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案例详细
标题TRICONEX 控制系统在吉化聚乙烯厂高密度聚乙烯装置中的应用
技术领域工业无线
行业
简介
内容 1 总述

    为了对石油化工生产装置可能发生的危险或不采取措施将继续恶化的状态进行及时响应和保护，为了提高企业的经济效益、安全、平稳、长周期的连续生产是至关重要的，这就需要一种高度可靠的安全保护手段，ESD系统因此应运而生。ESD系统，即紧急停车系统（Emergency Shut  Down System），它是适用于高温、高压、易燃、易爆等连续性生产装置的安全保护系统。这篇中介绍的正是ESD系统中的一种，即美国TRICON公司的ESD系统。也正是我厂所使用的一种ESD系统。 吉林石化公司聚乙烯厂高密度聚乙烯装置属于易燃易爆装置，尤其是三个反应器R1201，R1202，R1204，其控制参数更尤为重要，在工艺参数失调的情况下如果得不到及时控制，轻则停车造成财产损失，重则危及人身安全，这种情况下ESD所发挥的作用尤为重要。

    TRICON系统是基于三重模件冗余（TMR）结构的最现代化的容错控制器。它将三路相互隔离、并行的控制系统（每路称为一个分电路）和具有广泛的自诊断功能集成在一个系统中，用三取二表决电路来提供高度完善、无差错、不间断的过程操作，不会因为单点的故障而导致系统失效。软件满足1EC1131-3标准的ESD系统。TRICON系统有三个主处理器，每一个主处理器的CPU是32位、25MHZ、2M RAM，工作方式为3-2-0。传感器信号至输入模件中被分成隔离的三路，通过三个独立的通道，分别被送到三个主处理器中，处理器之间的总线TRIBUS按多数原则对数据进行表决，并纠正任何输入数据的偏差。此过程保证每个主处理器使用相同的表决数据完成应用程序。

    主处理器的输出沿着三个通道，被送到输出模件，并在输出模件中再次进行表决/选择。数字输出的表决通过获得专利的硬件：“方形表决器”电路来完成，而模拟信号则是在模拟选择器中进行选择。表决电路中包含有总的“反馈”电路，用于对输出状态做最好的校验和诊断潜在的故障。

    TRICON系统对每个独立的分电路，每个模件组件和每个功能电路都进行广泛的自诊断，对操作错误进行检测和报告。所有诊断信息均储存在系统变量里或由LED和报警触点指示，或直接进行维护，同时将这些信息传递到DCS系统，所有的故障元件都可以进行在线更换。

2 TRICON 控制系统有以下几个明显的特性

2.1 TRICON系统的独立性

    TRICON系统不单是实现联锁逻辑关系，它应该凌驾于生产过程控制系统之上，具有独立性。参与ESD系统的信号主要有两大类，一类是模拟量信号；一类是开关量信号（输出信号一般是开关量信号），模拟量输入信号经过信号转换器、DCS转换卡、报警设定器等转换为开关量信号参与联锁逻辑。这是在设计TRICON系统时应考虑的一个环节。一般的做法是如模拟信号仅参与联锁不参与控制、监测时，要尽可能以中控室仪表接线端子排为界，取出来自现场的模拟信号直接进入TRICON系统，采用其自带的信号转换模块进行处理。如该点模拟量信号既要参与联锁还要参与DCS系统控制时，来自现场的该点模拟量信号要经过一个多路输出的信号分配器，经信号分配后，一路信号进入DCS系统，一路信号进入TRICON系统，而不主张取经过常规仪表或DCS系统转换来的联锁接点信号进入TRICON系统。因为TRICON系统是ESD系统，其安全级别远高于DCS系统，是独立于过程控制系统之外的。

2.2 TRICON系统 “静态”特性

    过程控制系统对生产过程参数进行连续地动态调整而在正常生产情况下ESD系统是处于静态的，不干涉生产过程，只有在紧急情况下（生产过程失控、即将发生人身或设备事故），它才发出停车保护信号。“该动则动，不该动则必不动”是ESD系统的一个显著特征。这就要求控制系统不要进入TRICON系统，TRICON系统尽可能不要参与连续调节，以保证其能够“静态”地监护生产过程。

