【導(dǎo)讀】本文聲明，所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。或撰寫過的研究成果，也不包括本文為獲得其他學(xué)位而使用過的材料。的說明并表示謝意。文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本文同意東北大學(xué)可。以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索、交流。當(dāng)今，透平壓縮機(jī)在煉油、天然氣、煤化工等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)故障，將會帶來非常嚴(yán)重的后果。猶如給機(jī)組配備了一個大腦。在保證著機(jī)組平穩(wěn)運行的基礎(chǔ)上，最大限度的節(jié)約。能源，優(yōu)化控制方案為裝置的安全運轉(zhuǎn)保駕護(hù)航。公司生產(chǎn)的Tricon控制系統(tǒng)。統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)改善了控制質(zhì)量。其中包括多個控制回路，較好的考慮了壓縮機(jī)運行中可能發(fā)生的因素，從。在裝置試車期間對控。無論是投負(fù)荷與空負(fù)荷運轉(zhuǎn)都確保循環(huán)機(jī)不在喘振區(qū)運行，既縮短。了開停工時間，又減少了維修的麻煩。防喘振線漸開的模式，提高了機(jī)組的運行效率，同時也更平穩(wěn)的控制機(jī)組。降低了消耗，也為企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

　　

【正文】 2章 透平 壓縮機(jī) 原理及構(gòu)成 13 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)硬件 構(gòu)成 及 系統(tǒng) 功能設(shè)計 14 第 3 章 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)硬件 構(gòu)成 及 系統(tǒng) 功能設(shè)計 根據(jù) 工藝裝置特性及用戶 需求，本章 首先對控制系統(tǒng)的硬件特點進(jìn)行闡述，從安全性、多功能性及可行性上作出分析，分析討論選取 Tricon 系統(tǒng)編程及監(jiān)控的原因，針對 Tricon 系統(tǒng)的本身特點展開論述，特別對調(diào)速功能和防喘振無擾動 切換等功能的設(shè)計方案上進(jìn)行系統(tǒng)性的論證。對系統(tǒng)進(jìn)行、合理性的改進(jìn)和完善。 系統(tǒng)功能需求分析 作為煉油、冶金、石化、等工業(yè)部門的關(guān)鍵設(shè)備，透平壓縮機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。許多大型的透平壓縮機(jī)機(jī)組由蒸氣透平和透平壓縮機(jī)構(gòu)成，從穩(wěn)定工況、安全生產(chǎn)角度出發(fā)，都為其配備控制系統(tǒng)。隨著許多生產(chǎn)裝置規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對生產(chǎn)過程控制的要求從過去調(diào)節(jié)單工況參數(shù)發(fā)展到需要調(diào)節(jié)多參數(shù)來穩(wěn)定生產(chǎn)，這樣對控制系統(tǒng)的要求也越加的嚴(yán)格，因此在設(shè)計控制方案時主要有以下幾方面需要重點分析： （ 1）設(shè)備的穩(wěn)定性。對于工業(yè)應(yīng)用的控制系統(tǒng)及計算機(jī) ，設(shè)計中首先考慮到的是效率和網(wǎng)絡(luò)安全。針對上述問題，本項目用到的 Tricon 控制系統(tǒng) CPU 采用的三重冗余功能，光纖冗余通訊等。同時計算機(jī)也采用自動鏡像硬盤，更有效的防御了病毒的入侵，防止了信息的泄漏和更改，確保了系統(tǒng)自身的安全。 （ 2）系統(tǒng)的功能性。隨著科技的發(fā)展及工藝上更高的需求，控制系統(tǒng)功能需要實時、精確、無擾動的控制。如：潤滑油壓的調(diào)節(jié)、防喘振調(diào)節(jié)、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速及串級的調(diào)節(jié)等，都要求掃描周期短，運算速度快，系統(tǒng)功能塊搭建簡單等要求。其中防喘振控制方案的合理設(shè)計，直接能提高裝置的利用率，減少不必要的能源浪 費?？刂葡到y(tǒng)功能的增強(qiáng)不但減輕了人工手動控制的不便，同時也增加了系統(tǒng)控制的安全性。 （ 3）設(shè)計的可行性。 是指從軟、硬件方面分析實現(xiàn)控制系統(tǒng)開發(fā)的可實現(xiàn)性。