浅议机组综合控制系统（ITCC）在三台离心机组综合控制中的应用

苑大立

摘要：ITCC （Integrated Turbine & Compressor Control System）全称为透平压缩机组综合控制系统。它是集蒸汽透平的速度控制及抽汽控制和压缩机防喘振控制、性能控制、解耦控制、负荷分配控制等机组特有的控制以及自保护联锁逻辑控制为一体的集成综合系统。它将传统上需要多个分立仪表如防喘调节器、联锁自保系统、电子调速器、负荷调节器等实现的功能集成在一套可靠性极高的三重模件（TMR）冗余容错控制系统中完成；因此，减少了各个系统间的连接和故障率，降低了长周期运行成本，并提供了先进的控制技术和良好的监控界面。机组综合控制系统包括：机组联锁ESD、SOE事件顺序记录、机组控制PID（例如：防喘振控制及调速控制等）及常规指示记录功能、故障诊断功能。目前，ITCC控制系统已经成为离心式机组的标准配置。

关键词：ITCCTS3000TRICON综合控制系统三台机组一套控制系统净化工段离心压缩机组可行性分析技术基础及条件稳定性要求

中图分类号：TH45 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）08（c）-0071-02

1ITCC系統的主要控制功能

（1）机组安全联锁保护。（2）原动机-压缩机的启停及升速的联锁保护。（3）机组的安全运行联锁保护。（4）机组的紧急停机联锁保护。（5）机组的轴振动/轴位移监视及联锁保护。（6）机组的超速联锁保护。（7）机组润滑油/调节油系统联锁保护。（8）机组辅助设备的联锁保护。

我公司净化工段压缩机厂房内共有四台离心式压缩机组：CO2机组（电拖，电动机额定功率：5700kW，电动机额定转速： 1485r/min）。氨压机（电拖，额定功率：4500kW，电动机额定转速：1490r/min）。CO机组（汽拖，机组额定功率：4960kW，机组额定转速：7200r/min）。解析气压缩机组（电拖，电动机额定功率：3200kW，电动机额定转速：1494r/min）。四台机组均为沈鼓供货，配套TS3000控制系统。对控制方案的整体布置，我公司技术人员经讨论，综合考虑了系统的完整性、整体性、安全性、技术可行性和经济性，决定由一套透平压缩机综合控制系统（ITCC）进行3台压缩机（CO机组、解析气机组、氨冰机）的机组的防喘振控制、性能控制、联锁保护及运行状态检测，目的是在完全能够保证机组的正常运行和保护的前提下，减少机组的整体成本和采购价格，并提高机组控制系统的协调性，方便统一布置机柜、辅助操作台、操作站，为今后长期的生产、运行、备品备件采购和维护提供很大的便利。

2可行性分析

（1）TS3000系统原理：TS3000控制系统采用三重模块冗余（TMR）结构，保证了设备的容错能力，并且能在元部件出现硬件故障或者来自内部或外部来源的瞬态故障的情况下提供完好的不间断的控制。

每一个I/O模块内都包容有三个独立的分电路。输入模块上的每一分电路读取过程数据并将这些信息传送给它相应的主处理器。三个主处理器通过一个专用的被称作TriBus的高速总线系统通讯。

每扫描一次，主处理器都通过TriBus与其相邻的主处理器进行通讯，达到同步。TriBus表决数字输入数据、比较输出数据、并将模拟输入数据拷贝到各个主处理器。主处理器执行控制程序并把由控制程序所产生的输出送给输出模块。除对输入数据作表决之外，Tricon在离现场最近的输出模块上完成输出数据的表决，使其尽可能地与现场靠近，以便检测出任何错误并予以修复。

对于每个I/O模块，系统可以支持一个可选的热备模块。如果装有备件，在运行中，如主模块发生故障时，备件投入控制。热备位置也被用于系统的在线修理。

（2）一套TRICON的TS3000系统最大所能带的I/O点数为1000点，在此点数内，系统的扫描周期和运算速度完全不受影响。

（3）CO2压缩机、解析气压缩机、氨压缩机全部的I/O点共计711个点，少于系统性能上限。

（4）在711个控制点的使用情况下，系统扫描周期完全不受影响，能够达到70ms的系统扫描周期。在保证扫描周期的前提下，系统完全能够完成三台机组的轴系仪表检测、防喘振控制和超速保护功能。

