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[摘 要]介紹了TRICON TS3000 系统的三重件冗余容错（TMR）结构在合成氨装置氨冰机控制系统上的应用，通过 TS3000 系统实现机组速度控制、开停车顺序控制、防喘控制以及联锁停机保护功能，确保机组的安全稳定运行。
[关键词]TS3000系统;氨冰机;调速;顺序控制;防喘;联锁
[中图分类号]TM76 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）12–00–03
[Abstract]This paper introduces the application of triple parts redundant fault-tolerant （TMR） structure of TRICON TS3000 system in ammonia ice machine control system of ammonia plant. Through TS3000 system， the speed control， opening and stopping sequence control， anti-surge control and interlocking stop protection function of the unit are realized to ensure the safe and stable operation of the unit.
[Keywords]TS3000 system; ammonia ice machine; speed regulation; sequence control; anti-asthmatic; interlocking
巴陵石化合成氨装置氨冰机J2501是合成氨装置的重要设备，由中压蒸汽透平驱动，汽轮机带动压缩机组，处理由低温甲醇洗装置四台氨冷器换热来的气氨，为低温甲醇洗装置循环提供冷量，满足低温甲醇洗装置的低温生产需求。氨冰机选用TRICON TS3000控制系统，实现机组的速度控制、开停车顺序控制、防喘控制以及联锁停机保护功能。
1 TRICON TS3000控制系统简介
TRICON TS3000控制系统核心基于三重件冗余容错（TMR）结构的容错控制器，机架为扩展式结构，机架之间采用三重冗余的I/O BUS相连。从输入模件到MP到输出模件的完全的三重化，每一个IO信号都拥有相互独立的三个Leg，每一个Leg自主地读取输入信号并将读到状态送给相应的MP，三个主处理器之间通过TriBus进行通讯，每一个扫描周期每个MP都会通过TriBus与其他两个MP进行通讯和同步，TriBus 把DI的表决结果和AI的计算结果送给每一个MP，每个MP独立地进行Program的运算并将结果送到送出模件。控制系统可以识别控制元件的故障，自动把故障的元件加以排除，满足高可靠性、高可用性的容错控制能力。
2 氨冰机转速测量控制
2.1 氨冰机转速测量与选择
转速测量由转速传感器和转速测量仪表组成，磁感应式探头在机组转动时会在探头线路上产生一个频率信号，频率与机组转速对应。氨冰机转速测量采用AIRPAX转速探头测量，安装有7支探头。1支进现场转速表，实现转速现场显示;3支进超速保护器，三取二硬超速保护，输出一路DO信号串入现场跳车电磁阀供电回路，一旦超速，DO接点信号断开，电磁阀失电，氨冰机跳车;3支进TS3000系统SPD_SELECT03模块，通过速度选择模块选择判断，当转速传感器三路正常时选中值，两路正常时选高值，一路正常时选当前值。机组正常运行中三路转速探头三取二高于超速保护值或者三路转速探头全部故障的状态下，系统逻辑将输出调速系统故障信号，氨冰机停机。
2.2 氨冰机转速控制
转速选择模块输出的转速测量值，经过TS3000系统逻辑运算，输出4～20 mA电流信号，经电流信号转换器放大至20～160 mA，控制现场油动机行程，使主汽门开度达到设定值，以达到控制汽轮机转速的目的。
氨冰机转速控制基于TS3000系统SC_VPID模块完成，根据转速测量值，通过调节参数来实现输出与转速设定值相匹配。该控制模块为正作用，比例、积分、微分项可以被禁止或允许。如果有任何一个常量是0.0，控制作用失效。机组通过临界区时，控制模块会强制自动操作。
