重整装置氢压机组控制系统安全和性能的提升

叶方军

（中国石化上海高桥石油化工有限公司，上海200137）

某石化企业连续重整联合装置氢压机组控制系统[1]（CCS）承担着9套压缩机组的控制及联锁功能，其中氢压机组由压缩机组、齿轮机组和汽轮机组三部分构成，是装置的核心控制部分之一。该机组控制系统已运行十多年，硬件及软件已难以满足实际生产运行需求。为了保证氢压机组安全、平稳、长周期运行，提高自动控制的可靠性，确保安全生产，更好地发挥装置运行的经济效益，对该控制系统进行了升级改造。

1 控制系统改造必要性评价

1.1 控制系统软硬件提升需求

氢压机组控制系统采用TRICONEX公司产品，主控制器硬件采用3006系列，系统编程软件应用DOS平台，画面编辑采用工控组态软件FIX32实现。控制系统自投运后经过十多年运行，故障率明显上升，其中主控制器已成为淘汰产品，并且备品配件难以购置，控制系统处于非安全状态。

1)控制编程软件应用DOS平台，非开放型的代码不利于系统逻辑调整和修改。

2)原控制系统供电采用1对冗余电源模块对整个控制系统供电，曾发生过冗余电源中某一电源模块故障，另一电源未能在瞬间负担起全部负载而造成机组停机的事件，控制系统存在本质不安全因素。

1.2 控制系统改造功能性需求

连续重整联合装置氢压机组控制系统需要对功能性进行改造，其需求包括以下几方面：

1)解决控制系统改造前软硬件存在的问题。

2)增加循环机组的干气密封控制功能。因该机组原有密封已改为干气密封，但机组控制系统组态软件采用DOS版本，不适于新的组态，只能把本应与机组一体的逻辑控制部分挪到连续重整联合装置的紧急停车系统（ESD）中实现[2]。该次改造需要将逻辑控制部分内容补充到机组控制系统中。

3)受氢压机组控制系统输入输出点配置数量局限，对往复机组允许开机、启停油加热器、盘车开关等逻辑功能的实现均采用继电器完成。该次控制系统改造将增加输入/输出（I/O）点数，完成由继电器实施控制逻辑向CCS实现控制逻辑的转变。

4)受控制系统I/O配置数量局限，往复机组轴振仪表未能接入氢压机组控制系统，操作者无法实时监控机组的机械运行状态。该次控制系统改造将增加I/O点数，完善往复机组的机械运行监测功能。

1.3 控制系统改造安全性需求

连续重整联合装置氢压机组控制系统需要对安全性进行改造，其需求包括以下几方面：

1)解决供电模式存在的安全隐患。机组控制系统集成了2套装置9台压缩机组的控制和联锁功能，鉴于曾出现过的供电隐患，规避部分电源出现故障导致整个控制系统失电的情况再次发生。安全性方案对每个机柜供电均采用独立冗余电源配置，使供电模式具有可靠性和安全性。

2)适应管理体制变化的安全需求。因操作管理模式变化，方案中取消独立设置压缩机控制室而将操作站归入到联合装置中心控制室集中操作的模式，实现与装置DCS、装置ESD的画面数据和信息的共享[3]，为氢压机组安全、稳定、长周期运行创造了条件，也适应了生产操作和管理的需求。

