★中國石化儀征化纖有限責任公司牛馳

關鍵詞：PTA裝置；惰氣壓縮機組；TS-3000系統；防喘振控制

惰氣壓縮機組是PTA裝置的重要設備，為其氧化和精制壓濾機，以及產品輸送提供氮氣。一旦惰氣壓縮機組發生停車，將會影響壓濾機的運行，也會影響PTA產品到下游聚酯裝置的輸送。惰氣壓縮機組作為高速動設備，機組的報警、聯鎖點眾多，必須配備一套安全可靠、動作及時的控制系統對機組進行數據采集、自動控制及聯鎖保護。本文介紹的采用Triconex公司三重化冗余的TS-3000系統，就實現了對惰氣壓縮機組的自動控制和聯鎖保護功能。

1　PTA裝置惰氣壓縮機組成及簡介

PTA裝置惰氣壓縮機組結構為電驅式離心壓縮機，主要包括驅動電動機、壓縮機、齒輪箱和潤滑油站。來自外部的惰氣經過入口過濾器后，通過入口導葉進入壓縮機升壓，升壓后的惰氣經過出口冷卻器冷卻后，送往氧化和精制壓濾機及PTA產品輸送管線。機組配置單獨的潤滑油站，為機組提供潤滑。其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 惰氣壓縮機工藝流程圖

2　TS-3000系統簡介TS-3000

系統采用三重冗余（Triple Modular Redundancy，TMR）架構，其主控卡及所有關鍵電路均基于三重化冗余容錯設計，顯著提高了系統的可靠性與安全性。該系統已獲得SIL3安全等級認證，能夠對惰氣壓縮機組的各類工藝參數，如壓力、溫度、流量和振動等進行實時監測與控制，實現包括機組自動啟停、負荷調節、聯鎖保護和防喘振控制等關鍵功能。同時，該系統支持與DCS、SIS等第三方系統進行數據通訊，實現信息集成與遠程監控，為惰氣壓縮機組的安全、穩定和長效運行提供了堅實保障。

TS-3000系統的硬件結構如圖2所示。

圖2 TS-3000系統的硬件結構

輸入模塊接收來自現場的信號，并將其隔離、轉換為三路相互獨立的信號。這三路信號通過三個完全隔離的通道，分別傳送至三塊獨立的主處理器依據三取二表決機制進行處理。表決后的數據通過三條冗余I/O總線傳送至輸出模塊，輸出模塊再次采用三取二表決邏輯確定最終輸出信號，并將其發送至現場執行機構（如調節閥、電機等），從而實現對機組精準、可靠的控制。

3　控制系統配置

3.1　系統硬件配置

PTA裝置中惰氣壓縮機組系統共配置177個I/O點，包括數字量輸入點（Digital Input，DI）68個、數字量輸出點（Digital Output，DO）29個、模擬量輸入點（Analog Input，AI）74個以及模擬量輸出點（Analog Output，AO）6個。在I/O模塊的配置設計中，在滿足實際信號接入需求的基礎上，每類卡件均預留不少于20%的備用通道，切實保障系統在未來擴展、改造或故障應急時具備充分的冗余能力。該設計不僅提高了控制系統的可靠性與靈活性，也符合現代化工裝置對高可用性與維護便利性的要求。具體I/O卡件配置如表1所示。

表1 TS-3000卡件配置表

惰氣壓縮機組控制系統共設1臺工程師站和2臺操作員站。其中工程師站與1臺操作員站安裝于現場機柜間，主要用于設備調試、開停車操作與工程師維護，為現場人員提供便捷的操作接口。另外1臺操作員站放置于中央控制室內，便于中控操作人員監控機組運行狀態、調整工藝參數及響應異常工況。上位機和下位機之間通過冗余光纖網絡相連，確保數據通訊的高可靠性與實時性。

機組控制系統由3面系統柜和1面輔助柜組成，系統柜和擴展機柜之間通過專用數據電纜進行連接。TS-3000系統集成4351通訊模塊，采用ModBus-RTU協議發送機組的重要參數給PTA裝置DCS系統，便于操作人員進行監控。

機組關鍵機械狀態參數，如振動和位移信號，首先接入本特利3500狀態監測系統機架。該機架配備專用通訊模塊，與TS-3000系統的對應通訊模塊建立連接，從而將信號集成至機組整體控制方案中，實現對設備健康狀態的全面監測與聯鎖保護。其具體網絡架構圖如圖3所示。

