摘要：三重化冗余機(jī)組綜合控制系統(tǒng),，就是所有重要電路都實(shí)現(xiàn)三重化或物理三重化并且具備冗余功能，安全等級必須具備TUV 6級或SIL-3級認(rèn)證,。它克服了以往分散控制系統(tǒng)的缺點(diǎn),，把機(jī)組的各個控制部分，包括：機(jī)組聯(lián)鎖ESD,、SOE事件順序記錄,、機(jī)組控制PID(例如：防喘振控制、調(diào)速控制等)及常規(guī)指示記錄功能,，故障診斷功能等完美地結(jié)合在一起,，集成為一套機(jī)組綜合控制系統(tǒng)。由于它的組態(tài)及編程功能強(qiáng)大,，才使得復(fù)雜控制在三重化冗余綜合控制系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用,，并在石油、化工,、冶金等大型機(jī)組綜合控制中得到廣泛應(yīng)用,。

關(guān)鍵詞：三重化；冗余,；安全等級,；機(jī)組綜合控制；復(fù)雜控制,；應(yīng)用


0,、引言

　　大型機(jī)組在生產(chǎn)過程中起到心臟的作用，為此許多廠家對生產(chǎn)裝置大型機(jī)組重要性的認(rèn)識,，逐年提高,。為避免事故的發(fā)生，多數(shù)廠家已經(jīng)采用三重化冗余綜合控制系統(tǒng),。目前在石油,、化工,、冶金等應(yīng)用廣泛的大型機(jī)組綜合控制系統(tǒng)，有ICS Triplex控制系統(tǒng)TMR,、CCC控制系統(tǒng)TMR,、Tricon控制系統(tǒng)TMR、Woodward MicroNet™控制系統(tǒng)TMR,、GE GMR控制系統(tǒng)等綜合控制系統(tǒng),。機(jī)組綜合控制系統(tǒng)包括：機(jī)組聯(lián)鎖ESD、SOE事件順序記錄,、機(jī)組控制PID(例如：防喘振控制及調(diào)速控制等)及常規(guī)指示記錄功能,、故障診斷功能，為了讓大家了解,，復(fù)雜控制在三重化冗余機(jī)組綜合控制系統(tǒng)中的成功應(yīng)用,，首先介紹三重化冗余綜合控制系統(tǒng)概念,。


1,、三重化冗余綜合控制系統(tǒng)概念

　　三重化模塊冗余-TMR：系統(tǒng)采用三重化技術(shù)，就是說：所有重要電路都實(shí)現(xiàn)三重化,，三重化的每個部分是獨(dú)立的,，但三個部分的功能又完全相同。三重化電路的輸出信號在成為系統(tǒng)輸出之前,，經(jīng)過一個三取二的表決芯片,。當(dāng)三個電路中有一路發(fā)生故障，輸出錯誤信號,，經(jīng)過三取二表決后該錯誤信號被屏蔽掉,，系統(tǒng)仍然輸出正確的信號（電壓、電流或開關(guān)狀態(tài)）,。系統(tǒng)不會因?yàn)閮?nèi)部故障而對過程產(chǎn)生影響,。

　　冗余：系統(tǒng)能在線更換模塊是三重化技術(shù)的必然要求。在線更換必須達(dá)到冗余要求,，就是在不中斷系統(tǒng)正常運(yùn)行的條件下,，系統(tǒng)自動將發(fā)生故障模塊（主），切換到備用模塊,，實(shí)現(xiàn)冗余功能,。控制權(quán)交給備用模塊之后,，發(fā)生故障的模塊可以在線拔出,，對故障模塊進(jìn)行維護(hù)。

　　機(jī)組綜合控制系統(tǒng)包括：機(jī)組聯(lián)鎖ESD,、SOE事件順序記錄,、機(jī)組控制PID(例如：防喘振控制及調(diào)速控制等)及常規(guī)指示記錄功能,、故障診斷功能。


