Application of Safety Barrier in the Card Alarm of TRICON Control System of Air Compressor Unit
Abstract：
The reason of the large load resistance of the intelligent valve positioner which causes the load voltage of the analog output card channel to exceed the limit and triggers the alarm of the TRICON control system rack of the air compressor unit of the air separation unit is analyzed. It is judged that the load voltage of the FV1902 control valve positioner exceeds the limit. By installing safety barriers in the alarm channel, the load capacity of the regulator′s output control signal is improved, the alarm problem of the control system rack is effectively solved and the long-term stable operation of the air compressor unit is realized.
安徽晋煤中能化工股份有限公司600 kt/a合成氨原料路线调整节能技术改造项目包含空分、气化、合成等主要工艺装置。空分装置采用低温精馏法进行空气分离，配套德国曼(MAN)54 000 m3/h空压机组，透平压缩机综合控制系统(ITCC)采用TRICON TS3000系统。
1
TRICON系统简介
TRICON系统从主处理器到输入、输出模件采用完全三重化的容错设计，当空压机组出现异常情况时，将机组控制在一个安全状态[1]。TRICON系统具有高容错能力，自身发生错误后，系统还能正常控制生产设备；当装置发生异常时，根据工况变化，能够自动调整压缩机运行状态，保障机组稳定控制和长周期运行[2]。TRICON系统三重冗余结构中的每个I/O通道内都有3个独立的分电路, 输入卡件的分电路读入过程数据并将此信息送至各主处理器。3个独立处理器通过Tribus总线通讯[3]，最后控制输出卡件，达到控制现场设备的目的。
TRICON系统由控制系统机架(包括1个主机架和2个扩展机架，见图 1)以及控制系统软件(包括上位机组态软件InTouch和下位机组态软件TriStation 1131)等2个主要部分组成。
图 1
2
ITCC系统报警与分析
600 kt/a合成氨原料路线调整节能技术改造项目自联调结束正常投产后，空压机组TRICON系统1#主机架、3#扩展机架一直处于报警状态，不仅干扰操作人员监控生产情况，而且为生产系统安全稳定长周期运行埋下了隐患，成为迫切需要解决的问题。
2.1
故障现象
系统3#扩展机架8R热备卡槽空置，8L位置现有处于工作状态的3805E型模拟输出(AO)卡件，处于LOAD监督超载报警状态，触发3#扩展机架电源模块报警，进而引起1#主机架电源模块报警。上位机监控画面同步显示1#主机架和3#扩展机架的报警信息，且无法对报警信息进行确认消除，严重影响生产安全。8L报警卡件共有8路AO通道(即0~7路)，系统使用前3路，即0号通道为空压机放空阀FV1451，1号通道为空压机入口导叶FV1452，2号通道为增压机末级去高压换热器控制阀FV1902；卡件后5路为空余通道，为避免触发报警，系统开车前已在所有AO卡件空余通道上接装阻值为220 Ω的负载电阻。3路通道调节控制回路都是系统重要的生产阀门，正常生产时0号通道阀门全关，1号通道阀门保持27%~45%的开度，2号通道阀门全开，正常开车期间阀门禁止动作调试。
2.2
报警原因分析
装置停车后，控制系统报警现象随之消失。利用检修机会，首先对报警卡件进行更换处理，同时对机柜系统电源、线路、接地等全面排查后进行分析，未见异常，机架电源模块亦功能正常。装置正常开车后，报警现象再次出现，排除了AO卡件功能故障等原因触发报警的可能性。
