数据通讯大型压缩机组监控系统中的应用

潘大龙，刘映岐，贾成琪

（中国石油大庆石化公司炼油厂，黑龙江大庆163711）

大型压缩机组是炼油厂生产装置中的核心设备，运行时一旦出现故障将导致机组或装置非计划停机、停工，伴随而来的经济损失和环境影响巨大。压缩机组都是在高温、高压、高速的状态下长周期运行，大型关键压缩机组的运行状态直接关系到整个生产装置的安全生产和经济效益。为保证大型关键压缩机组的平稳运行，机组的运行监控操作系统尤其重要。

1 机组监控系统

大型机组监控系统通常采用ITCC/ESD（机组综合控制/紧急停车）系统、轴系状态监测系统实现对大机组的运行监视控制、联锁保护。ITCC/ESD系统采用的控制系统，如TRICONEX 公司的TS3000 系统（简称TS3000 系统），主要用于机组的温度、压力、转速等运行参数的显示报警监控［1］。实现机组的防喘振控制、蒸汽轮机的转速控制、性能控制、PID 控制等功能，实现机组的自保联锁逻辑控制。

轴系状态监测系统采用本特利公司的3500系统（简称3500 系统），能够通过采用不同类型的传感器对机组的轴位移、轴振动、转速、温度等参数进行连续、实时的监测，并根据设定好的报警、保护值进行联锁逻辑输出［2］。各运行参数、状态信号通过3500 系统进行采集、数据处理。为了监测到机组本体的主要参数（如振动、轴位移、键相等），随时掌握机组运行状态，需要实现3500 系统与ITCC/ESD 系统之间的通信，将相关参数显示在操作站上。当轴系信号超限判断及机组保护联锁动作时，实现机组的可靠监测及联锁保护功能［3］。

2 数据通讯的连接方式

该炼油厂的大机组监控系统中，TS3000 系统与3500系统间的信号连接方式有3种：（1）全模拟量方式；（2）模拟量显示、离散量联锁结合的方式；（3）数字通讯显示、离散量联锁结合的方式。

3 种连接方式在装置中可实现差异化定制［4］。但在实际应用中，发现单链路RS485通讯稳定性较差，易发生系统之间的数据中断。根据实际应用作者结合数字通讯显示、离散量联锁结合的方式提出1 种单链路RS485 通讯的改进方案。通过改进设计，实现了RS485 的冗余通讯，提高了机组通讯的可靠性，满足机组各种复杂工况、长时间运行的要求。

2.1 全模拟量方式

全模拟量方式采用硬线连接全模拟量方式进行信号的传递，全模拟量连接方式见图1。

图1 全模拟量连接方式

以加氢裂化装置为例，3500 系统卡件硬件配置为7块位移振动监测卡，1块键相卡、用于监视循氢机、新氢机。3500 系统由40 卡件采集现场涡流探头和前置放大器传来的大机组轴系状态（位移、振动）信号，通过带4～20 mA 模拟信号输出功能，将经过40 卡件进行信号处理后的位移、振动信号转换为模拟信号输出，由TS3000 系统侧采用模拟输入模件接收4～20 mA 模拟信号，经过信号处理，转换成相应的轴位移、轴振动信号，传到操作站上进行显示。

轴位移、轴振动等联锁保护都是在TS3000 系统内经过信号转换，逻辑判断运算等实现，当监测的信号达到联锁动作值后，按照联锁逻辑进行相关的动作，实现机组的监控联锁，保证机组设备安全。此方案的优点是简单方便，可靠直观，容易实现，缺点是可显示的监测信息少，整个信号处理过程经过多次数模、模数转换后精度下降及运算处理速度慢，机组保护动作周期长，TS3000 需要的模拟卡件多、成本高。

2.2 模拟量显示、离散量联锁结合

模拟量显示、离散量联锁是1 种改进方案，模拟量和离散量结合方式见图2。

图2 模拟量和离散量结合方式

为了提高联锁响应速度，在3500 系统相应的各卡件中设置轴位移，轴振动等联锁值，并在3500继电器输出卡中组态与、或逻辑进行表决判断。当轴位移、轴振动值达到联锁保护值时，继电器卡输出干接点信号，送至TS3000 系统数字量输入模件中，由TS3000系统来执行相应的联锁保护动作，而模拟量显示与第1 种方案相同，由硬线连接到TS3000 模拟量输入模件上在操作站显示。该方案优点是逻辑动作响应速度快，缺点是在监测信息量一定时卡件数量较多、成本较高。

