基于S7-414H冗余系统的四合一机组保护策略

基于S7-414H冗余系统的四合一机组保护策略
娄剑锋;杨鹏燕;王华强;彭洪斌
【摘要】以某化工企业四合一机组自控系统为例，介绍了以西门子S7-414 H为核心的冗余控制系统，在硝酸四合一生产过程控制中的应用。

重点介绍了四合一机组的系统硬件配置和机组控制中所采取的保护策略。

%Take the automatic control system of four-in-one unit in one factory as an example, the paper introduces the application of Siemens S7-414 H system who acts as a high reliability and stability control system in the nitric four-in-one control processes. Mainly describes the hardware configuration and the important protection strategies have taken in the control system.
【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》
【年(卷),期】2014(000)004
【总页数】4页(P26-28,53)
【关键词】西门子S7-414 H冗余系统;硝酸四合一机组;保护策略
【作者】娄剑锋;杨鹏燕;王华强;彭洪斌
【作者单位】西安陕鼓动力股份有限公司自动化工程部，西安710075;西安陕鼓动力股份有限公司自动化工程部，西安710075;西安陕鼓动力股份有限公司自动化工程部，西安710075;西安陕鼓动力股份有限公司自动化工程部，西安710075
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
0 引言
四合一机组作为硝酸生产工艺的核心设备，对控制系统的要求非常高。

西门子S7
－414H系列冗余控制系统以其在操作、控制算法、效率和精度等各个方面所具有的优势，迅速占领了工业生产中的各个领域，尤其是在动力透平旋转机械的控制中，占有不可或缺的位置。

该系统通过两个中央处理器模块实现功能性冗余，在主系统故障的情况下，能自动实现主从之间的无扰动切换，从而大大地提高了系统的可靠性和稳定性。

该文以某化工企业硝酸四合一机组自控系统为例，对硝酸四合一机组的控制方案，尤其是对机组的保护策略进行了详细介绍，为今后的工程应用提供依据。

1 系统概述
硝酸四合一机组由汽轮机、NOX压缩机、空气压缩机、尾气透平膨胀机以及配套
辅机等组成。

其中，空气压缩机、NOX压缩机为耗功设备，尾气透平膨胀机和汽
轮机为原动机［1］。

为确保整个生产工艺的稳定、有序运行，该方案采用DCS
集散控制系统和PLC可编程逻辑控制系统2套相对独立的子系统共同完成对整个
四合一生产流程的控制。

其中，DCS系统主要用于硝酸装置部分的工艺参数调节;PLC控制系统则实现对整个机组的过程联锁保护。

两者之间通过Modbus通信或硬接线方式进行信号和数据传递。

与以往不同的是，该套四合一机组的控制方案中，采用PLC代替了价格昂贵的传统硝酸控制系统，在满足生产需求的前提下，
为用户降低了成本。

2 系统硬件构成
控制系统的中央控制单元采用西门子S7－414H控制器，该控制器可提供3种数
据通信接口:多点通信接口(MPI)、现场总线(Profibus DP)和工业以太网(Industrial
Ethernet)。

其中，工业以太网通信速率最快，因此，方案中采用Industrial Ethernet方式实现与上位机的冗余通信;中央控制主站与分布式I/O从站之间则采用冗余Profibus－DP总线连接。

控制系统硬件配置及网络结构如图1所示。

中央控制机架分别包含1块电源模块、1块CPU模块和1块以太网通信模块。

正常工作时，冗余控制器为一主一备的状态，两控制器之间通过光纤进行数据同步。

主控单元与上位机之间通过2台交换机构成双冗余以太网通信链路。

链路内部任
一点损坏都不影响系统的正常工作和数据传输，保证了系统的安全、可靠。

另外，系统还配置了2个ET200M分布式I/O从站，每个从站包括2个IM153－2接口模块和若干个I/O模块。

用于现场数据的采集和处理。

主CPU与ET200从站间通过Profibus－DP总线进行冗余数据交换。

3 工艺流程及机组保护策略
硝酸的生产工艺包括NH3氧化、NO氧化及NO2吸收3个阶段。

主要流程为:空气压缩机所压缩的空气与氨混合后进入氧化炉，进行氧化反应，生成的氨氧化合物混合气经废热锅炉进行热交换，然后进行速冷，温度降至60℃，经脱水后进入NOX压缩机，经过压缩的气体进入吸收塔，制成硝酸，从塔顶逸出的尾气经预热、过热后进入膨胀机做功和回收能量，尾气做功后经烟囱排入大气。