要求實現(xiàn)的控制系統(tǒng) 方案 在 性能指標(biāo)上 達(dá)到用戶的要求， 并 與現(xiàn)實中的裝置相適用，既 節(jié)約成本 ，同時 對今后的改造升級留出相應(yīng)的余量。在技術(shù)上論證后，對項目的經(jīng)濟(jì)效益 也要 進(jìn)行評 估 ， 分析裝置的規(guī)模及投產(chǎn)后的收益避免造成資源東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)硬件 構(gòu)成 及 系統(tǒng) 功能設(shè)計 15 閑置等不必要的資源浪費的。 Tricon 控制系統(tǒng) Tricon 控制系統(tǒng)簡介 TRICON 于 1988 年合并了美國 TRISEN 公司， 這是一家專門從事石油化工上透平機(jī)組控制的公司，在燃機(jī)透平、蒸汽透平、壓縮機(jī)組控制都擁有自己的專利技術(shù)和豐富的工程經(jīng)驗。公司隸屬于英國的工程集團(tuán)公司 INVENSYS （世界上五百強(qiáng)公司之一）， TRICON 一直作為集團(tuán)最優(yōu)秀的子公司之 INVENSYS 在中國被大家所熟悉的子公司有 FOXBORO、 WONDERWARE 等。 TRICON 目前在全球 50 多個國家設(shè)有 80 多個辦事處，從事于銷售、服務(wù)和技術(shù)支持。 TRICON 系統(tǒng)，完全遵循 IEC61508/61511 標(biāo)準(zhǔn)，采用當(dāng)今最先進(jìn)的 TMR 微處理器硬件技術(shù)，和成熟可 靠的 TRISTATION 1131 軟件的三重化冗余容錯控制系統(tǒng)。系統(tǒng)高可靠性和高利用率，被廣泛應(yīng)用于石化、煉油、石油天然氣、化工、電力、軌道交通、航天、核工業(yè)等行業(yè)，在裝置安全聯(lián)鎖系統(tǒng) ESD 、蒸汽透平控制、燃汽透平控制、壓縮機(jī)防喘振控制、海上石油平臺、火氣監(jiān)測保護(hù)（ Famp。G ）、等方面有廣泛的業(yè)績。 TRICON 系統(tǒng)最大的特點是能同時滿足高可靠性、高可用性的容錯控制能力。為保證系統(tǒng)的高可靠性和高可用性，控制器、 I/O 模塊、通訊均采用三重化設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)可以識別控制系統(tǒng)元件的故障，自動把故障的元件 加以排除，并允許在繼續(xù)完成指定任務(wù)的同時，對故障元件進(jìn)行在線修復(fù)而不中斷過程的操作。任何故障及相關(guān)數(shù)據(jù)被存儲在 NVRAM 中，在 I/O 模塊中任一通道故障，系統(tǒng)保證該模塊能維持運行 1500 小時，仍能滿足 TUVAK6 級 [14]。 Tricon 控制系統(tǒng)主要特點 為了保證在任何時候系統(tǒng)都有最高的完整性， Tricon 有如下特點： （ 1） 提供三重模件冗余結(jié)構(gòu)，三個完全相同的分電路各自獨立地執(zhí)行控制程度。而且備有專用的硬件 /軟件構(gòu)，可對輸入和輸出進(jìn)行“表決”。 （ 2） 能耐受嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境。 （ 3） 能夠現(xiàn)場安裝，可以現(xiàn)場在線地進(jìn)行模件級的安裝和修復(fù)工作而不需打亂現(xiàn)場接線。 （ 4） 能支持多達(dá) 118 個 I/O 模件（模擬的和數(shù)字的）和選裝的通訊模件，東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)硬件 構(gòu)成 及 系統(tǒng) 功能設(shè)計 16 通訊模件可以與 Modbus 主機(jī)和從屬機(jī)連接，或者和 Foxboro 與 Honeywell 分布控制系統(tǒng)（ DCS）、其它在 PeertoPeer 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個 Tricon、以及在 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)上的外部主機(jī)相連接。 （ 5） 可以支持位于遠(yuǎn)離主機(jī)架 12 公里（ 英里）以內(nèi)的遠(yuǎn)程 I/O 模件。 （ 6） 利用基于 WINDOWS NT 系統(tǒng)的編程軟件完成控制程 序的開發(fā)及調(diào)試。 （ 7） 在輸入和輸出模件內(nèi)備有智能功能，減輕主處理器的工作負(fù)荷。每個I/O 模件都有三個微處理器。輸入模件的微處理器對輸入進(jìn)行過濾和修復(fù)，并診斷模件上的硬件故障。輸出模件微處理器為輸出數(shù)據(jù)的表決提供信息、通過輸出端的反饋回路電壓檢查輸出狀態(tài)的有效性、并能診斷現(xiàn)場線路的問題。 （ 8） 提供全面的在線診斷，并具有修理能力。 （ 9） 可以在 Tricon 正常運行時進(jìn)行常規(guī)維護(hù)而不中斷控制過程。 （ 10） 對 I/O 模件提供“熱備”支持，可用在某些不能及時提供服務(wù)的關(guān)鍵場合 [14]。 Tricon 系統(tǒng)的典型應(yīng)用 （ 1） ESD 系統(tǒng) Tricon 為煉油廠、石化 /化工廠，以及其他工業(yè)過程中需要高安全級別的地方提供連續(xù)的保護(hù)。例如，在反應(yīng)堆和壓縮機(jī)單元，廠級的跳閘信號 — 壓力，產(chǎn)品進(jìn)料，膨脹機(jī)壓力平衡和溫度等進(jìn)行監(jiān)視，并在預(yù)設(shè)的條件出現(xiàn)后產(chǎn)生跳閘動作。傳統(tǒng)的跳閘系統(tǒng)執(zhí)行時多采用機(jī)械或電子繼電器，但是這往往造成危險的誤跳閘。 Tricon 提高了系統(tǒng)的安全性，提供自動檢測和確認(rèn)現(xiàn)場傳感器的完整性，完全的跳閘和控制功能，與管理數(shù)據(jù)高速公路直接連接，以達(dá)到安全回路功能的連續(xù)監(jiān)控。 （ 2）鍋爐火焰安全 在大多 數(shù)的精煉廠中，過程蒸汽鍋爐起一個循環(huán)回路部件的功能。為了保護(hù)鍋爐，正常啟動和停機(jī)的安全內(nèi)鎖系統(tǒng)以及鍋爐火焰安全系統(tǒng)由 Tricon 系統(tǒng)整合為一體。傳統(tǒng)應(yīng)用中，這些功能由獨立的，非整合的部件提供。但是在容錯的失效 安全的 Tricon 控制器中，鍋爐操作員可以在更有效地使用循環(huán)資源的同時保證鍋爐的安全性在（或高于）一個機(jī)電保護(hù)系統(tǒng)級別上。 （ 3）汽輪機(jī)控制系統(tǒng) 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)硬件 構(gòu)成 及 系統(tǒng) 功能設(shè)計 17 對于燃?xì)?/蒸汽輪機(jī)的控制和保護(hù)需要高度的完整性和安全性。 Tricon 的容錯控制器的連續(xù)運行可以在保證汽輪機(jī)最高安全性的同時提供最高的工作性能。速度控制，和 啟動及停機(jī)一樣，由一個單獨的系統(tǒng)執(zhí)行。熱備模件的使用，減少了意料之外的損耗。如果模件發(fā)生了錯誤，系統(tǒng)自動更換為備用模件，并不對操作過程造成中斷。 （ 4）海上火 /氣保護(hù) 海上平臺的火 /氣保護(hù)需要連續(xù)的可靠性及穩(wěn)定性。 Tricon 通過在線更換錯誤模件的功能提供了該功能。模件錯誤，現(xiàn)場接線或傳感器故障均自動地由內(nèi)置診斷功能管理。模擬量的火 /氣傳感器直接接至 Tricon 系統(tǒng)，消除了跳閘需要的安培。操作員界面監(jiān)視火 /氣系統(tǒng)，診斷 Tricon 控制器和傳感器。傳統(tǒng)的火 /氣儀表均可用一個集成的控制系統(tǒng)來替換，節(jié)約寶貴的地 面空間，并保持高安全性及可靠性 [15]。 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 與工作原理 系統(tǒng)硬件配置 Triconex 旗下有 Tricon 和 Trident 兩套系統(tǒng)。，其中 Trident 更適用于系統(tǒng)比較小的中 /小型現(xiàn)場環(huán)境，而 Tricon 則多用在需要控制的設(shè)備比較多的大系統(tǒng)中。其主要區(qū)別為系統(tǒng)組態(tài)的模件數(shù)量的多少。具體地說，一個基本的 Tricon系統(tǒng)由下列備件組成：各個模件、容納各模件的機(jī)架、現(xiàn)場布線接頭、以及TRISTATION MSW 編程工作站。本節(jié)簡要說明這些主要的單元并給出一般的規(guī)范。 （ 1）模件 TRICON 模件是現(xiàn)場可更換的設(shè)備元件，它們由裝在一金屬骨架內(nèi)的電子組件所構(gòu)成。每個摸件有一保護(hù)蓋，保證任何部分或電路都不暴露在外，即令當(dāng)模件從機(jī)架上取下后也不暴露。偏置的背板接頭使得各模件可以頭朝下地被插入，各模件上的“鍵”又可避免模件被插入到錯誤的槽口內(nèi)。 TRICON 支持?jǐn)?shù)字和模擬的輸入與輸出點，以及熱電偶輸入和多重通訊能力。 （ 2）機(jī)架 對于 9 型 TRICON 系統(tǒng)，有三種型式的機(jī)架：主機(jī)架、擴(kuò)展機(jī)架、和遠(yuǎn)距延伸機(jī)架。一個 TRICON 系統(tǒng)可以最多包含十五個機(jī)架，用以容納各種輸入、輸出和熱插備用模 件，以及通訊模件等的適當(dāng)?shù)慕M合。 TRICON 系統(tǒng)的主機(jī)架容納主處理器模件以及最多六個 I／ O 組。在機(jī)架內(nèi)的各 I/O 模件通過三重的 RS— 485 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)硬件 構(gòu)成 及 系統(tǒng) 功能設(shè)計 18 雙向通訊口而連系。