2.3 TRICON系统 “响应速度”即扫描时间

    TRICON系统每1毫秒可运行1000个梯形逻辑，按这个速度可估算出系统的配置。对于大型动设备而言，ESD系统响应得越快越好，响应速度快有利于保护设备或避免事故进一步扩大。另外，系统响应速度快有利于分辨事故序列记录和第一事故信号。

    TRICON系统用扫描方式操作，周期性地执行所需的控制功能，其扫描的周期时间决定于以下三个方面：

    （1）收集输入数据所需要的时间（输入处理时间）；

    （2）执行控制程序所需要的时间；

    （3）实现输出所需要的时间（输出处理时间）。

    值得注意的是如果系统组态具有异乎寻常大量的物量I/O点总数、和/或控制程序较小时，扫描时间的设置就必须考虑总的处理时间和CPE(控制程序执行)时间两方面。因为在这种情况下，所需要的总的处理时间有可能会超过CPE时间，这时，扫描时间应该设置为两者之中较大者。

2.4 TRICON系统可实现本质安全

    TRICON系统的关键技术是基于三重模件冗余（TMR）结构的容错控制器，TRICON系统的结构以输入模件经主处理器到输出模件完全是三重化配置。另外，关键的联锁信号（如联锁条件、紧急停车按钮、工艺联锁旁路开关等）输入模块应三重化配置。对一些开车条件（如阀位回讯信号）、联锁复位按钮、轻事故报警信号输入、灯回路等可以采用单重化配置。这样可以保证在系统出现单点故障或单个模块故障时不会影响到整个系统，并可以在线热更换故障模块，而且以经济的角度考虑也是合算的。

    如果现场的危险能量有可能窜入TRICOM系统，则在信号进入前首先经过接点信号转换器加以隔离，防止损坏模块或干扰系统。

3 TRICON系统的硬件情况

    先简要介绍一下TRICON系统的硬件构成情况，然后再以我公司高密度聚乙烯装置所应用的TRICON系统为例进行详细介绍。

3.1 主处理器模件

    TRICON系统包三个主处理器模件。每个模件控制系统独立的一路，并与其它两个主处理器并行工作。每个主处理器上有一个专用的I/O通讯处理器，用以管理在主处理器和I/O模件间交换数据。一条三重I/O总线位于机架的背板上，机架间通过I/O总线电缆连接。当每个输入模件被询问时，I/O总线的相应一支就把新的输入数据传递给主处理器。输入数据汇成表存入主处理器内，并存入存储器以备用于硬件表决。主处理器内的每一单个输入表同过TRIBUS总线传到相邻近的主处理器。在此传送过程中，完成硬件表决。TRIBUS利用一直接存储器存取可编程装置而对三个主处理器之间的数据进行同步，传送，表决，以及比较。如果发现不一致，信号在两个表中是一致的，则对第三个表进行修正。由于取样时间差异而造成的差别可用不同的数据图样进行限制。每个主处理器把数据的必要修正保持在当地存储器内。任何差异都被标识，并在扫描结束时被TRICON内部故障分析器来判断某一模件是否存在故障。我厂高密度聚乙烯装置采用的主处理器型号为MP3008型。每个处理器都配有一个串行接口，以方便TRICON技术人员对CPU进行诊断分析。

3.2 通讯模件

    通讯模件主要包括以下几种：

    增强型智能通讯模件（EICM）；网络通讯模件（NCM）；安全管理模件（SMM）；高速通道数据接口模件（HIM）；先进的通讯模件（ACM）。这几种模件的主要功能将在下面做详细介绍。

3.3 电源模件

    每个TRICON机架有两个电源模件，以双重冗余方式工作。每个电源能独立承担机架中所有模件的供电，每个电源在机架的背面装有独立的电源导轨。并有内部的诊断电路用以检查电压的输出范围和超温条件。每个模件从背板上获取电源，每个分电路都配有两个独立的电压调制器，分电路短路只能影响这个分电路的电源调制器，而不影响整个电源总路线。我厂应用的电源模件是双冗余的8312型。