氨冰机的升速通过SC_SRAMP3模块生成速度设定值，此模块带爬坡速度设定点功能、手动升高/降低功能和跟踪功能，其中目标设定点设有上下限值。
3 氨冰机启动顺序模式控制
TS3000系统针对氨冰机在启机过程中所处的不同状态来实现机组的速度控制，氨冰机启动顺序有如下几种种运行模式，表示各种运行状态。
3.1 模式0：联锁停机模式
氨冰机机组处于联锁停车状态。此时联锁条件只要有一项不满足联锁就无法解锁（除非将氨冰机联锁投用/切除开关的位置打到切除）。当停车联锁条件都恢复正常后，按下氨冰机超速保护复位按钮，超速保护复位成功;按下机组复位按钮，使停机联锁解锁;跳车电磁阀线圈带电。联锁解锁且启动条件满足，或选择启动条件旁路开关即启动条件切除时，按下画面或辅助操作台上的“启动确认按钮”，此时允许启动灯变绿表示启动条件正常，进入下一个模式。
3.2 模式1：允许启动模式
启动条件正常后进入模式1允许启动状态，氨冰机组启动前需要对调速系统做静态调试。静态调试只有在模式小于3且机组联锁复位状态下才可以进行。调试合格后确认现场主汽阀处在正常位置，作好启动准备，当得到指令后，按下“启动机组”按钮，进入下一模式。
3.3 模式2：机组启动模式
当进入机组启动模式后，操作人员在氨冰机速度控制调节器上给定阀位输出值，将现场调速阀开至相应的开度，然后缓慢打开主汽门，按机组启动要求暖机、冲转、升速，升速过程要快速越过临界转速区。速度一旦超过设定转速值，将结束启动过程，进入下一模式。 3.4 模式3：接管运行模式
一旦机组速度超过设定转速值，系统自动进入接管运行模式。此时“氨冰机速度控制调节器”操作状态强制由手动改为自动。转速实际给定值按照升速速率趋进目标给定值，调速汽门的输出依据转速测量值与实际给定值的偏差缓慢跟踪变化，20s后转为正常调节。这时改变比例度和积分时间可以控制转速的波动。待调速汽门输出变化平稳后，现场继续缓慢开启主汽门，注意开启速度的平稳度，当主汽门全开后接管完成，氨冰机进入正常运行范围。
3.5 模式4：正常停机模式
正常停机模式，系统自动设定停机目标值，以固定速率降速，直至主汽门全关，系统停机。
3.6 模式5：超速试验模式
超速试验分电子超速试验和机械超速试验。在电子超速试验状态下，不能做机械超速试验，因为电子超速试验的量程范围被限制。当进入超速试验模式 ，氨冰机的转速设定值将超过超速保护跳车值 ， 一旦实际转速值超过跳车值，氨冰机便会联锁停车，可以通过上位画面按钮取消超速试验模式。
产生任何联锁停车信号将使系统回到模式 0。系统中设置了氨冰机组停机冷却保护时间，只有当停机冷却时间计时器达到设定值才能重新启动。
4 氨冰机防喘控制
正常运行阶段，TS3000系统根据氨冰机入口流量、入口压力、出口压力以及相应入口温度，利用TRICONEX独特的防喘振技术来给出压缩机喘振线、实际工作点的喘振工况图，以此判断是否发生喘振并使工作点工作在最小喘振开度，由防喘振控制器控制防喘阀。防喘振调节控制示意图如图1所示。
氨冰机的工作点由各段出口压力与入口压力之比及入口流量仪表测出的入口流量计算得出。
喘振控制器提供适应性增益和非对称响应。当工作点在喘振控制线右方时，会减少比例动作，当工作点在喘振控制线右方的操作裕度超过设定距离，则调用适应性增益特性。根据比例或积分，使防喘阀快速响应，快速打开。当工作点回到控制线的右方，防喘阀以设定速率慢关，调整到新的工作条件下。控制器有三种控制模式：手动、自动和半自动。手动模式下，防喘阀不受喘振控制器作用，全手动控制;自动模式下，防喘阀受喘振控制器作用;半自动模式，在这种模式下，手动输出值和控制器自动运算值经过高选后，输出到防喘阀。
如果系统检测到工作点越过喘振线，表示喘振已发生，喘振控制线将按组态参数的大小自动向右调节一定的裕度，从而加大安全余量。安全裕度会等百分比增加，喘振发生时会产生喘振计数，每次喘振发生会自动累加裕度量，可以通过喘振计数清零使控制器回到最初预设的初始安全裕度。
一般情况下，氨冰机不会在喘振线上持续运行或过长时间运行。当工作点在控制线右方，喘振控制器的设定点将在当前工作点（Hx）的左侧，并与工作点始终保持在5%的设定值。如果设定值与喘振控制线重合时，喘振控制器的设定值将不再向左移，这时如果工作点还向左移，系统将逐渐打开防喘阀以防机组喘振。当工作点向喘振区移动的速度大于且越过设定点时，喘振控制器将执行以下动作：设定点将按相同的速率快速减小，直至防喘阀打开。