圖3 TS-3000系統的網絡拓撲圖

3.2　系統軟件配置

TS-3000系統采用TriStation 1131作為組態軟件，它集工程組態、在線調試與離線測試于一體，操作便捷且組態靈活。同時，系統上位機采用Wonderware Intouch軟件作為人機界面。該平臺高度靈活，可根據用戶需求定制工藝流程畫面，并通過高效數據鏈實時顯示下位機參數，為操作員提供了直觀穩定的交互體驗。

惰氣壓縮機機組系統的上位機監控畫面主要劃分為兩大部分：系統管理模塊和機組流程監控模塊。

第一部分為系統管理模塊，主要用于實現系統的綜合配置與信息管理。該部分涵蓋系統權限管理，支持不同角色用戶（如操作員、工程師、管理員）按權限訪問和操作；提供完整的測點清單瀏覽與查詢功能；實時報警與歷史報警監視窗口，幫助運行人員及時掌握異常狀態；多變量實時與歷史趨勢畫面，支持關鍵參數的回溯與分析；系統事件順序記錄（Sequence of Events，SOE）及操作日志查看界面，便于故障排查與運行分析；還包括系統硬件狀態、網絡通信狀態等系統診斷信息的顯示，全面保障控制系統的管理。

第二部分為機組流程圖畫面，集中展示與機組運行相關的各類流程與監控界面。該部分主要包括：工藝氣系統流程圖，直觀呈現氣體流程、設備狀態及主要工藝參數；潤滑油系統畫面，實時顯示油泵、冷卻器、過濾器等設備的運行狀態及油壓、油溫等參數；機械狀態監測界面，集成顯示振動、位移、轉速等機械保護參數；允許啟動條件判斷畫面，列出機組啟機前的各項條件滿足狀態；機組聯鎖邏輯與投切界面，提供聯鎖設定值修改與聯鎖投切等操作功能；以及防喘振控制畫面，實時顯示性能曲線、工作點位置及防喘閥狀態，支持控制模式切換和參數整定。通過這些畫面，操作人員可以全面掌握機組運行狀態，并執行必要的監控與干預操作。

4　機組控制策略

4.1　惰氣壓縮機組啟動策略

惰氣壓縮機組的啟動過程需嚴格遵循操作規程，確保所有啟動條件均達到要求。若其中任一條件未滿足，則嚴禁執行開車操作。具體檢查項包括：

（1）確認機組所有工藝安全聯鎖停車條件均未觸發，系統處于安全狀態；

（2）檢查壓縮機入口導葉（Inlet Guide Vane，IGV）開度是否處于正確設定位置，確保進氣量適中；

（3）確認壓縮機防喘振閥已處于全開狀態，避免機組啟動時發生喘振；

（4）檢查機組潤滑站的油壓是否在規定范圍內，保證潤滑系統正常工作；

（5）檢查機組潤滑站的油溫是否在規定范圍內，避免因油溫過高或過低影響潤滑效果。

在所有上述條件均驗證無誤后，操作人員方可點擊控制畫面上的“開車”按鈕啟動機組。啟動過程中，主電機開始運轉，防喘振閥隨之解除聯鎖并逐步關閉，壓縮機進入加載狀態。最終防喘振閥完全關閉，機組順利完成啟動，進入正常運行模式。

4.2　惰氣壓縮機組安全聯鎖策略

惰氣壓縮機組作為PTA裝置中的關鍵動設備，其結構復雜且精度要求高，因此必須配置完善的聯鎖保護策略，以確保機組本體運行安全、可靠。為避免因單個儀表誤報警引發非計劃停車，系統對關鍵跳車信號采用二取二冗余表決設計，即同一參數由兩個獨立變送器檢測，僅在兩個信號均達到聯鎖值時才觸發停車指令。該設計顯著提高了保護的可靠性，有效防止了誤動作導致的生產中斷，從而避免了因非必要停車造成的經濟損失。具體安全聯鎖策略如下：

（1）惰氣壓縮機電機軸溫聯鎖：為防止惰氣壓縮機電機軸承溫度過高導致軸承及軸瓦損壞，系統在電機軸承端設置了鉑電阻，實時監測軸承溫度。當檢測溫度超過設定的高聯鎖值時，控制系統自動發出跳車信號，實現機組快速安全停機，從而避免設備過熱損壞。