3.4 输入、输出模件

    TRICON系统包含以下几种输入、输出模件：数字输入模件；数字输出模件；模拟输入模件；模拟输出模件。在这些卡件的类型中，我厂高密度聚乙烯装置有32点模拟输入卡一块，类型是3700A；有类型为3503E的32点数字输入卡10块，其中一块作为备用。有类型为3664的32点数字输出卡6块，其中一块作为备用。

3.5 端子板

    现场端子板是一块电气的无源电路板，现场布线可以很容易的和该端子板连接。端子板只用以把输入信号从现场传给输入模件，或者把由输出模件产生的信号直接传送给现场布线，因此可以卸掉或更换输入或输出模件现场的线路不发生变动。在我们装置所使用TRICON系统的端子板中，每块板子对应于16点和外界相连接，每点都串接一个保险丝，这样当有大电流串入时保险丝先熔断，起到了保护系统的作用。

4 TRICON的软件系统

    TRICON系统是运行在WINDOWS平台下的的软件开发平台，它为程序的开发提供了三种软件编辑工具，即功能块图（FBD），梯形图（LD），结构化语句（ST），我们公司这套装置正是采用了功能块图进行编程，实现逻辑联锁。这种逻辑编程方法具有图形简单，结构清晰，易查找故障等优点，给工厂的后期维护带来了极大的方便。我厂高密度聚乙烯装置主要是采用功能块进行编程，这方便了维护人员的日常操作。也使新入厂的同志或想学习TRICON系统的有志之士更容易入门。

5 TRICON系统和其它系统间的通讯功能

    TRICON的通讯功能是利用其固有的通讯模件进行的。利用其通讯模件，TRICON可以和MODBUS主机和从机，点对点网络上的其它TRICON，在802.3网络上运行的其它主机，以及Honeywell和Foxboro分布控制系统（DCS）连接。主处理器通过通讯总线向通讯模件传递数据。数据通常在每次扫描刷新一次；旧数据不会保留两次扫描时间。下面分别介绍这两种通讯模件：

    （1）EICM（增强型智能通讯模件）-和外部设备进行RS232和RS422串行通讯，速度最高可到19.2K波特。这个EICM提供四个串行口，通过这些口可以和Modbus主机，从属机，或主从机，或者TriStaion接口连接。模件可提供一个Centronics兼容的并行口。这个通讯模件在我厂高密度聚乙烯装置中得到应用，型号是4119A. 主要是用来和横河DCS进行通讯（所支持的协议是MODBUS），其中通讯的方式是采用冗余进行的，这样就保证了通讯的准确性和快速性。

    （2）NCM（网络通讯模件）-这种模件允许Tricon和其它Tricon通讯，或者通过TCP/IP网络与外部主机进行通讯，速率可达10Mbit、秒。NCM支持一定数量的Triconex协议和应用，也支持用户书写的应用，包括那些采用TCP-IP/UDP-IP协议的应用。型号为4329的模件在我厂高密度聚乙烯装置中得到应用，用途是和上位机进行通讯，以方便日常的维护和技术人员进行逻辑修改和下装。

    （3）安全管理模件（SMM）-该模件用于Tricon控制器和Honeywell网络的通用控制器网络（UCN）的接口，UCN是TDC-3000DCS的三个主要网络中的一个。SMM允许控制网络（UCN）将Tricon 制定为它的一个安全节点，允许Tricon在整个TDC-3000环境内管理过程数据。Tricon用Honeywell操作者所熟悉的显示格式发送数据别名和诊断信息。SMM的利用率取决于Honeywell的用于500版和将来各版的计划。

6 TRICON的SOE功能（事件顺序能力）

    主处理器（#3008型）和通讯模件一起工作，给Tricon系统提供SOE能力。在每次扫描中，主处理器检查指定的被称作事件的离散变量的状态改变。当一事件发生时，主处理器把变量的当时状态和时间标签保存在一个称作缓冲器的存储区域内，缓冲器是SOE一部分。您可以用TRISTAION 1131对SOE块进行组态，用SOE事件记录器可以获得事件数据。SOE的在我厂记录的数据主要是一些重要的工艺参数，像反应器的压力、液位、温度等，一旦这些参数达到联锁值，逻辑将起作用，进行停车或切断进料。同时SOE会将整个过程进行详实的记录，记录准确率可可达毫秒级。