该项目中，四合一机组控制方案的保护策略主要分为机组启动保护、机组停车保护、工艺停车保护和机组防喘振保护4大部分［2］。

3.1 机组启动保护系统
机组的启动必须在润滑油、调节油、空气压缩机导叶角度、各种阀门及辅助设备等全部具备启动条件之后才可以进行。

然后，汽轮机主汽门速关阀允许解锁，启机的其他各项操作准备就绪，之后方可进行启机操作。

需要注意的是:为保证启动安全
进行，需要人为干预启动过程，即通过点击操作画面上的速关阀解锁按钮进行速关
阀解锁。

之后，由现场操作人员完成机组启动。

如图2所示。

在机组启动保护系统中，除了单机组常规保护措施之外，尾气透平装置启动前应保证其导叶角度处于适当开度，尾气透平进气阀关闭，排气阀打开。

当汽轮机拖动机组达到工作转速，工艺系统启动完成且自产蒸汽满足使用要求之后，逐渐打开尾透进气阀，关闭尾透排气阀，利用自产蒸汽带动机组运行，以达到节能减排的目的。

3.2 机组停车保护系统
机组停车保护以多种停机条件为判断依据，若任意一个条件满足，则判断事故停车。

为确保系统安全，所有输出动作均采用安全保护型接线方式，且输入信号均采用三取二表决方式进行条件判断，如图3所示。

其中，工艺停机条件满足时，四合一机组也需要停机。

但是，工艺停车后短时间内，若机组无其他故障，则必须保持正常运转一定时间。

否则工艺停车进行切氨操作后，氧化炉内剩余氨气无法及时排出，破坏氨空比，易发生爆炸，并且还会影响到工艺管道内压力平衡，引发其他事故。

故在此采用继电器延时接通方式实现该保护功能，保证工艺紧急停车情况发生时，若机组无其他故障仍正常运行一段时间后自动停车。

具体实现方式及时序如图4所示。

3.3 工艺停车保护系统
与机组停机保护系统类似，工艺停车保护系统也由多种停机条件作为判断依据，任一条件满足则判断为工艺停机，如图5所示。

工艺停车保护系统的停机动作较为复杂，下面对停机条件满足时液氨蒸发器和漂白塔及吸收塔的液位调节阀的动作情况进行简单介绍。

1)液氨蒸发器液位调节阀
工艺系统中存在两级液氨蒸发器。

液氨经过调节阀LZSL－2101进入蒸发器A，
无法完全蒸发的液氨由蒸发器E103A，经过调节阀LZSL－2104进入蒸发器
E103B。

在2个调节阀上分别安装快切速关阀LV101、LV104，当发生工艺停车
时仅仅允许切断LV101供电，使 LZSL－2101阀门关闭。

若LV101和LV104两
阀同时关闭则造成蒸发器E103A内液氨无法排出，形成安全隐患。

如图6所示。

因此，当“工艺联锁停机”条件满足时，LV101快切速关阀关闭，LV104快切速
关阀不可以自动关闭;而液氨蒸发器液位高时，LV101和LV104均自动关闭。

2)漂白塔及吸收塔液位调节阀控制
调节阀LZSL－2120、LZSL－2123保证了吸收塔及漂白塔的液位稳定和正常工作，若在工艺管道压力及介质比例仍不稳定或不达标时开始调节，很可能造成设备内液体溢出而发生故障。

控制流程如图7所示。

为避免上述情况的发生，当工艺联锁停车指令发出时，电磁阀LV120、LV123闭
锁指令发出，调节阀门强制关闭，且停机发生后的一段时间内，必须确保电磁阀
LV120、LV123处于闭锁状态。

只有当复位按钮和闭锁指令同时有效时，方可解
锁电磁阀，调节阀开始工作。

实现方式和时序如图8所示。

3.4 机组防喘振保护
机组防喘振保护分为空气压缩机防喘振保护和NOX压缩机防喘振保护两部分。

其中，空压机防喘振保护系统通过防喘振调节线和工况点的实时监控和比较进行判断。

防喘振线以下为安全区域;防喘振线以上为危险区域;因此，当随着机组的运行，工
况点接近防喘振曲线时，为确保机组安全，需要及时采取措施，将防喘振阀打开一
定角度，防止进入机组喘振状态。

如图9所示。

与空气压缩机不同，NOX压缩机则采用在排气管外引一个储压罐，通过实时监测储压罐前端管道差压的方法判断是否应该进行喘振调节。

总之，因为在四合一机组工艺管道中充斥着氨气、NOX气体等有害气体，且工艺对氨空比等参数要求非常严格，故不存在防喘阀调节动作，仅存在放空过程，并且机组放空的同时必须停机。

4 结语
该文结合硝酸四合一生产工艺的实际需求，提出了针对机组的各项保护措施和控制方案，确保了机组的安全运行。

该项目自投运至今，整个系统工作稳定、可靠，为企业创造了效益。

实践证明:基于西门子S7－414H冗余控制系统的机组控制方案和保护策略，不仅能够保证整个四合一机组的高效、可靠运行，而且大幅度地降低了成本，是一种切实可行的解决方案，必将具有广阔的市场前景。

参考文献:
［1］徐志伟.双加压硝酸“四合一”机组安装调试及运行经验［J］.科技传播，2010(12):116.
［2］周聪勇，马德洁.硝酸四合一机组的设计与应用［J］.风机技术，2000(4):21.。