2,、安全系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

　　IEC61508 是一個有關(guān)工業(yè)安全系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn),。它涉及電子、電路以及可編程電子系統(tǒng),，涵蓋硬件和軟件兩個方面,。

　　德國TUV 標(biāo)準(zhǔn)和國際電工委員會IEC 61508 標(biāo)準(zhǔn)的對應(yīng)關(guān)系
　　三重化冗余綜合控制系統(tǒng)必須具備TUV 6級或SIL-3級認(rèn)證，就是說：當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)一個或者多個故障時,，系統(tǒng)能正常運(yùn)行,，同時故障模塊能夠在線更換。如果故障超出了系統(tǒng)的容錯能力,，則系統(tǒng)將按照預(yù)先的設(shè)定,，轉(zhuǎn)為失效－安全模式，確保用戶生產(chǎn)裝置和設(shè)備的安全,。這種設(shè)計適用于高可靠性,、高可用度以及對系統(tǒng)在線時間要求很高的應(yīng)用場合，例如：石油,、化工,、冶金等大型機(jī)組綜合控制系統(tǒng)應(yīng)用場合。


3,、常用綜合控制系統(tǒng)比較

　　價格：
　　ICS Triplex控制系統(tǒng)最高,、CCC控制系統(tǒng)、Woodward MicroNet™控制系統(tǒng),、Tricon控制系統(tǒng),、GE GMR控制系統(tǒng)最低。

　　SOE時間：
　　ICS Triplex控制系統(tǒng)為1毫秒,，CCC控制系統(tǒng)為一個掃描周期（50毫秒內(nèi)）,，Woodward MicroNet™控制系統(tǒng)最快5毫秒，Tricon控制系統(tǒng)為一個掃描周期（50毫秒內(nèi)）,，GE GMR控制系統(tǒng)為一個掃描周期（40毫秒內(nèi)）,。

　　三重化實(shí)現(xiàn)：
　　ICS Triplex控制系統(tǒng)、CCC控制系統(tǒng),、Tricon控制系統(tǒng)為單卡內(nèi)部實(shí)現(xiàn)三重化,。Woodward MicroNet™控制系統(tǒng)、GE GMR控制系統(tǒng)為外部硬件實(shí)現(xiàn)三重化,。


4,、復(fù)雜控制在三重化機(jī)組綜合控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

　　復(fù)雜控制在三重化冗余綜合控制系統(tǒng)中成功應(yīng)用，實(shí)例以Tricon綜合控系統(tǒng)為例。

4.1,、鎮(zhèn)海重整C702機(jī)組,，壓力三分程、防喘振,、調(diào)速及遞推綜合控制

4.1.1,、V701罐壓力PIC7003輸出三分程控制遞推控制
　　
　　調(diào)節(jié)器為＂正＂作用

　　PIC7003調(diào)節(jié)器輸出0~100%分成三部分

　　* 0~30%低選分程后控制一段回流閥

　　將0~30%轉(zhuǎn)換成0~100%，輸出至手操器HIC－7012,，手操器HIC－7012輸出與PIC7005輸出的50~100%轉(zhuǎn)換成0~100%反向,，低選輸出，再與防喘振控制器FIC7012的輸出反向,，進(jìn)行低選后,，進(jìn)行分程放大控制，（50~100%轉(zhuǎn)換成0~100%）FV7012A,、（0~50%轉(zhuǎn)換成0~100%）FV7012B兩個一段回流閥,。

　　* 30~60%輸出作為C702機(jī)組調(diào)速外給定

　　將30~60%轉(zhuǎn)換成0~100%，輸出經(jīng)手操器HIC－7020作為C702轉(zhuǎn)速控制器的串級給定信號,，C702轉(zhuǎn)速控制器既可以壓力串級控制,，也可以通過在DCS上進(jìn)行外給定轉(zhuǎn)速控制，通過內(nèi)給定為本地轉(zhuǎn)速控制,，當(dāng)SIC－C702選擇外給定時,，必須選擇是壓力控制還是DCS控制，外給定轉(zhuǎn)速控制范圍9000～10500 RPM,。