5 氨冰机保护联锁停机
联锁紧急停机是保证氨冰机组安全而采取的最后一道安全保护措施，TS3000系统组态联锁信号为故障安全型，即在各项参数指标正常时状态信号为“1”，跳车状态下信号为“0”。联锁条件在逻辑图中为逻辑“与”关系，并且每一个联锁停车条件在上位画面上均设有一个软旁路开关，当旁路开关处于切除状态，即开关位置为“1”，可以屏蔽掉相应的联锁停机条件，便于调试和检修。
氨冰机组联锁停机条件如下。
①氨冰机组润滑油压力三取二低低;②氨冰机组控制油压力三取二低低;③氨冰机组轴位移二取二高高;④氨冰机组轴振动二取一高高;⑤氨冰机组入口分离器液位三取二高高;⑥氨冰机组转速三取二高高以及测速探头选择模块输出探头状态故障信号;⑦氨冰机组轴瓦温度二取二高高;⑧氨冰机组干气密封各端泄漏量高高;⑨氨冰机表面冷凝器压力三取二高高;⑩氨冰机组控制室紧急停车按钮发出停车信号; 氨冰机组现场操作柱紧急停车按钮发出停车信号。
以上任意一个条件满足，均会触发联锁，现场跳车电磁阀失电，控制油卸压，调速汽门全关，氨冰机停机。
6 结束语
TS3000系统硬件基于三重冗余容错结构的容错控制器，并可通过Enhanced Diagnostic Monitor 软件在线监控诊断系统硬件运行状态。软件基于 Windows 10操作环境，使用Tristation1131编程软件 ，将机组的状态参數监控、速度控制、开停车顺序控制、防喘控制以及联锁停机保护功能在内的各项功能集成于一个系统平台上完成 ，实现了控制系统的高度集成性、可靠性及完整性。同时，通过SOE软件可记录故障发生的时间和事件的类型，通过DDE通讯软件配合Intouch上位监控软件，可以为技术管理及操作人员提供良好的人机界面，实现过程监视控制、过程报警及历史数据采集等功能。
参考文献
[1] 邢元栋，李 霞.TS3000 系统在蒸汽轮机控制系统中的应用.石油化工自动化，2006（3）：53.
[2] 朱锦智.TS3000 在催化裂化压缩机联锁系统上的应用.石油化工自动化，2005（6）：62.
[3] 王五红，栗进涛. TS3000 系统在焦炉气制甲醇空分装置空压机组的应用. 化肥设计， 2011（12）：11.
[关键词]TS3000系统;氨冰机;调速;顺序控制;防喘;联锁
[中图分类号]TM76 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）12–00–03
[Abstract]This paper introduces the application of triple parts redundant fault-tolerant （TMR） structure of TRICON TS3000 system in ammonia ice machine control system of ammonia plant. Through TS3000 system， the speed control， opening and stopping sequence control， anti-surge control and interlocking stop protection function of the unit are realized to ensure the safe and stable operation of the unit.
[Keywords]TS3000 system; ammonia ice machine; speed regulation; sequence control; anti-asthmatic; interlocking
巴陵石化合成氨装置氨冰机J2501是合成氨装置的重要设备，由中压蒸汽透平驱动，汽轮机带动压缩机组，处理由低温甲醇洗装置四台氨冷器换热来的气氨，为低温甲醇洗装置循环提供冷量，满足低温甲醇洗装置的低温生产需求。氨冰机选用TRICON TS3000控制系统，实现机组的速度控制、开停车顺序控制、防喘控制以及联锁停机保护功能。
1 TRICON TS3000控制系统简介
