 2） （PS1861/1862/1863） D 逆流达到安全运行（PDI1840） E 手动紧急停车 F 电机脱网 2、联锁摘除：除电机脱网与手动紧急停车信号外、都设有联锁摘除开关，在处理联 锁仪表时，可先摘除联锁，并在处理完毕后，恢复联锁。 3、执行器动作情况： A 去供电电机跳闸 B 发出联锁信号去 DCS C 两个放空阀全开 9 D 风机出口止回阀全开 E 风机防逆流阀全关 F 发出报警信号 G 手动关闭静叶至 14 二、增压机联锁： 1、联锁条件： A、增压机润滑油油压低（PS1871/PS1881） B、增压机位移过大 ZHH1871（ZHH1881） C、手动紧急停车 2、联锁摘除 处手动紧急停车外，其余联锁均设有联锁摘除开关，用于联锁的摘除 3、执行器的动作情况 A 去供电停主电机 B 发出联锁报警信号 C 发出联锁信号去 DCS 三、润滑油泵自启 1、启动条件 润滑油压力低 PS1851 PS1850 2、执行器的动作情况 至供电自启备用润滑油油泵 3、手动停泵 自启油泵后，当油压恢复正常后，工艺人员可按停泵按钮停备用油泵。 四、动力油泵自启 1、启动条件 动力油压力低 PS1863 2、执行器的动作情况 至供电自启备用动力油油泵 3、手动停泵 10 自启油泵后，当油压恢复正常后，工艺人员可按停泵按钮停备用油泵。 五、增压机润滑油备泵自启 1、启动条件 润滑油油压力低 PS1870（PS1880 ） 2、执行器的动作情况 至供电自启备用润滑油油泵 3、手动停泵 自启油泵后，当油压恢复正常后，工艺人员可按停泵按钮停备用油泵。 六、联锁摘除开关 K1 逆流摘除开关 K2 动力油压力联锁摘除开关（PS1861） K3 动力油压力联锁摘除开关（PS1862） K4 动力油压力联锁摘除开关（PS1864） K5 润滑油压力联锁摘除开关（PS1852） K6 润滑油压力联锁摘除开关（PS1853） K7 润滑油压力联锁摘除开关（PS1854） K8 风机轴位移联锁摘除开关（ZHH1811） K9 风机轴位移联锁摘除开关（ZHH1810） K10 增压机 1#轴位移联锁摘除开关（ZHH1871） K11 增压机 1#油压联锁摘除开关（PS1871） K12 增压机 2#轴位移联锁摘除开关（ZHH1881） K13 增压机 2#油压联锁摘除开关（PS1881） 说明：当联锁摘除开关打到上部时，联锁处于投用位置。 当联锁摘除开关打到下部时，联锁处于摘除位置。 通过实际运行，我们的方案完全满足了应急控制系统的要求 程序移植方案二：在 TPS 系统中实现轴流风机的防喘振控制 功能模块是 TPS 系统商提供的系统应用程序，用户可根据需要进行选择，然后将结构参 数（功能参数和结构参数）设置好就可以调用，实现特定功能。 11 如高选模块：功能是输出等于输入中最大的一个输入。 其数学方程式是： M=X1 （当 X1X2 时） M=X2 （当 X1X2 时） 图形描述： 风机的两个出口压力采用高选控制，即选择 HILOAVG（HI）算法；同样两个喉部差压采 用低选控制，即选择 HILOAVG（LO）算法。 笔者针对图 2 的防喘振控制框图，在 ARGG 中央控制室 TPS 系统中，逐个功能反复实验 最终确立新的算法方框图，如图 8 所示。 结合图 8 的框图功能创建了一些功能点，如表 3 所示。 本控制算法最大的技术难点，也是核心技术是： 防喘振线的形成 比例增益 K 自整定运算 放空阀的快开慢关功能 防喘振曲线工作点的动态干预 下面就作以详细的阐述。 一、温压补偿算法 在 TPS 系统中 Regulatory PV 温压补偿算法有固定的计算公式。有如下几种： t X t M t1 t1 12 序号 位 号 点的功能描述 点的类型 备注 PI1841A/B 风机出口压力 Analog Input 2 PI1841 高选后的风机出口压力 Regulatory PV 3 PDI1840A/B 喉部差压 Analog Input 4 PDI1840 低选后的喉部差压 Regulatory PV 5 PDC1840 温度补偿后的喉部差压 Regulatory PV 6 PDZ1840 折线运算后的喉部差压 Regulatory PV 7 P1840 计算后的比例增益 P Regulatory PV 8 PZ1841 折线运算后的比例增益 P Regulatory PV 9 P1841 折线运算后的比例增益 P 再计算 Regulatory PV 10 ASC1840 防喘振控制 PID 运算 Regulatory Control 11 HIC1840A/B 放空阀手操器 Regulatory Control 12 ASV1840A/B 放空阀输出 Analog Output 13 LG1841 联锁停机比例增益 P 自整定 Logic 14 PM1840 CL 