　　*60~100%控制V701放空閥

　　將60~100%轉(zhuǎn)換成0~100%輸出，經(jīng)手操器HIC－7003輸出至V701放空閥PV7003,。

　　注意：

　　為解決喘振與調(diào)速耦合,，當(dāng)進(jìn)入防喘振控制區(qū)時，調(diào)速自動轉(zhuǎn)到手動（在正常運(yùn)行調(diào)速范圍）升速/降速,。

4.1.2,、防喘振控制

　　　　FIC7012防喘振控制 (略)

　　　　FIC7013防喘振控制 (略)

4.1.3、遞推控制

　　當(dāng)V703壓力,，PIC－7006壓力高時,，通過控制V702壓力，PIC－7005,，使二段回流閥FV7013A,、FV7013B開，將能量傳遞到一段,，再通過V701壓力,，PIC-7003使一段回流閥FV7012A、FV7012B開,，將能量傳遞到V701,，通過V701放空閥PV7003放空,，實(shí)現(xiàn)遞推控制。

　　PIC7005輸出二分程

　　調(diào)節(jié)器為＂正＂作用

　　*0~50%分程放大輸出控制兩個二段回流閥

　　0~50%轉(zhuǎn)換成0~100%與PIC7006輸出的50~100%轉(zhuǎn)換成0~100%反向,，低選輸出再與防喘振控制器FIC7013的反向輸出,，進(jìn)行低選后，進(jìn)行分程放大控制（50~100%轉(zhuǎn)換成0~100%）FV7013A,、（0~50%轉(zhuǎn)換成0~100%）FV7013B兩個二段回流閥,。

　　*50~100%低選分程后控制一段回流閥

　　50~100%轉(zhuǎn)換成0~100%反向輸出與PIC7003輸出的手操器HIC－7012輸出，低選輸出,，再與防喘振控制器FIC7012的輸出反向,，進(jìn)行低選后，進(jìn)行分程放大控制,，（50~100%轉(zhuǎn)換成0~100%）FV7012A,、（0~50%轉(zhuǎn)換成0~100%）FV7012B兩個一段回流閥。

　　PIC7006輸出二分程

　　調(diào)節(jié)器為＂正＂作用

　　*0~50%控制V704A/B閥PV7006

　　將0~50%轉(zhuǎn)換成0~100%控制PV7006閥,。

　　*50~100%分程放大輸出控制兩個二段回流閥

　　50~100%轉(zhuǎn)換成0~100%反向后輸出,，與PIC7005的0~50%分程放大，低選輸出,，再與防喘振控制器FIC7013的反向輸出,，進(jìn)行低選后，進(jìn)行分程放大控制（50~100%轉(zhuǎn)換成0~100%）FV7013A,、（0~50%轉(zhuǎn)換成0~100%）FV7013B兩個二段回流閥,。

4.2、C702機(jī)組調(diào)速

4.2.1,、啟動條件

　　1）,、首先C702機(jī)組聯(lián)鎖條件正常（說明：置1正常，置0聯(lián)鎖動作）

　　　　*,、壓縮機(jī)低壓缸軸位移高高正常,，另外還設(shè)有軟切除；

　　　　*,、壓縮機(jī)高壓缸軸位移高高正常,，另外還設(shè)有軟切除；

　　　　*,、汽輪機(jī)軸位移高高正常,，另外還設(shè)有軟切除；

　　　　*,、潤滑油壓力低低正常,，并設(shè)有軟切除，聯(lián)鎖（置0）時，延時2秒鐘后,，輸出置0,，目的是防止由于擾動可能產(chǎn)生的誤動作，如果置0延時在2秒鐘內(nèi),，則輸出不置0即保持原輸出不動,；

　　　　*、汽輪機(jī)排汽壓力高正常,，并設(shè)有軟切除,，聯(lián)鎖（置0）時，延時2秒鐘后,，輸出置0,，如果置0延時在2秒鐘內(nèi)，則輸出不置0即保持原輸出不動,；