（5）每套机组如果各带一套控制系统，则系统的CPU模块的性能存在很大富余，且需各自配置相应的通讯和电源模块，价格上必然产生相应浪费，配电系统和输入输出继电器的整体设计也较为分散。

3现有技术基础及条件

（1）离心机组的防喘振控制方案已完全成熟。（2）相应的防喘振控制阀、回流阀的控制精度及响应速度已经满足使用要求。（3）TS3000系统的技术特点：

①提供三重模块冗余结构，三个完全相同的分电路各自独立地执行控制程度。而且备有专用的硬件/软件结构，可对输入和输出进行“表决”；②能耐受严酷的工业环境；③能够现场安装，可以现场在线地进行模块级的安装和修复工作而不需打乱现场接线；④能支持多达118个I/O模块（模拟的和数字的）和选装的通讯模块，通讯模块可以与Modbus主站和从站连接，或者和Foxboro与Honeywell分布控制系统（DCS）、其它在Peer-to-Peer网络内的各个Tricon、以及在TCP/IP网络上的外部主机相连接；⑤可以支持位于远离主机架12km（7.5英里）以内的远程I/O模块；⑥利用基于WINDOWS系统的编程软件完成控制程序的开发及调试；⑦在输入和输出模块内备有智能功能，减轻主处理器的工作负荷。每个I/O模块都有三个微处理器。输入模块的微处理器对输入进行过滤和修复，并诊断模块上的硬件故障。输出模块微处理器为输出数据的表决提供信息、通过输出端的反馈回路电压检查输出状态的有效性、并能诊断现场线路的问题；⑧提供全面的在线诊断，并具有修理能力；⑨可以在Tricon正常运行时进行常规维护而不中断控制过程；⑩对I/O模块提供“热备”支持，可用在某些不能及时提供服务的关键场合；TS3000机架的扩展能力：对于V9 Tricon系统，有三种型式的机架：主机架、扩展机架、和远程机架。一个Tricon系统可以最多包含15个机架，用以容纳各安装种输入、输出和热插备用模块，以及通讯模块等的适当的组合。

Tricon系统的主机架安装主处理器模块以及最多六个I/O模块组。在机架内的各I/O模块通过三重的RS-485双向通讯口而连接。

图中：①Tricon扩展机架#3②扩展机架#4-14③Tricon扩展机架#15号④Tricon扩展机架#2⑤Tricon主机架（机架#1）⑥TriStation（IBM PC兼容）。

扩展机架（机架2～15）每一个可以支持最多八个I/O组。扩展机架通过一个三重的RS-485双向通讯口而和主机架连接。可以用来连接一组主机架和扩展机架的标准缆的总长最多为30m（100英尺）。远程扩展机架可以让系统扩展到远距的位置，最多距离主机架12km（7.5英里）。

4应用内容

（1）I/O 扩展：TriconI/O总线可以提供支持于最多15台机架。绝大多数情况下，扩展机架都装在主机架的附近，限制如下：

扩展机架限制：限度

机架的最大台数：15

I/O模块最大数量：118

I/O总线最大总长：30m（100英尺）

正常情况下，如I/O总线长度大于30m（100英尺）时必须用远程机架支持。

（2）RS-485扩展总线口的使用：每台Tricon机架底板的左上角裝有六个RS-485I/O扩展总线接口，如图2～4所示。为护展机架和远程机架提供三重串行通讯通道。用I/O电缆把扩展机架的RS-485口接到其他机架。每台机架都是多个I/O扩展总线内的一个节点。

I/O口为三对，形成TriconI/O总线的三重化扩展。数据通过三重化的I/O总线传输，与Tricon内部的I/O总线传输速率一样，为375K波特。用这种方式、三条控制分电路在物理上和逻辑上延伸到扩展机架而不损害性能。

其他方面有以下几点。

（1）系统是以微处理器为基础的智能分散结构，软硬件的紧密结合使系统能力充分发挥。（2）控制器采用冗余配置，具有高度的可靠性，系统内任何一个组件发生故障，均不会影响整个系统的工作。（3）底层连接的网络化、I/O模块的全智能化，热备份的冗余技术，可靠的带电拔插的技术特征。（4）组态软件功能具有标准的sfc、fbd、ld、st、fm 5种组态工具，图形工具里有丰富的图形库，很快就能绘出界面友好的流程图。（5）系统网络为100m冗余快速以太网，极大加速了网络速度，对将来的扩容和改造留下了充分的余地。（6）采用完全开放的、先进的软硬件技术，结构灵活、安全便利、维护简单。安全性能达到TUVAK6，IEC SIL3。

