基于三重化处理系统在稀硝酸机组上的应用

王刚

摘 要：针对硝酸机组的工艺特点及其技术要求，基于ITCC技术，实现了化工机组生产过程监控的自动化控制系统，讨论了由现场级、ITCC控制级和HMI监控级三层结构组成的自动化控制系统的结构、功能和控制方法。用喘振控制模式、启停车控制逻辑模式、PID回路控制及转速控制调节实现了机组控制的目标。所完成的控制系统成功的应用于10万吨稀硝酸机组控制系统，实现了机组运行过程的实时监控、喘振控制、启停车联锁逻辑及机组转速调节控制等功能，取得了明显的应用成效。

关键词：ITCC；ICS T6300；IFIX；MODBUS

引言

TRUSTED ICS是一个基于三重化处理器的系统，系统硬件采用冗余结构设计。所有模块均能在线热更换。这种设计使得系统几乎可以保持100%在线。

因此，该系统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。鉴于该系统的特性，应用在稀硝酸机组的监控和保护上显得非常优越，我们公司已经成功应用了多套，取得了显著效果。

1 系统概述

1.1 稀硝酸工艺流程简述

液氨进入氨蒸发器蒸发经氨过热器到氨空混合器。氨和空气混合以后进入氧化炉生成NO，氮氧化物气体从吸收塔底部进入，工艺水从吸收塔顶部喷淋而下，二者逆流接触，生成58%-60%的硝酸，在经过漂白处理后到酸冷却器冷却，进入成品酸贮罐，稀硝酸工艺中最核心的设备是四合一压缩机组，正常生产时通过硝酸自产蒸汽带动汽轮机，由汽轮机带动空气压缩机、氧化氮压缩机和尾气透平。该机组的正常运行是保证硝酸生产的关键，所以，对该机组的监控和保护非常重要。

1.2 自动控制系统

自动控制系统采用TRUSTED ICS双机热备系统和 I/O子站组成控制站， IFIX人机界面软件和DELL工控机组成操作站。形成ITCC系统。系统的整个构成情况如图1所示。

该ITCC控制系统的ES站和OS站与ICS系统由以太网MODBUS协议连接，ITCC控制站由一个主机架和一个从机架组成。主机框架内有CPU（T8110B）模块，通讯模块T8151B，转速模块T8442，从机框架内有AI、DI、AO、DO输入输出模块。主机框架与从机框架由一个延伸电缆连接并通讯。ICS系统提供两种在线更换的方法，即热备槽方式和智能槽方式。无论被组态为热备槽方式还是智能槽方式，在线更换工作均不会影响系统的正常工作。

2 网络结构

该系统由现场总线网络层和人机界面控制层两层网络组成。

2.1 现场总线网络层

ITCC控制器通过主从机架的延伸电缆通讯，向从机架 I/O站发送或接收数据。ITCC控制器通过modbus RTU通讯，采集BENTLY 3500仪表的测振信号。DCS系统通过ITCC的modbus从站模块，接收机组运行或状态信息。

2.2 人机界面控制层

ES站和OS站与ITCC的以太网模块（T8151B）组成局域网，以IFIX的OPC协议实现与控制器的通讯，进而实现对机组的监控和操作。该控制系统的上位机采用的是国内普遍应用的IFIX人机界面软件，具有很高的开放性，可以很好的与工厂远程调度或ERP通讯。

3 控制站和操作站

3.1 控制站

ICS T6300控制站所有模块都采用TMR技术。Triplex Modular Redundancy，即TMR采用的三重化技术。三重化电路的输出信号在成为系统输出之前，经过一个三选二的表决处理器。当三个电路中有一路发生故障，输出错误信号，经过三选二表决后该错误信号被屏蔽掉，系统仍然输出正确的信号（电压、电流或开关状态），当出现两个以上的错误信号时，系统报警并采取措施保护机组。系统不会因为内部故障而对过程产生影响，实现连续的、可预测的控制，保护机组。这是这个系统的核心。

3.2 操作站

操作站配置DELL工控机，采用windows xp操作系统，系统可以通过以太网（TCP/IP）连接多台操作员工作站。任何一台上位机可同时接收或发送ITCC T6300的数据，两套上位机可组成冗余系统，OS站安装有IFIX运行版软件，其中ES站安装有IFIX开发版软件和TOOLSET编程软件，以便工程师开发或修改组态画面或ITCC T6300程序。工程师站可以完成下面工作。