　　　　*,、汽輪機(jī)就地盤手動停機(jī)，正常時置1,；

　　　　*,、V708增壓機(jī)液位高高正常，聯(lián)鎖（置0）時,，延時2秒鐘后,，輸出置0，如果置0延時在2秒鐘內(nèi),，則輸出不置0即保持原輸出不動,；

　　　　*、V702一段再接觸罐液位高高正常,，聯(lián)鎖（置0）時,，延時2秒鐘后，輸出置0,，如果置0延時在2秒鐘內(nèi)，則輸出不置0即保持原輸出不動,；

　　　　*,、V702二段再接觸罐液位高高正常，聯(lián)鎖（置0）時,，延時2秒鐘后,，輸出置0，如果置0延時在2秒鐘內(nèi),，則輸出不置0即保持原輸出不動,；

　　　　*、C702緊急停車，正常時置1,；

　　　　*,、C702調(diào)速系統(tǒng)正常停機(jī)，正常時置1,；

　　　　*,、C702超速跳閘及聯(lián)鎖，正常時置1,；

　　上述條件只要有一項(xiàng)不滿足聯(lián)鎖就無法自鎖,，調(diào)速系統(tǒng)模式iMODE_C702=0，當(dāng)條件都滿足時,，按下C702系統(tǒng)軟復(fù)位按鈕gC702RS按鈕時,，C702停聯(lián)鎖繼電器返回信號dESD_DI04自鎖，使C702停機(jī)置1及去TS3000 C702調(diào)速系統(tǒng)fC702T置1,，iMODE_C702=1,，聯(lián)鎖系統(tǒng)復(fù)位。

　　2）,、C702機(jī)組啟動條件正常（說明：滿足條件置1,，否則置0）

　　　　*、盤車機(jī)構(gòu)電機(jī)停置1,；

　　　　*,、防喘振閥全開置1；

　　　　*,、潤滑油壓力正常置1,；

　　　　*、潤滑油溫度正常置1,；

　　　　*,、C702停機(jī)聯(lián)鎖復(fù)位fC702T置1；

　　　　*,、速關(guān)閥關(guān)置0反向后和速關(guān)閥開置1進(jìn)行“與”操作,，目的是檢驗(yàn)速關(guān)閥開關(guān)是否有故障。

　　上述條件都滿足時,，C702允許啟動燈亮置1,，同時允許啟動置1，去調(diào)速系統(tǒng)TS3000,，使調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行模式iMODE_C702 =2,，進(jìn)入允許啟動模式。當(dāng)確認(rèn)系統(tǒng)正確無誤時,，按啟動命令按鈕,，硬按鈕或軟按鈕,，進(jìn)入第一暖機(jī)目標(biāo)值1000RPM，iMODE_C702=3,，系統(tǒng)在自動模式下,，就開始自動按預(yù)定的升速曲線開始升速。調(diào)節(jié)器為＂反＂作用,。

4.2.2,、啟動過程及控制

　　按啟動命令前要檢查以下開關(guān)狀態(tài)：
　　在HMI調(diào)速畫面中，首先檢查調(diào)速操作

　?、?、 選擇冷/熱啟動方式

　　熱啟動時， 第一暖機(jī)模式iMODE_C702 =3,，倒計時10 分鐘,，第二暖機(jī)模式iMODE_C702 =4，倒計時間默認(rèn)20 分鐘,，但通過登陸到工段級以上,，可以修改倒計時時間，倒計時時間在0～5小時內(nèi)可任意設(shè)定,。冷啟動時,，第一暖機(jī)模式iMODE_C702 =3，倒計時20 分鐘,，第二暖機(jī)模式iMODE_C702 =4,，倒計時間TMR_02_PT_C702默認(rèn)20 分鐘，但通過登陸到工段級以上,，可以修改倒計時時間,，倒計時時間在0～5小時內(nèi)可任意設(shè)定。