擴(kuò)展機(jī)架（機(jī)架 2 到 15）每一個可以支持最多八個 I/O 組。擴(kuò)展機(jī)架通過一個三重的 RS485 雙向通訊口而和主機(jī)架連接?？梢杂脕磉B接一組主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架的標(biāo)準(zhǔn)纜的總長最多為 30 米。遠(yuǎn)距延伸機(jī)架可以讓系統(tǒng)延伸到遠(yuǎn)方的位置，最遠(yuǎn)離主機(jī)架兩公里。 Tricon 主機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架的連接方式如下圖 所示： 、 圖 擴(kuò)展機(jī)架與 Tricon 主機(jī)架的連接方式 Fig. Expand Tricon frame and main frame connections 如果 Tricon 系統(tǒng)中有遠(yuǎn)程機(jī)架的話，則需要對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程機(jī)架的連接，光纖通訊的連接方式如下圖 所示： 每臺 RXM 機(jī)架可以容納的 I/O 模件最遠(yuǎn)可距主機(jī)架 英里（ 12 公里）。每一 RXM 組包含三個完全相同的模件，三塊卡件與 CPU 冗余方式類似。其中有一塊卡正常工作，通訊為正常。它們用作 Tricon I/O 總線的中繼器 /延伸器并提供回路對地的隔離。一臺主 RXM ?？梢灾С秩庍h(yuǎn)程位置，如上圖 所示。主 RXM 機(jī)架（ Primary RXM）必須在 Tricon 主機(jī)架 30 米范圍內(nèi)。 CPU 容錯技術(shù) 容錯是 Tricon 控制器最重要的特性，它可以在線識別瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的故障并進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?。容錯技術(shù)提高了控制器的安全能力和可用性，使過程得到控制。 Tricon 通過三重模件冗余結(jié)構(gòu)（ TMR）提供容錯能力。此系統(tǒng)由三個安全相東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)硬件 構(gòu)成 及 系統(tǒng) 功能設(shè)計 19 同的系統(tǒng)通道組成（電源模件除外，該模件是雙重冗余的）。每個系統(tǒng)通道獨立地執(zhí)行控制程序，并與其它兩 個通道并行工作。硬件表決機(jī)制則對所有來自現(xiàn)場的數(shù)字式輸入和輸出進(jìn)行表決和診斷。模擬輸入則進(jìn)行取中值的處理。 圖 遠(yuǎn)程機(jī)架（ RXM）與 Tricon 主機(jī)架的連接方式 Fig. Remote frame (RXM) and Tricon main frame connections 因為每一個分電路都是和其它兩個隔離的，任一分電路內(nèi)的任何一個故障都不會傳遞給其它兩個分電路。如果在一個分電路內(nèi)有硬件故障發(fā)生，該故障的分電路就能被其它兩個分電路修復(fù)。維修工作，包括拆卸和更換故障有分電路故障的故障 模件都可以在 Tricon 在線情況下進(jìn)行，而不中斷過程控制。系統(tǒng)能自行重新配置而執(zhí)行完全的 TMR 控制。 對于各個分電路、各模件和各功能電路的廣泛的診斷工作能夠及時地探查到運行中的故障，并進(jìn)行指示或報警。診斷還可以把有關(guān)故障的信息存儲在系統(tǒng)變量內(nèi)。在發(fā)現(xiàn)有故障時，操作員可以利用診斷信息以修改控制動作，或者指導(dǎo)其東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3 章 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)硬件 構(gòu)成 及 系統(tǒng) 功能設(shè)計 20 維護(hù)過程。 從用戶的觀點看，使用是簡單的，因為此三重系統(tǒng)工作起來和一個控制系統(tǒng)一樣。用戶將傳感器基或執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接到一路接線端上，并且應(yīng)用一組邏輯為Tricon 編程。其余的事都由 Tricon 自行管理 。 Tricon 工作原理 三重模件冗余（ TMR）結(jié)構(gòu)（見圖 ）保證了設(shè)備的容錯能力，并且能在元部件出現(xiàn)硬件故障或者來自內(nèi)部或外部來源的瞬態(tài)故障的情況下提供完好的不間斷的控制。 每一個 I/O 模件內(nèi)都包容有三個獨立的分電路。輸入模件上的每一分電路讀取過程數(shù)據(jù)并將這些信息傳送給它相應(yīng)的主處理器。三個主處理器通過一個專用的被稱作 TriBus 的高速總線系統(tǒng)通訊。