TRICON TS3000控制系统核心基于三重件冗余容错（TMR）结构的容错控制器，机架为扩展式结构，机架之间采用三重冗余的I/O BUS相连。从输入模件到MP到输出模件的完全的三重化，每一个IO信号都拥有相互独立的三个Leg，每一个Leg自主地读取输入信号并将读到状态送给相应的MP，三个主处理器之间通过TriBus进行通讯，每一个扫描周期每个MP都会通过TriBus与其他两个MP进行通讯和同步，TriBus 把DI的表决结果和AI的计算结果送给每一个MP，每个MP独立地进行Program的运算并将结果送到送出模件。控制系统可以识别控制元件的故障，自动把故障的元件加以排除，满足高可靠性、高可用性的容错控制能力。
2 氨冰机转速测量控制
2.1 氨冰机转速测量与选择
转速测量由转速传感器和转速测量仪表组成，磁感应式探头在机组转动时会在探头线路上产生一个频率信号，频率与机组转速对应。氨冰机转速测量采用AIRPAX转速探头测量，安装有7支探头。1支进现场转速表，实现转速现场显示;3支进超速保护器，三取二硬超速保护，输出一路DO信号串入现场跳车电磁阀供电回路，一旦超速，DO接点信号断开，电磁阀失电，氨冰机跳车;3支进TS3000系统SPD_SELECT03模块，通过速度选择模块选择判断，当转速传感器三路正常时选中值，两路正常时选高值，一路正常时选当前值。机组正常运行中三路转速探头三取二高于超速保护值或者三路转速探头全部故障的状态下，系统逻辑将输出调速系统故障信号，氨冰机停机。
2.2 氨冰机转速控制
转速选择模块输出的转速测量值，经过TS3000系统逻辑运算，输出4～20 mA电流信号，经电流信号转换器放大至20～160 mA，控制现场油动机行程，使主汽门开度达到设定值，以达到控制汽轮机转速的目的。
氨冰机转速控制基于TS3000系统SC_VPID模块完成，根据转速测量值，通过调节参数来实现输出与转速设定值相匹配。该控制模块为正作用，比例、积分、微分项可以被禁止或允许。如果有任何一个常量是0.0，控制作用失效。机组通过临界区时，控制模块会强制自动操作。
氨冰机的升速通过SC_SRAMP3模块生成速度设定值，此模块带爬坡速度设定点功能、手动升高/降低功能和跟踪功能，其中目标设定点设有上下限值。
3 氨冰机启动顺序模式控制
TS3000系统针对氨冰机在启机过程中所处的不同状态来实现机组的速度控制，氨冰机启动顺序有如下几种种运行模式，表示各种运行状态。
3.1 模式0：联锁停机模式
氨冰机机组处于联锁停车状态。此时联锁条件只要有一项不满足联锁就无法解锁（除非将氨冰机联锁投用/切除开关的位置打到切除）。当停车联锁条件都恢复正常后，按下氨冰机超速保护复位按钮，超速保护复位成功;按下机组复位按钮，使停机联锁解锁;跳车电磁阀线圈带电。联锁解锁且启动条件满足，或选择启动条件旁路开关即启动条件切除时，按下画面或辅助操作台上的“启动确认按钮”，此时允许启动灯变绿表示启动条件正常，进入下一个模式。
3.2 模式1：允许启动模式
启动条件正常后进入模式1允许启动状态，氨冰机组启动前需要对调速系统做静态调试。静态调试只有在模式小于3且机组联锁复位状态下才可以进行。调试合格后确认现场主汽阀处在正常位置，作好启动准备，当得到指令后，按下“启动机组”按钮，进入下一模式。
3.3 模式2：机组启动模式
当进入机组启动模式后，操作人员在氨冰机速度控制调节器上给定阀位输出值，将现场调速阀开至相应的开度，然后缓慢打开主汽门，按机组启动要求暖机、冲转、升速，升速过程要快速越过临界转速区。速度一旦超过设定转速值，将结束启动过程，进入下一模式。 3.4 模式3：接管运行模式
一旦机组速度超过设定转速值，系统自动进入接管运行模式。此时“氨冰机速度控制调节器”操作状态强制由手动改为自动。转速实际给定值按照升速速率趋进目标给定值，调速汽门的输出依据转速测量值与实际给定值的偏差缓慢跟踪变化，20s后转为正常调节。这时改变比例度和积分时间可以控制转速的波动。待调速汽门输出变化平稳后，现场继续缓慢开启主汽门，注意开启速度的平稳度，当主汽门全开后接管完成，氨冰机进入正常运行范围。
3.5 模式4：正常停机模式
正常停机模式，系统自动设定停机目标值，以固定速率降速，直至主汽门全关，系统停机。
3.6 模式5：超速试验模式