2.3 数字通讯显示、离散量联锁结合

数字通讯显示、离散量联锁结合方式是利用MODBUS 通讯实现轴位移、轴振动、机组转速等实时数据采集处理［5］。通过RS485 通讯，将需要显示的实时数据信息都传输到TS3000系统中。当轴位移，轴振动等超过联锁保护限值后,在3500 系统里进行动作条件逻辑判断,当达到联锁值时，通过3500 继电器输出，送到TS3000 系统的数字量输入模件中，由TS3000系统执行相应的联锁保护动作。此方式能够显示所有3500系统的信息，例如卡件、通道及机架的工作状态、间隙电压等，可通过组态灵活选用需要显示的内容，便于发现系统问题及维护。此方式保护逻辑动作响应速度快，减少了对TS3000 模拟量输入卡件的需求，降低成本的同时提高了信息显示量，是目前比较常用的方式，见图3。

图3 通讯显示、离散量联锁结合方式

2.4 单链路RS485通讯的改进方案

在生产运行中发现应用数字通讯显示、离散量联锁结合的方式所连接的3500 系统与TS3000系统之间通讯多次出现数据中断。操作站显示全部失灵，短时间内对机组状态失去监控。现场发现3500 系统与ITCC 系统仅通过1 根485 电缆实现单链路RS485通讯，当电缆插头、线缆接触不好、通讯卡件RS485 接口出现故障或存在其他外界干扰时通讯链路就会出现问题，造成数据中断的故障。

尝试改进时，利用TCM 卡的端口进行软件组态实现冗余通讯。TS3000 系统的每块TCM 卡有1个以太网通讯口、4个RS485/422通讯口，实际上所使用的TS3000 系统是采用2块TCM 通讯卡进行冗余配置的，以此来实现上位操作站与控制站之间以太网的冗余通讯。3500系统的通讯卡件92卡也提供2个RS422/485通讯接口，并能同时读取数据，支持RS485 冗余通讯。现场的在用系统卡件具备实现冗余通讯功能的基础条件，只要增加1条通讯电缆，即可实现硬件上的冗余连接。同时在TS3000 系统、3500 系统中进行相应的软件组态设置，便能够实现RS485冗余通讯。

使用冗余通讯链路方式的同时，在TS3000 系统组态中增加通讯状态判断程序,系统不断对通讯端口状态进行检测,当系统检测到通讯块数据读取出现异常时，对2 个端口进行切换检测，直到数据读取恢复正常后，停止切换并停留在当前的通讯口进行工作。当系统检测到当前使用的通讯口故障时，则自动切换到另1 条通讯链路上，以确保通讯正常。同时，在系统内组态通讯检测报警功能，当通讯链路出现数据中断时，控制系统在操作员站发出故障报警，第一时间内提示操作人员通讯出现故障，使故障能够得到及时处理。

改进方案中增加1 条RS485 专用通讯电缆，对需要的参数调整设置进行离线组态，对ITCC 系统逻辑程序组态修改，增加了冗余MODBUS 线路自动判断切换逻辑，进行了离线程序试验。

检修后经通讯测试，完全实现冗余通讯，经长时间观察装置未出现数据中断的问题。测试成功后又将此方案应用于二重催装置。二重催装置有3 套大机组，大机组的3 取2 超速保护系统放在了3500 中增加了机架的数量，由于ITCC 系统同时需要与DCS 进行RS485 通讯，将数据传输到DCS 系统，导致ITCC的通讯接口不足。

为解决该问题，提出了利用RS485一对多站通讯功能将3套3500系统的RS485总线串接，采用菊花链的方式通讯。经过改进，最终通过冗余的RS485 总线连接到 ITCC 系统，一对冗余 RS485 总线串接3 套3500 系统，实现了一对三的通讯，数据通讯正常。改进后的冗余通讯显示、离散量联锁结合见图4。

图4 改进后的冗余通讯显示、离散量联锁结合

3 系统联网组态

首先解决组态编程口通讯连接问题，原有系统组态编程接口采用的是RS232通讯方式，通讯距离最远30米，不具备远程连接和联网的条件，只能用编程组态笔记本电脑在机柜附近连接，同时需要笔记本带有RS232接口，而目前的笔记本都没有RS232 接口。通过查阅资料得知新型号的3500 系统可以选用以太网组态接口，在二重催自控系统改造更新设计的采购阶段提出改进建议，选用配带有以太网接口的3500系统卡件实现远程连接。

采用以太网的通讯方式，通过网线将3500 系统的RIM 卡件与ITCC 系统的网络交换机连接上，使3500 系统与ITCC 工程师站处于同一局域网内，能够通过网络访问3500 系统，现场机柜间的ITCC系统的网络交换机与中控室的网络交换机通过光纤连接，这样就实现了以太网物理上的连接。

将3500 系统组态软件安装到中控室ITCC 工程师站或机柜间的辅助工程师站，通过设置对应3500 系统IP 等参数，实现在中控室ITCC 工程师站或辅助工程师站上对3500 系统进行组态、报警查看以及事件记录导出等操作。

4 结束语

利用Modbus 协议对重要机组的3500 系统进行数据通讯的进行改进，改进优化后的通讯运行可靠，数据准确。该炼油厂中4 套大机组运转24个月后，未发生因机组状态监测数据中断故障，实现了机组的状态监测无中断，保障了整个装置的安全、长周期运行。