5采取的技术路线及关键技术

通过对各台压缩机的整体考虑，应用TS3000的总线系统成熟的扩展能力，在不增加控制器模块的前提下，对系统的容量（即AI＼AO＼DI＼DO＼PI）进行扩展，达到一套系统控制3台机组的控制能力。

总线系统及电源分配。

三条三重总线系统都蚀刻在机架背板上，三条总线为TriBus、I/O总线、及通讯总线。

TriBus包括三条独立的串联的链路，在4Mband下运行。它在每一扫描开始时使各主处理器同步。然后，每个主处理器将它的数据送入它的上游和下游的主处理器。TriBus完成下列三种功能。

（1）传输模拟的、诊断的、和通讯的数据。（2）传输和表决数字输入数据。（3）对上次扫描的输出数据和控制程序存贮器进行数据比较并对不同之处进行标识。

Tricon容错结构的一个重要特征是，每一个MP使用了同一个数据发送器将数据同时送给上游的和下游的主处理器，这样保证了同样上游处理器和下游处理器接收相同的数据。

每个I/O模块通过其对应的端子板接收现场信号或向现场传送数据。机架相邻的物理槽位视作同一个逻辑槽位。第一个位置上放置工作模块，第二位置放置热备I/O模块。端子板通过背板顶部的Elco插头相连，同时连接工作和热备的I/O模块。所以，这两个模块接收的是相同的来自端子板的信号。

I/O总线可使信息在I/O模块和主处理器之间传送，速率为375K波特。三重化I/O总线沿着背板的底部敷设。I/O总线的每一分电路在一个主处理器与其相应的I/O模块上的相应的分电路间传递信息。I/O总线通过一组三条I/O总线缆在各机架间的延伸。

通讯总线在主处理器和通讯模块之间传输信息，其速率为2M波特。对机架的电力被分配在两个独立的电源轨上，并分给背板的中心。机架上的各个模块从两条电源轨上通过双重电源调节器同时吸取电力。每一块输入输出板上有四组电源调节器：一组对应一个支路（A、B和C），剩下一组用于状态指示灯。

应用后达到的技术指标：

系统扫描周期：小于50ms

Bad 速率：375M 波特/秒

波特：2M 波特/秒

6安全性分析及对策

TS3000控制系统采用三重化冗余技术，三重化冗余综合控制系统必须具备TUV 6级或SIL-3级认证，就是说：当系统中出现一个或者多个故障时，系统能正常运行，同时故障模块能够在线更换。如果故障超出了系统的容错能力，则系统将按照预先的设定，转为失效—安全模式，确保用户生产装置和设备的安全。这种设计适用于高可靠性、高可用度以及对系统在线时间要求很高的应用场合。ITCC系统的控制目标就是保证大型高速离心设备的安全保护，因此其设计上重心是系统的可靠性。三台机组采用一套控制系统进行控制，客观上控制系统失效的影响被放大，系统检修的条件也更难以具备，但系统采用三重冗余技术，其控制器模块和输入、输出运算回路是三重冗余设计，通讯、电源模块采用双重冗余，并可在线更换故障卡件，因此，理论上系统崩溃导致三机组转为失效—安全模式属于非常极端的情况，可以通过加强维护、强化巡检、结合停车检修进行系统检查来提前避免。

7结语

我公司工程项目建设对资金控制较为严格，力图本着多快好省的原则，在保证安全稳定生产的前提下，最大限度的避免浪费资金。基于以上要求，我方在机组控制系统方案论证阶段，多方考察了各品牌的产品性能指标、应用业绩，在借鉴集团其他兄弟单位应用经验、充分考虑对系统检修、运行性能的影响的基础上，经与卖方单位充分论证，进一步提出由一套控制系统对三台离心压缩机组进行综合控制。此方案充分开发了系统性能，节约了相应的控制器、电源模块、通讯模块，为公司项目建设节约了资金。

参考文献

[1] 孙继阅.康吉森公司产品技术交流资料.

[2] 康吉森.过程控制培训教材.

[3] TRICON设计与安装手册.

[4] 侯大宇.机组集成控制系统ICS T6300.

[5] 魏宏.基于TRICON的机组控制系统应用.