超速试验分电子超速试验和机械超速试验。在电子超速试验状态下，不能做机械超速试验，因为电子超速试验的量程范围被限制。当进入超速试验模式 ，氨冰机的转速设定值将超过超速保护跳车值 ， 一旦实际转速值超过跳车值，氨冰机便会联锁停车，可以通过上位画面按钮取消超速试验模式。
产生任何联锁停车信号将使系统回到模式 0。系统中设置了氨冰机组停机冷却保护时间，只有当停机冷却时间计时器达到设定值才能重新启动。
4 氨冰机防喘控制
正常运行阶段，TS3000系统根据氨冰机入口流量、入口压力、出口压力以及相应入口温度，利用TRICONEX独特的防喘振技术来给出压缩机喘振线、实际工作点的喘振工况图，以此判断是否发生喘振并使工作点工作在最小喘振开度，由防喘振控制器控制防喘阀。防喘振调节控制示意图如图1所示。
氨冰机的工作点由各段出口压力与入口压力之比及入口流量仪表测出的入口流量计算得出。
喘振控制器提供适应性增益和非对称响应。当工作点在喘振控制线右方时，会减少比例动作，当工作点在喘振控制线右方的操作裕度超过设定距离，则调用适应性增益特性。根据比例或积分，使防喘阀快速响应，快速打开。当工作点回到控制线的右方，防喘阀以设定速率慢关，调整到新的工作条件下。控制器有三种控制模式：手动、自动和半自动。手动模式下，防喘阀不受喘振控制器作用，全手动控制;自动模式下，防喘阀受喘振控制器作用;半自动模式，在这种模式下，手动输出值和控制器自动运算值经过高选后，输出到防喘阀。
如果系统检测到工作点越过喘振线，表示喘振已发生，喘振控制线将按组态参数的大小自动向右调节一定的裕度，从而加大安全余量。安全裕度会等百分比增加，喘振发生时会产生喘振计数，每次喘振发生会自动累加裕度量，可以通过喘振计数清零使控制器回到最初预设的初始安全裕度。
一般情况下，氨冰机不会在喘振线上持续运行或过长时间运行。当工作点在控制线右方，喘振控制器的设定点将在当前工作点（Hx）的左侧，并与工作点始终保持在5%的设定值。如果设定值与喘振控制线重合时，喘振控制器的设定值将不再向左移，这时如果工作点还向左移，系统将逐渐打开防喘阀以防机组喘振。当工作点向喘振区移动的速度大于且越过设定点时，喘振控制器将执行以下动作：设定点将按相同的速率快速减小，直至防喘阀打开。
5 氨冰机保护联锁停机
联锁紧急停机是保证氨冰机组安全而采取的最后一道安全保护措施，TS3000系统组态联锁信号为故障安全型，即在各项参数指标正常时状态信号为“1”，跳车状态下信号为“0”。联锁条件在逻辑图中为逻辑“与”关系，并且每一个联锁停车条件在上位画面上均设有一个软旁路开关，当旁路开关处于切除状态，即开关位置为“1”，可以屏蔽掉相应的联锁停机条件，便于调试和检修。
氨冰机组联锁停机条件如下。
①氨冰机组润滑油压力三取二低低;②氨冰机组控制油压力三取二低低;③氨冰机组轴位移二取二高高;④氨冰机组轴振动二取一高高;⑤氨冰机组入口分离器液位三取二高高;⑥氨冰机组转速三取二高高以及测速探头选择模块输出探头状态故障信号;⑦氨冰机组轴瓦温度二取二高高;⑧氨冰机组干气密封各端泄漏量高高;⑨氨冰机表面冷凝器压力三取二高高;⑩氨冰机组控制室紧急停车按钮发出停车信号; 氨冰机组现场操作柱紧急停车按钮发出停车信号。
以上任意一个条件满足，均会触发联锁，现场跳车电磁阀失电，控制油卸压，调速汽门全关，氨冰机停机。
6 结束语
TS3000系统硬件基于三重冗余容错结构的容错控制器，并可通过Enhanced Diagnostic Monitor 软件在线监控诊断系统硬件运行状态。软件基于 Windows 10操作环境，使用Tristation1131编程软件 ，将机组的状态参數监控、速度控制、开停车顺序控制、防喘控制以及联锁停机保护功能在内的各项功能集成于一个系统平台上完成 ，实现了控制系统的高度集成性、可靠性及完整性。同时，通过SOE软件可记录故障发生的时间和事件的类型，通过DDE通讯软件配合Intouch上位监控软件，可以为技术管理及操作人员提供良好的人机界面，实现过程监视控制、过程报警及历史数据采集等功能。
参考文献
[1] 邢元栋，李 霞.TS3000 系统在蒸汽轮机控制系统中的应用.石油化工自动化，2006（3）：53.
[2] 朱锦智.TS3000 在催化裂化压缩机联锁系统上的应用.石油化工自动化，2005（6）：62.
[3] 王五红，栗进涛. TS3000 系统在焦炉气制甲醇空分装置空压机组的应用. 化肥设计， 2011（12）：11.