* 应用程序组态

* 系统控制

* 实时和历史数据趋势记录

* SOE记录

* 报警组态和记录

4 系统功能

利用该系统具有的三重化处理功能对机组实现自动控制、监视，机组启停车联锁控制，防喘振控制，停机事件记录SOE功能实现，机组转速控制。

5 防喘振功能

防喘振控制系统按照厂家提供的机组性能曲线（一般都是理论计算值）参数进行防喘振曲线的设置，在现场具备条件的时候做验证实验，来保证机组防喘振控制的安全性。这项实验的目的，是检验当工作点向上一定范围之内的区域都是安全的。

根据压缩机厂商实测的喘振点绘制喘振折线，如图2所示。

数学模型为： h=f（Pd、Ps、Ts）

其中：h为压差。

Pd为压缩机的出口压力。

Ps为压缩机的入口压力。

Ts为压缩机的入口温度。

根据喘振线向右移动5%-10%，产生防喘振线，给出的现场HMI画面中的折线就是通过这种方法算出来的。

6 转速调节控制

6.1 现场与HMI控制切换

根据实际情况，可以在HMI对现场机组转速进行控制，如启机、停机、转速SP上设定，转速SP下设定、继续、中断、暖机到额定、复位等操作。endprint

6.2 阀门限制器

阀门限制器的作用是用来手动或是自动打开阀门，用来阀门标定用的。

6.3 阀门标定

阀门标定是在机组开机前可以对阀门进行阀位的限制，正常为0-100%，但由于阀门长时间使用或是现场工况情况，可以把阀门的上限或是下限进行限止。比如说5-90%。

6.4 转速参数设定

我们可以输入一些跟机组转速有关的参数。比如说盘车电机转速、第一临界起始点、第二临界起始点、额定转速、转速的上下限、可控制转速上下限、按钮转速SP步长、临界转速SP步长、转速临界超时设定、使能第一临界、使能第二临界、使能顺序控制、使能超速试验。

每一个机组都会有相应的临界转速，机组在临界转速下时间越长，轴振动就会大大的增加，对机组产生的影响就会越大，因此要减少机组在临界转速下的时间。从这一理论下，机组转速在临界的时候，临界时的SP就会以成倍的设定值往上走，这样，根据差值和PID的调节，转速就会随着快速变化增长，在短时间内越过临界。

6.5 报警跳车监视

报警跳车界面主要是监视2个转速探头。失转或是安装探头不正确、第一临界超时、第二临界超时、超速。

6.6 参数监视

通过参数监视界面能监视机组的转动情况。在第一临界、第二临界的时间，外部联锁动作、启动情况。

6.7 转速PID控制

根据机组实际转速和设定转速之间的差值，自动进行PID调节。KP和KI据有上下限，会根据转速的差值大小来自动改变PID参数，从而更精确的计算，满足生产需要。保持转速稳定。

6.8 暖机参数设定

机组在冲转时或是冲临界时，必须要进行暖机。暖机时间为机组厂家指定，在系统上可以设定。

7 部分程序

部分程序如图3所示。

8 结束语

该系统采用了技术成熟的ITCC ICS T6300产品和IFIX人机界面软件，接口开放，易于向上或向下延伸，系统扩展方便，跳车及生产情况记录及时，数据采集实时显示精确度高，目前机组运行接近一年，运行平稳，安全可靠，深受用户好评。

TRUSTED ICS三重化处理器系统在稀硫酸机组上的应用是成功地，在使用过程中TRUSTED ICS保证系统在内部出现故障的状态下，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TRUSTED ICS系统保持100%在线。TRUSTED ICS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，驱动现场执行单元切实可行。

参考文献

[1]ITCC ICS 学习手册[S].

[2]154学生手册[M].上海：intellution，2001.endprint

6.2 阀门限制器

阀门限制器的作用是用来手动或是自动打开阀门，用来阀门标定用的。

6.3 阀门标定

阀门标定是在机组开机前可以对阀门进行阀位的限制，正常为0-100%，但由于阀门长时间使用或是现场工况情况，可以把阀门的上限或是下限进行限止。比如说5-90%。

6.4 转速参数设定

我们可以输入一些跟机组转速有关的参数。比如说盘车电机转速、第一临界起始点、第二临界起始点、额定转速、转速的上下限、可控制转速上下限、按钮转速SP步长、临界转速SP步长、转速临界超时设定、使能第一临界、使能第二临界、使能顺序控制、使能超速试验。