　?、?,、手動升速/自動升速操作方式選擇

　　自動方式升速時，按設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行升速,，升速率（1000RPM）,，正常爬坡速率（600.0RPM），臨界轉(zhuǎn)速（3000.0～5000.0 RPM）,，快速爬坡速率（臨界段）（4000.0 RPM）在6300.0 ～10934.0 rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)任意可調(diào),，條件是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器SIC_C702也在自動模式。手動方式升速時（不建議）,，按升速/降速命令按鈕(硬按鈕或HMI軟按鈕)，按一下升幾轉(zhuǎn),，連續(xù)按下不放手時,，升速速率與自動相同,，條件是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器SIC_C702也在自動模式，SIC_C702調(diào)速切換(外給/中控選擇),。

　　第二暖機(jī)模式結(jié)束后,，自動進(jìn)入加速升速iMODE_C702 =5在此期間要通過臨界轉(zhuǎn)速3000.0～5000.0 RPM）到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速6300.0進(jìn)入正常運(yùn)行模式iMODE_C702 =6，此后可以根據(jù)調(diào)節(jié)器給定值來調(diào)節(jié)C702機(jī)組轉(zhuǎn)速,，范圍為6300.0 ～10934.0 rpm,。

　　在自動升速時，按照升速曲線運(yùn)行（見升速曲線）


  　　iMODE_C702表示C702機(jī)組在升速過程中的各個狀態(tài)：
　　　　iMODE_C702 0： 停機(jī)
　　　　iMODE_C702 1： 系統(tǒng)復(fù)位
　　　　iMODE_C702 2： 允許啟動
　　　　iMODE_C702 3： 暖機(jī)1到計時
　　　　iMODE_C702 4： 暖機(jī)2到計時
　　　　iMODE_C702 5： 加速升速
　　　　iMODE_C702 6： 正常運(yùn)行
　　　　iMODE_C702 7： 正常停車
　　　　iMODE_C702 8：　　　　　　　超速試驗(yàn)

4.2.3,、超速試驗(yàn)

　　首先選擇超速試驗(yàn)選擇開關(guān)（有工段級以上權(quán)限）,，選擇現(xiàn)場/中控室啟動超速試驗(yàn)，只有在iMODE_C702 =0時（停機(jī)）,，超速試驗(yàn)按鈕才起作用,，按超速試驗(yàn)按鈕，畫面用閃爍提示超速試驗(yàn)狀態(tài),。其余與升速過程相同,，進(jìn)入超速試驗(yàn)iMODE_C702 置8，到達(dá)跳閘置時,，發(fā)出聯(lián)鎖跳閘指令置1,，iMODE_C702 置0，

4.2.4,、正常停急

　　需在運(yùn)行模式下iMODE_C702 置6,，在HMI調(diào)速畫面上，按正常停機(jī)按鈕（有工段級以上權(quán)限）置1,，iMODE_C702 置7進(jìn)入正常停機(jī)模式,，目標(biāo)轉(zhuǎn)速1000RPM，等到測量轉(zhuǎn)速降到等于1010RPM時,，倒計時2分鐘后,，自動停機(jī)，iMODE_C702 置0,。

4.2.5,、外給定/中控室調(diào)節(jié)選擇

　　外給定分為DCS給定和PIC7003三分程控制輸出PY7003的30～60%放大到0～100%后，轉(zhuǎn)換成9000～10500RPM經(jīng)手操器輸出作為調(diào)速器外給定,，選擇DCS給定或PIC7003給定,，由DCS/壓力選擇開關(guān)決定。

　　注意：

　　C702在升速過程中,，無論在手動還是自動操作模式時,，通過臨界區(qū)時，均強(qiáng)制自動操作通過,，待通過臨界區(qū)后恢復(fù)正常升速,。

　　汽輪機(jī)單機(jī)超速試驗(yàn)時,，注意：只有在停機(jī)時，按超速試驗(yàn)按鈕,，否則不可以超速試驗(yàn),。超速試驗(yàn)時，分電子超速和機(jī)械超速試驗(yàn),，在電子超速狀態(tài)下,，不能做機(jī)械超速，因?yàn)殡娮映俚牧砍谭秶幌拗?，只有在機(jī)械超速試驗(yàn)狀態(tài)下,，才可以機(jī)械超速試驗(yàn)（量程范圍被擴(kuò)大）。當(dāng)正常運(yùn)行時,，操作員誤操作,，沒有將機(jī)械超速選擇開關(guān)轉(zhuǎn)到電子超速，程序默認(rèn)電子超速,。

