摘要：三重化冗余機組綜合控制系統(tǒng)，就是所有重要電路都實現(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級認證。它克服了以往分散控制系統(tǒng)的缺點，把機組的各個控制部分，包括：機組聯(lián)鎖ESD、SOE事件順序記錄、機組控制PID(例如：防喘振控制、調速控制等)及常規(guī)指示記錄功能，故障診斷功能等完美地結合在一起，集成為一套機組綜合控制系統(tǒng)。由于它的組態(tài)及編程功能強大，才使得復雜控制在三重化冗余綜合控制系統(tǒng)中得到成功應用，并在石油、化工、冶金等大型機組綜合控制中得到廣泛應用。
關鍵詞：三重化；冗余；安全等級；機組綜合控制；復雜控制；應用
0、引言
大型機組在生產過程中起到心臟的作用，為此許多廠家對生產裝置大型機組重要性的認識，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、冶金等應用廣泛的大型機組綜合控制系統(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)。機組綜合控制系統(tǒng)包括：機組聯(lián)鎖ESD、SOE事件順序記錄、機組控制PID(例如：防喘振控制及調速控制等)及常規(guī)指示記錄功能、故障診斷功能，為了讓大家了解，復雜控制在三重化冗余機組綜合控制系統(tǒng)中的成功應用，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，就是說：所有重要電路都實現(xiàn)三重化，三重化的每個部分是獨立的，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、電流或開關狀態(tài)）。系統(tǒng)不會因為內部故障而對過程產生影響。
冗余：系統(tǒng)能在線更換模塊是三重化技術的必然要求。在線更換必須達到冗余要求，就是在不中斷系統(tǒng)正常運行的條件下，系統(tǒng)自動將發(fā)生故障模塊（主），切換到備用模塊，實現(xiàn)冗余功能。控制權交給備用模塊之后，發(fā)生故障的模塊可以在線拔出，對故障模塊進行維護。
機組綜合控制系統(tǒng)包括：機組聯(lián)鎖ESD、SOE事件順序記錄、機組控制PID(例如：防喘振控制及調速控制等)及常規(guī)指示記錄功能、故障診斷功能。
2、安全系統(tǒng)標準
IEC61508 是一個有關工業(yè)安全系統(tǒng)的國際標準。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 標準和國際電工委員會IEC 61508 標準的對應關系 
三重化冗余綜合控制系統(tǒng)必須具備TUV 6級或SIL-3級認證，就是說：當系統(tǒng)中出現(xiàn)一個或者多個故障時，系統(tǒng)能正常運行，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)將按照預先的設定，轉為失效－安全模式，確保用戶生產裝置和設備的安全。這種設計適用于高可靠性、高可用度以及對系統(tǒng)在線時間要求很高的應用場合，例如：石油、化工、冶金等大型機組綜合控制系統(tǒng)應用場合。
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），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），GE GMR控制系統(tǒng)為一個掃描周期（40毫秒內）。
三重化實現(xiàn)：
ICS Triplex控制系統(tǒng)、CCC控制系統(tǒng)、Tricon控制系統(tǒng)為單卡內部實現(xiàn)三重化。Woodward MicroNet™控制系統(tǒng)、GE GMR控制系統(tǒng)為外部硬件實現(xiàn)三重化。
4、復雜控制在三重化機組綜合控制系統(tǒng)應用實例
復雜控制在三重化冗余綜合控制系統(tǒng)中成功應用，實例以Tricon綜合控系統(tǒng)為例。
4.1、鎮(zhèn)海重整C702機組，壓力三分程、防喘振、調速及遞推綜合控制
4.1.1、V701罐壓力PIC7003輸出三分程控制遞推控制
調節(jié)器為＂正＂作用
PIC7003調節(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，進行低選后，進行分程放大控制，（50~100%轉換成0~100%）FV7012A、（0~50%轉換成0~100%）FV7012B兩個一段回流閥。
* 30~60%輸出作為C702機組調速外給定
將30~60%轉換成0~100%，輸出經(jīng)手操器HIC－7020作為C702轉速控制器的串級給定信號，C702轉速控制器既可以壓力串級控制，也可以通過在DCS上進行外給定轉速控制，通過內給定為本地轉速控制，當SIC－C702選擇外給定時，必須選擇是壓力控制還是DCS控制，外給定轉速控制范圍9000～10500 RPM。
*60~100%控制V701放空閥
將60~100%轉換成0~100%輸出，經(jīng)手操器HIC－7003輸出至V701放空閥PV7003。