每一个机组都会有相应的临界转速，机组在临界转速下时间越长，轴振动就会大大的增加，对机组产生的影响就会越大，因此要减少机组在临界转速下的时间。从这一理论下，机组转速在临界的时候，临界时的SP就会以成倍的设定值往上走，这样，根据差值和PID的调节，转速就会随着快速变化增长，在短时间内越过临界。

6.5 报警跳车监视

报警跳车界面主要是监视2个转速探头。失转或是安装探头不正确、第一临界超时、第二临界超时、超速。

6.6 参数监视

通过参数监视界面能监视机组的转动情况。在第一临界、第二临界的时间，外部联锁动作、启动情况。

6.7 转速PID控制

根据机组实际转速和设定转速之间的差值，自动进行PID调节。KP和KI据有上下限，会根据转速的差值大小来自动改变PID参数，从而更精确的计算，满足生产需要。保持转速稳定。

6.8 暖机参数设定

机组在冲转时或是冲临界时，必须要进行暖机。暖机时间为机组厂家指定，在系统上可以设定。

7 部分程序

部分程序如图3所示。

8 结束语

该系统采用了技术成熟的ITCC ICS T6300产品和IFIX人机界面软件，接口开放，易于向上或向下延伸，系统扩展方便，跳车及生产情况记录及时，数据采集实时显示精确度高，目前机组运行接近一年，运行平稳，安全可靠，深受用户好评。

TRUSTED ICS三重化处理器系统在稀硫酸机组上的应用是成功地，在使用过程中TRUSTED ICS保证系统在内部出现故障的状态下，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TRUSTED ICS系统保持100%在线。TRUSTED ICS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，驱动现场执行单元切实可行。

参考文献

[1]ITCC ICS 学习手册[S].

[2]154学生手册[M].上海：intellution，2001.endprint

6.2 阀门限制器

阀门限制器的作用是用来手动或是自动打开阀门，用来阀门标定用的。

6.3 阀门标定

阀门标定是在机组开机前可以对阀门进行阀位的限制，正常为0-100%，但由于阀门长时间使用或是现场工况情况，可以把阀门的上限或是下限进行限止。比如说5-90%。

6.4 转速参数设定

我们可以输入一些跟机组转速有关的参数。比如说盘车电机转速、第一临界起始点、第二临界起始点、额定转速、转速的上下限、可控制转速上下限、按钮转速SP步长、临界转速SP步长、转速临界超时设定、使能第一临界、使能第二临界、使能顺序控制、使能超速试验。

每一个机组都会有相应的临界转速，机组在临界转速下时间越长，轴振动就会大大的增加，对机组产生的影响就会越大，因此要减少机组在临界转速下的时间。从这一理论下，机组转速在临界的时候，临界时的SP就会以成倍的设定值往上走，这样，根据差值和PID的调节，转速就会随着快速变化增长，在短时间内越过临界。

6.5 报警跳车监视

报警跳车界面主要是监视2个转速探头。失转或是安装探头不正确、第一临界超时、第二临界超时、超速。

6.6 参数监视

通过参数监视界面能监视机组的转动情况。在第一临界、第二临界的时间，外部联锁动作、启动情况。

6.7 转速PID控制

根据机组实际转速和设定转速之间的差值，自动进行PID调节。KP和KI据有上下限，会根据转速的差值大小来自动改变PID参数，从而更精确的计算，满足生产需要。保持转速稳定。

6.8 暖机参数设定

机组在冲转时或是冲临界时，必须要进行暖机。暖机时间为机组厂家指定，在系统上可以设定。

7 部分程序

部分程序如图3所示。

8 结束语

该系统采用了技术成熟的ITCC ICS T6300产品和IFIX人机界面软件，接口开放，易于向上或向下延伸，系统扩展方便，跳车及生产情况记录及时，数据采集实时显示精确度高，目前机组运行接近一年，运行平稳，安全可靠，深受用户好评。

TRUSTED ICS三重化处理器系统在稀硫酸机组上的应用是成功地，在使用过程中TRUSTED ICS保证系统在内部出现故障的状态下，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TRUSTED ICS系统保持100%在线。TRUSTED ICS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，驱动现场执行单元切实可行。

参考文献

[1]ITCC ICS 学习手册[S].

[2]154学生手册[M].上海：intellution，2001.endprint