4.3,、揚(yáng)子重油催化煙機(jī)，再生器壓力三分程


  4.3.1,、再生器壓力PIC1三分程放大控制輸出

　　調(diào)節(jié)器為＂正＂作用

　　PIC1調(diào)節(jié)器輸出0~100%分成三部分

　　每一部分三分程輸出都設(shè)有手操器

　　*0~30%低選分程后控制煙機(jī)入口蝶閥

　　將0~30%轉(zhuǎn)換成0~100%,，輸出至手操器HIC1，手操器HIC1輸出與轉(zhuǎn)速SIC401（反作用）輸出及煙機(jī)出口溫度控制TIC52（反作用）輸出,，輸出低選,，如果轉(zhuǎn)速大于7000.0rpm或裝置聯(lián)鎖置0，機(jī)組煙機(jī)入口蝶閥產(chǎn)生部分關(guān)閉指令10%（開10%）,，使HIC4輸出等于10,。另外轉(zhuǎn)速在此有自動跟蹤功能。部分關(guān)閉復(fù)位,，用HIC1手操器,，手動/自動切換置“手動”，使部分關(guān)閉復(fù)位,。

　　*30~60%輸出控制小旁路控制閥

　　將30~60%轉(zhuǎn)換成0~100%,，輸出經(jīng)手操器HIC3輸出到小旁路閥，輸出值顯示,，反向后輸出到閥vIP12B,。

　　*60~100%輸出控制大旁路控制閥

　　將30~60%轉(zhuǎn)換成0~100%，輸出經(jīng)手操器HIC2輸出到大旁路閥,，輸出值顯示,，反向后輸出到閥vIP12A。


5,、結(jié)束語

　　通過上述復(fù)雜控制在三重化冗余綜合控制系統(tǒng)中成功應(yīng)用實(shí)例的描述,，三重化冗余機(jī)組綜合控制系統(tǒng),，ICS Triplex控制系統(tǒng)TMR、CCC控制系統(tǒng)TMR,、Tricon控制系統(tǒng)TMR、Woodward MicroNet™控制系統(tǒng)TMR,、GE GMR控制系統(tǒng),，都可以較好地在大型機(jī)組中，完成各種控制功能和聯(lián)鎖功能,，克服了以往分散控制系統(tǒng)的缺點(diǎn),，把機(jī)組的各個控制部分，包括：常規(guī)調(diào)節(jié)及指示記錄,、調(diào)速控制,、防喘振控制、事件順序紀(jì)錄（SOE）功能,、故障診斷功能及機(jī)組的緊急停車聯(lián)鎖等完美地結(jié)合在一起,，集成為一套機(jī)組綜合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組復(fù)雜綜合控制最優(yōu)化,。

　　至于用戶選擇哪種三重化冗余機(jī)組綜合控制系統(tǒng)（TMR）,，這就需要用戶根據(jù)自己對各種TMR系統(tǒng)的認(rèn)識程度決定，各種TMR系統(tǒng)都有它自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),。天津市協(xié)力自動化工程有限公司是專門從事工業(yè)安全自動化系統(tǒng)集成商,，可以幫助您選擇最適合您的一種方案，E-mail：[email protected],。

　　由于三重化冗余機(jī)組綜合控制系統(tǒng)組態(tài)簡單方便,，組態(tài)及編程功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制,，安全可靠,，維護(hù)方便，在大型機(jī)組中應(yīng)用得到各方人事的一致認(rèn)可,，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于煉油,、化工、冶金等企業(yè)中,。