注意：
為解決喘振與調速耦合，當進入防喘振控制區(qū)時，調速自動轉到手動（在正常運行調速范圍）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，實現(xiàn)遞推控制。
PIC7005輸出二分程
調節(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%轉換成0~100%與PIC7006輸出的50~100%轉換成0~100%反向，低選輸出再與防喘振控制器FIC7013的反向輸出，進行低選后，進行分程放大控制（50~100%轉換成0~100%）FV7013A、（0~50%轉換成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，進行低選后，進行分程放大控制，（50~100%轉換成0~100%）FV7012A、（0~50%轉換成0~100%）FV7012B兩個一段回流閥。
PIC7006輸出二分程
調節(jié)器為＂正＂作用
*0~50%控制V704A/B閥PV7006
將0~50%轉換成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，進行低選后，進行分程放大控制（50~100%轉換成0~100%）FV7013A、（0~50%轉換成0~100%）FV7013B兩個二段回流閥。
4.2、C702機組調速
4.2.1、啟動條件
1）、首先C702機組聯(lián)鎖條件正常（說明：置1正常，置0聯(lián)鎖動作）
*、壓縮機低壓缸軸位移高高正常，另外還設有軟切除；
*、壓縮機高壓缸軸位移高高正常，另外還設有軟切除；
*、汽輪機軸位移高高正常，另外還設有軟切除；
*、潤滑油壓力低低正常，并設有軟切除，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生的誤動作，如果置0延時在2秒鐘內，則輸出不置0即保持原輸出不動；
*、汽輪機排汽壓力高正常，并設有軟切除，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，則輸出不置0即保持原輸出不動；
*、汽輪機就地盤手動停機，正常時置1；
*、V708增壓機液位高高正常，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，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，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，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調速系統(tǒng)正常停機，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不滿足聯(lián)鎖就無法自鎖，調速系統(tǒng)模式iMODE_C702=0，當條件都滿足時，按下C702系統(tǒng)軟復位按鈕gC702RS按鈕時，C702停聯(lián)鎖繼電器返回信號dESD_DI04自鎖，使C702停機置1及去TS3000 C702調速系統(tǒng)fC702T置1，iMODE_C702=1，聯(lián)鎖系統(tǒng)復位。
2）、C702機組啟動條件正常（說明：滿足條件置1，否則置0）
*、盤車機構電機停置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停機聯(lián)鎖復位fC702T置1；
*、速關閥關置0反向后和速關閥開置1進行“與”操作，目的是檢驗速關閥開關是否有故障。
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，去調速系統(tǒng)TS3000，使調速系統(tǒng)運行模式iMODE_C702 =2，進入允許啟動模式。當確認系統(tǒng)正確無誤時，按啟動命令按鈕，硬按鈕或軟按鈕，進入第一暖機目標值1000RPM，iMODE_C702=3，系統(tǒng)在自動模式下，就開始自動按預定的升速曲線開始升速。調節(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狀態(tài)：
在HMI調速畫面中，首先檢查調速操作
①、 選擇冷/熱啟動方式
熱啟動時， 第一暖機模式iMODE_C702 =3，倒計時10 分鐘，第二暖機模式iMODE_C702 =4，倒計時間默認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小時內可任意設定。冷啟動時，第一暖機模式iMODE_C702 =3，倒計時20 分鐘，第二暖機模式iMODE_C702 =4，倒計時間TMR_02_PT_C702默認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小時內可任意設定。
② 、手動升速/自動升速操作方式選擇