语言控制放空阀快开慢关 Process Module 15 XY1840 CL 语言控制防喘振线下移 Process Module 16 PMESD 停机 CL 语言控制放空阀自动全开 Process Module 17 ESD 停机信号 Digital Input 18 P 用于温压力补偿用的压力（常压） Numeric 19 SENT1840 防喘振控制快开慢关传递参数 Regulatory Control 20 ARRAY1 TPS 与 PLC 数据通讯 Array 备用 21 ASCC 防喘振曲线图 .PCT 图形文件 表 3 喘振功能点清单 二、防喘振线的确定 原方案采用折线运算得出，这种控制算法在 DCS 理论上称之为预测控制，它采用工业过 程中较易得到的对象阶跃响应曲线，把它们在采样时刻的一系列参数作为控制对象的设定值， 从而使在未来一段时间内使测量值与经过“柔化”后的设定值之间的偏差最小。不同时刻采 图 8 TPS 系统中防喘振控制框图 13 样的设定值连成的曲线是经过在线“柔化”后的一条所期望的平缓曲线，通常称为参考轨迹。 原控制方案中的防喘振线既是由 11 点坐标构成的一条参考轨迹。在 TPS 系统中的 Regulatory PV 运算类模块中就有专门的折线函数运算 General Linearization（GENLIN） 。其 功能图如图 9 所示。 图 9 TPS 系统中 GENLIN 功能图 其中： IN0 = 0.0 IN1 = 30.0 Beginning of 1st segment IN2 = 55.0 IN3 = 85.0 End of 1st segment OUT0 = 0.0 OUT1 = 20.0 End of 2nd segment OUT2 = 45.0 OUT3 = 100.0 End of 3rd segment Solution A (P1 = IN2): PVCALC = OUT2 = 45.0 Solution B (P1 IN1): Solution C (P1 intersects any but 1st and last segment): Solution D (P1 intersects the last segment): 1、喉部差压的折线函数 14 不同的静叶角度对应的喘振点是不同的，而静叶角度和喉部差压有关。因此，根据补偿 后的喉部差压作为坐标的横坐标，计算出对应的出口压力作为纵坐标，纵坐标即为 PID 控制 的设定值 SP。为安全起见，通常将坐标点向下偏移 7的裕度来确定一点，将若干点相连， 就形成了防喘振线。在新控制方案中，防喘振线仍采用原 11 点 10 段的折线算法，确定了近 似于理论防喘振线。选用 GENLIN 折线函数，输入坐标值即可。具体坐标值见表 2。 2、防喘振线的下移 当偏差 e 大于 7%（即 42）并且逆流报警存在，则防喘振线下移 1%（即 7） 。为了保证风 机的功效，最多下移 5 次，还设置了手动复位功能，即 NN（3）=0。当防喘振线下移时，此 时的设定值 SP 为折线算出的 SP减去移动次数 N 乘以下移量 1%（即 7） 。即： SP SP7*N 详细程序如下： SEQUENCE XY（HPM；POINT XY1840） EXTERNAL PI1841，PDZ1840 PHASE AA STEP BB SET NN（2）PDZ1840.PV Q： SET NN（1）PI1841.PV-NN（2） IF NN（1）42 AND NN（3）5 THEN（SET NN（2）NN（2）7； & SET NN（3）NN（3）1；GOTO Q） IF NN（3）5 THEN SET NN（3）5 IF NN（1）42 AND NN（3）5 THEN（SET NN（2）PDZ1840.PVNN（3）*7 GOTO STEP BB END XY 3、比例增益 K 自整定运算 自整定控制是调节器的参数需要根据被控对象的特性调整。原控制方案中采用折线运算， 得出一条反应曲线的方法，再作以计算，得出比例增益 K，送给 PID 调节器。根据这个要求， 在 TPS 系统中可仍选用 GENLIN 折线运算块即可实现。其中公式 Regulatory PV 中的 Calculator 模块即可。具体坐标值见表 4。 15 防喘振线 比例增益 K序号 X 轴 Y 轴 X 轴 Y 轴 1 0.0 0.0 0.0 0.0 2 3.14 95.0 48.5 0.0 3 4.65 143.545 48.6 10.0 4 6.24 187.53 48.7 20.0 5 7.78 229.52 48.8 30.0 6 9.85 255.36 49.0 40.0 7 13.59 268.66 49.2 50.0 8 25.0 268.66 49.4 60.0 9 25.0 2