2 控制系统改造实施方案

2.1 改造主要内容

控制系统改造的主要内容包括以下几方面：

1)系统软硬件升级。系统软件升级到最新版本；处理器、通信模块、I/O模块等升级，与原有系统机柜内I/O模块布置一致。

2)升级改造后的氢压机组控制系统彻底消除了存在的功能和安全上的缺陷，提升了原控制系统的整体性能[4]。

2.2 系统主要硬件的功能和安全性保证措施

在对硬件升级时，对硬件配置的功能和安全性作了具体的措施落实。

2.2.1 控制站处理器措施

控制站处理器采取的安全性措施包括以下几方面：

1)采用TRICON技术的CCS[5]，核心硬件采用具有三重化冗余容错（TMR）结构的容错控制器。

2)每一个主处理器的CPU采用32位、50 MHz，16 M RAM，工作方式为3-2-1-0。其32位浮点协处理器具备TÜV AK6级的安全认证。

3)处理器系统扫描时间不大于100 ms；处理器的负荷不超过50%；处理器具备顺序事件记录（SOE）功能，扫描记录时间为毫秒级。

4)系统中所有的I/O信号都经过硬件的“三取二”表决。

2.2.2 I/O卡件具备的性能和措施

I/O卡件具备的性能及采取的安全性措施包括以下几方面：

1)不同联锁区域的I/O卡件分别安装于各自独立的卡件箱。

2)所有I/O卡件均采用三重冗余结构，故障卡件可在线更换。

3)所有I/O卡均为隔离型，输入、输出、通道之间、电源之间相互隔离。

4)I/O卡件种类满足设计要求，具有识别现场开路、短路和做出故障处理能力[6]。

2.2.3 系统后备电池功能和措施

系统后备电池功能和采取的安全性措施包括以下几方面：

1)系统配备后备电池。

2)外部电源故障时，后备电池作为备用电源能够保持用户程序及内存数据至少6个月不丢失。

3)电池具有正常使用5 a的寿命。

2.2.4 工程师兼SOE站功能和措施

工程师兼SOE站功能和采取的安全性措施包括以下几方面：

1)工程师兼SOE站配有控制系统组态所必须的各种专用软件，用于控制器的组态、修改、测试及诊断。

2)通过工程师站，可以在离线和在线状态下进行系统组态、修改、设置相关参数。并可在程序运行状态下下装修改过的组态程序。

3)工程师兼SOE站具备在线记录系统的各类报警及动作事件，存入硬盘，供查询、追溯和打印功能。

4)工程师兼SOE站具有顺序事件记录功能，配备整套顺序事件记录的软件，分别记录各控制器的报警及动作事件[7]。硬盘的容量要足够大，系统能满足所有种类数据的记录需要，可由用户选定记录的参数、采样周期和记录长度，并可对记录的数据进行过滤和排序，所记录的数据能以其他文件格式进行导出。

5)顺序事件记录的分辨率为毫秒级，记录的数据总数为1×105条。

2.2.5 操作员站功能和措施

操作员站的功能及采取的安全性措施包括以下几方面：

1)配置操作员站，用于联锁信号旁路的操作及状态的显示。

2)具备打印组态数据和图形能力。

2.3 供电可靠性措施

改造后的CCS电源采用冗余配置，功能和安全性有了提升[8]。系统接受2路交流220 V、50 Hz供电，1路不间断电源（UPS），1路隔离变电源（GPS）。2路电源中任1路发生故障，都不影响系统正常工作。

3 改造过程中问题及措施

CCS改造后控制系统本身的可靠性、安全性得到了较大提升，在机组调试开机过程中出现转速指示偏差，经分析计算，问题得以解决。

3.1 问题过程描述

系统调试结束后，在机组试运转过程中，发现1号连续重整汽轮机组转速指示明显偏低。回顾机组控制系统的改造情况，改造并未对现场仪表设备作变动，信号电缆也保持原样，只对转速信号进控制系统的安全栅做了全部更新，针对转速信号异常，对安全栅组态进行了复查。

3.2 问题分析

3.2.1 一般判断

针对控制系统改造过程遇到的问题，作出以下几方面判断：

1)转速安全栅接受的输入信号可以是Hz为单位的频率信号或脉冲数，一般采用后者。

2)对于脉冲信号，其物理意义为旋转1周所产生的脉冲数，脉冲数为整数值，可转换为对应输出机组的转速。

3)一般情况下汽轮机组有确定的齿数，每转脉冲数固定，安全栅组态时只要输入脉冲数即可得到对应转速指示。

3.2.2 现场对比

根据现场情况进行对比，得出以下几方面结论：

1)由于整台机组仪表硬件安装已完成，汽轮机齿数从机械上无法直观获取，原始机组资料也未标识，安全栅组态中需设置脉冲信号的数据无法得到。

2)根据氢压机组的现场转速探头安装情况观察：汽轮机组转速探头并非安装于汽轮机，而是安装在变速箱上，变速箱测得的转速并非汽轮机转速，两者需通过转速比进行换算。

3)经对机组试运转记录数据比较，得到实际测出的键相转速指示是变速箱转速指示的1.11倍。

3.3 脉冲设置参数的复核还原

脉冲设置参数的复核还原包括以下几方面：

1)复核思路。安全栅接受脉冲信号只能为整数值，非整数值无法适用脉冲信号。因此，安全栅的设置只有通过输入频率信号才能得到转速输出[9]。

2)复核参数。对汽轮机键相指示值与安全栅输出变速箱转速指示值比较，再经过理论计算，获取还原的参数，计算过程如下：

式中：n——转速，r/min；f——频率，Hz；p——每周产生的脉冲数。

当汽轮机转速量程为0～11 000 r/min，变速箱转速比为1.11时，通过计算得出f=165.165 Hz。将频率信号设置到安全栅的输入信号，完成组态下装后，汽轮机的转速指示恢复正常。

4 结 论

通过对连续重整氢压机组控制系统进行升级改造，消除了机组控制系统的安全隐患，提高了系统运行的可靠性，减少了系统故障率，减少了技术人员维护工作量及备品备件的储备量，避免了因系统故障引起的非计划停车，确保了连续重整氢压机组能够稳定、安全、长周期的运行，同时能进一步改善生产操作和管理条件，为装置优化控制打下良好的基础。