（2）惰氣壓縮機齒輪箱軸溫聯鎖：為保障齒輪箱軸承運行安全，防止因溫度異常升高造成軸承損壞，控制系統同樣在齒輪箱軸承端配置鉑電阻，一旦溫度超過高聯鎖設定值，控制系統將立即發出跳車信號。

（3）惰氣壓縮機振動聯鎖：機組運行過程中，為預防因軸承與軸瓦接觸導致的設備損壞，系統在軸承徑向和軸向分別安裝一對互相垂直的振動探頭，實時監測振動情況。當振動值超過高聯鎖限值時，控制系統輸出跳車信號。

（4）惰氣壓縮機位移聯鎖：為監測軸承軸向位移，防止設備因非正常位移引發機械故障，系統在軸承端面設置位移探頭。當位移量超過高聯鎖值時，立即觸發跳車保護。

（5）惰氣壓縮機潤滑油壓力聯鎖：為確保機組潤滑系統可靠運行，防止因油壓不足導致潤滑失效，進而引發機械磨損甚至火災事故，系統在潤滑油總管上設置三臺壓力變送器，采用三取二表決邏輯進行壓力低低聯鎖保護，一旦檢測到壓力低低信號，系統執行跳車操作。

（6）外部緊急停機信號聯鎖：無論信號來自輔操臺、機柜硬按鈕、上位機軟按鈕，還是DCS系統發出的聯鎖停機指令，機組均會立即執行跳車動作，確保在各類緊急情況下均能實現快速、可靠停車。

以上的聯鎖策略均按故障安全型邏輯設計，即聯鎖信號正常時系統輸出為1，聯鎖信號觸發時輸出為0。所有參與安全聯鎖的信號，均配置順序事件記錄功能，方便操作人員和儀表維護人員對機組故障的原因進行追溯。

4.3　惰氣壓縮機組防喘振控制

喘振現象是離心式壓縮機固有的一種不穩定工況現象，嚴重時會對機組造成顯著損害。防喘振控制的核心目標，是在監測到喘振發生或臨近發生時，依據壓縮機實時運行參數，主要是入口與出口流量、入口溫度以及壓縮比等，動態調節防喘振閥的開度。通過將壓縮機出口的部分氣流回流至進口，從而增大入口流量、降低壓縮比，使運行工況點迅速脫離喘振區，重返穩定工作范圍。該策略可有效抑制喘振帶來的沖擊與振動，最大限度地減輕其對機組的危害。

惰氣壓縮機防喘振閥的控制主要包括以下四種方式：

（1）自動輸出：即常規PID控制模式。當機組工作點位于喘振控制線右側安全區時，防喘振閥依據PID調節器的輸出信號調整開度，實現平穩控制。

（2）性能控制：該方式通常在機組工作點進入喘振控制線左側危險區時啟用。系統將防喘振控制器的PID輸出與壓縮機出口壓力純比例控制輸出進行高選，并取高值信號作用于閥門。若PID控制響應不足，比例控制器將迅速將防喘振閥開至100%，從而快速抑制喘振，保護機組安全。

（3）超壓保護：當壓縮機出口壓力超過設定限值時，防喘振閥會立即增大開度，使工作點向控制線回移，避免喘振發生。

（4）手動控制：該方式允許操作人員手動干預閥門開度，其控制優先級高于自動控制器，通常用于開車階段或臨時調試，便于儀表維護，但不適用于正常生產工況。

PTA裝置惰氣壓縮機組采用的具體控制方式如圖4所示。

圖4 機組防喘振畫面

5　結語

該系統自投入運行以來，表現出了優異的穩定性與可靠性。其人機界面友好，操作便捷，為PTA裝置惰氣壓縮機組安全平穩運行提供了有力保障。該成功案例不僅適用于PTA裝置，也為類似工況的壓縮機控制系統的設計、選型與實施提供了有價值的參考和借鑒。

作者簡介：

牛　馳（1993-），男，江蘇淮安人，工程師，碩士，現就職于中國石化儀征化纖有限責任公司，主要從事儀表管理方面的工作。

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摘自《自動化博覽》2025年12月刊