自動方式升速時，按設置的參數(shù)進行升速，升速率（1000RPM），正常爬坡速率（600.0RPM），臨界轉速（3000.0～5000.0 RPM），快速爬坡速率（臨界段）（4000.0 RPM）在6300.0 ～10934.0 rpm轉速范圍內任意可調，條件是轉速調節(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，連續(xù)按下不放手時，升速速率與自動相同，條件是轉速調節(jié)器SIC_C702也在自動模式，SIC_C702調速切換(外給/中控選擇)。
第二暖機模式結束后，自動進入加速升速iMODE_C702 =5在此期間要通過臨界轉速3000.0～5000.0 RPM）到達目標轉速6300.0進入正常運行模式iMODE_C702 =6，此后可以根據(jù)調節(jié)器給定值來調節(jié)C702機組轉速，范圍為6300.0 ～10934.0 rpm。
在自動升速時，按照升速曲線運行（見升速曲線）
iMODE_C702表示C702機組在升速過程中的各個狀態(tài)：
iMODE_C702 0： 停機
iMODE_C702 1： 系統(tǒng)復位
iMODE_C702 2： 允許啟動
iMODE_C702 3： 暖機1到計時
iMODE_C702 4： 暖機2到計時
iMODE_C702 5： 加速升速
iMODE_C702 6： 正常運行
iMODE_C702 7： 正常停車
iMODE_C702 8： 超速試驗
4.2.3、超速試驗
首先選擇超速試驗選擇開關（有工段級以上權限），選擇現(xiàn)場/中控室啟動超速試驗，只有在iMODE_C702 =0時（停機），超速試驗按鈕才起作用，按超速試驗按鈕，畫面用閃爍提示超速試驗狀態(tài)。其余與升速過程相同，進入超速試驗iMODE_C702 置8，到達跳閘置時，發(fā)出聯(lián)鎖跳閘指令置1，iMODE_C702 置0，
4.2.4、正常停急
需在運行模式下iMODE_C702 置6，在HMI調速畫面上，按正常停機按鈕（有工段級以上權限）置1，iMODE_C702 置7進入正常停機模式，目標轉速1000RPM，等到測量轉速降到等于1010RPM時，倒計時2分鐘后，自動停機，iMODE_C702 置0。
4.2.5、外給定/中控室調節(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，轉換成9000～10500RPM經(jīng)手操器輸出作為調速器外給定，選擇DCS給定或PIC7003給定，由DCS/壓力選擇開關決定。
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，均強制自動操作通過，待通過臨界區(qū)后恢復正常升速。
汽輪機單機超速試驗時，注意：只有在停機時，按超速試驗按鈕，否則不可以超速試驗。超速試驗時，分電子超速和機械超速試驗，在電子超速狀態(tài)下，不能做機械超速，因為電子超速的量程范圍被限制，只有在機械超速試驗狀態(tài)下，才可以機械超速試驗（量程范圍被擴大）。當正常運行時，操作員誤操作，沒有將機械超速選擇開關轉到電子超速，程序默認電子超速。
4.3、揚子重油催化煙機，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
調節(jié)器為＂正＂作用
PIC1調節(jié)器輸出0~100%分成三部分
每一部分三分程輸出都設有手操器
*0~30%低選分程后控制煙機入口蝶閥
將0~30%轉換成0~100%，輸出至手操器HIC1，手操器HIC1輸出與轉速SIC401（反作用）輸出及煙機出口溫度控制TIC52（反作用）輸出，輸出低選，如果轉速大于7000.0rpm或裝置聯(lián)鎖置0，機組煙機入口蝶閥產生部分關閉指令10%（開10%），使HIC4輸出等于10。另外轉速在此有自動跟蹤功能。部分關閉復位，用HIC1手操器，手動/自動切換置“手動”，使部分關閉復位。
*30~60%輸出控制小旁路控制閥
將30~60%轉換成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、結束語
通過上述復雜控制在三重化冗余綜合控制系統(tǒng)中成功應用實例的描述，三重化冗余機組綜合控制系統(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，把機組的各個控制部分，包括：常規(guī)調節(jié)及指示記錄、調速控制、防喘振控制、事件順序紀錄（SOE）功能、故障診斷功能及機組的緊急停車聯(lián)鎖等完美地結合在一起，集成為一套機組綜合控制系統(tǒng)，實現(xiàn)機組復雜綜合控制最優(yōu)化。
至于用戶選擇哪種三重化冗余機組綜合控制系統(tǒng)（TMR），這就需要用戶根據(jù)自己對各種TMR系統(tǒng)的認識程度決定，各種TMR系統(tǒng)都有它自身獨特的優(yōu)點。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：tjjiangyue@163.com。
由于三重化冗余機組綜合控制系統(tǒng)組態(tài)簡單方便，組態(tài)及編程功能強大，可以實現(xiàn)復雜控制，安全可靠，維護方便，在大型機組中應用得到各方人事的一致認可，現(xiàn)廣泛應用于煉油、化工、冶金等企業(yè)中。