报警信息复现后，使用系统自有的诊断软件Enhanced Diagnostic Monitor进行系统自诊断，通过分析收集到的诊断信息，判断为报警卡件(8L卡件)2号通道负载电压超限，即FV1902控制阀定位器负载电压超过卡件输出控制信号带负载电压的上限值，引发机架电源模块报警。该定位器为azbil AVP102型电气智能阀门定位器，支持HART协议，正输出，即100%开度对应20 mA回路电流信号。由欧姆定律U=IR可知，能通过减小负载电阻和回路电流值来降低负载电压，但智能阀门定位器的输入电阻通常较高(见表 1)，采用更换定位器来减小输入电阻，不仅需要更改现场阀门仪表空气风管线，而且各型定位器安装方式不同，更换其他型号定位器难度较大。回路电流值则是AO卡件根据现场控制阀门所需开度大小输出的控制信号，不可更改。电阻和电流值都无法降低或更改，则需要提高电压值来满足需求，提高系统AO卡件供电电压上限成为较可行的方案。即需要保证阀门全开位置时的定位器回路电流为20 mA，回路负载电压最大时的系统负载电压能够满足需求，可解决卡件负载电压超限报警问题。
表 1
|
厂家 |
型号 |
U/V(直流) |
I/mA |
R/Ω |
|
azbil |
AVP100-H |
6 |
20 |
300 |
|
azbil |
AVP300 |
6 |
20 |
300 |
|
Maxonic |
MVP5300R-1EH |
7 |
20 |
350 |
|
SIEMENS |
SIPART PS2 |
8.3 |
20 |
415 |
|
SAMSON |
3730-3 |
8.2 |
20 |
410 |
|
FISHER |
DVC6200 |
11 |
20 |
550 |
|
ARCA |
827系列 |
8.4 |
20 |
420 |
3
改造措施
通过分析论证后，决定利用在主控机柜报警卡件对应通道后端加入模拟量输出型安全栅的方式来放大AO卡件带载能力。经过不断对比和参数分析后, 最终选择德国倍加福KFD2-CD-Ex1.32型安全栅，输入端连接调节输出控制信号，输出端连接现场智能定位器，将电流信号从控制机柜安全区域驱动到现场气动阀门定位器危险区域，完成主控室至现场阀门的调节控制。此款安全栅为单通道24 V直流供电，4~20 mA模拟量输入输出，工作额定电压20~35 V(直流)，额定电流≤50 mA，负载电阻≤850 Ω，控制端电流值20 mA时的电压值≤4 V，完全满足使用需求。
等待停车检修时对安全栅进行了加装，并对FV1902阀门进行了全行程开度试验，卡件LOAD灯正常，卡件一直处于正常工作状态，系统报警未出现。装置开车运行后，阀门FV1902全开，且其他两路阀门均开至正常生产阀位后，系统报警现象未复现，控制系统稳定运行一段时间后机架报警问题未再出现。利用加装安全栅有效验证了TRICON模拟输出卡件LOAD监督超载报警出现的情况，成功解决了空压机组控制系统机架报警的问题。
4
结语
常规电气阀门定位器输入电阻实测在200 Ω左右，而智能阀门定位器的输入电阻通常高于300 Ω，且随输入电流的增加而增大，配置HART协议型的输入电阻则会更大(如表 1中FISHER DVC6200型定位器)。对于电流驱动型的电路，电阻越大，负载两端电压越高，消耗的功率越大，输入电阻越小，则对电流源的负载就越轻。在选用智能型电气阀门定位器时，一定要与调节器输出控制信号的带载能力相匹配，建议带载应大于550 Ω，才能保证执行机构正输出时，阀门大开度甚至全开时定位器的正常工作。
当调节器输出控制信号带载能力不足时，应在阀门定位器输入信号回路中加装信号隔离器件，提升控制信号的带负载能力，即选用负载阻值高的中间隔离驱动器件，对于防爆场所则选用带负载能力高的隔离式安全栅，文中所选用的安全栅最大负载电阻为850 Ω。或通过定位器选型采用4线制连接方式，通过单独配接24 V直流电源的方式来减小定位器的输入电阻。如果不需要智能定位器配置HART协议支持，应尽可能选取同系列无HART协议型，来降低调节器输出控制信号带载能力不足的风险。
卡件报警通常有多种因素触发，文中仅分析了其中一种引起报警的原因，生产实际中如遇到此类卡件报警问题还需从多个方面认真分析，不断试验，才能找到解决问题的方法。
沪公网安备 31010702007066号