摘要：三重化冗余機組綜合控制系統，就是所有重要電路都實現三重化或物理三重化并且具備冗余功能，安全等級必須具備TUV 6級或SIL-3級認證。它克服了以往分散控制系統的缺點，把機組的各個控制部分，包括：機組聯鎖ESD、SOE事件順序記錄、機組控制PID(例如：防喘振控制、調速控制等)及常規指示記錄功能，故障診斷功能等完美地結合在一起，集成為一套機組綜合控制系統。由于它的組態及編程功能強大，才使得復雜控制在三重化冗余綜合控制系統中得到成功應用，并在石油、化工、冶金等大型機組綜合控制中得到廣泛應用。
關鍵詞：三重化；冗余；安全等級；機組綜合控制；復雜控制；應用
0、引言
大型機組在生產過程中起到心臟的作用，為此許多廠家對生產裝置大型機組重要性的認識，逐年提高。為避免事故的發生，多數廠家已經采用三重化冗余綜合控制系統。目前在石油、化工、冶金等應用廣泛的大型機組綜合控制系統，有ICS Triplex控制系統TMR、CCC控制系統TMR、Tricon控制系統TMR、Woodward MicroNet™控制系統TMR、GE GMR控制系統等綜合控制系統。機組綜合控制系統包括：機組聯鎖ESD、SOE事件順序記錄、機組控制PID(例如：防喘振控制及調速控制等)及常規指示記錄功能、故障診斷功能，為了讓大家了解，復雜控制在三重化冗余機組綜合控制系統中的成功應用，首先介紹三重化冗余綜合控制系統概念。
1、三重化冗余綜合控制系統概念
三重化模塊冗余-TMR：系統采用三重化技術，就是說：所有重要電路都實現三重化，三重化的每個部分是獨立的，但三個部分的功能又完全相同。三重化電路的輸出信號在成為系統輸出之前，經過一個三取二的表決芯片。當三個電路中有一路發生故障，輸出錯誤信號，經過三取二表決后該錯誤信號被屏蔽掉，系統仍然輸出正確的信號（電壓、電流或開關狀態）。系統不會因為內部故障而對過程產生影響。
冗余：系統能在線更換模塊是三重化技術的必然要求。在線更換必須達到冗余要求，就是在不中斷系統正常運行的條件下，系統自動將發生故障模塊（主），切換到備用模塊，實現冗余功能。控制權交給備用模塊之后，發生故障的模塊可以在線拔出，對故障模塊進行維護。
機組綜合控制系統包括：機組聯鎖ESD、SOE事件順序記錄、機組控制PID(例如：防喘振控制及調速控制等)及常規指示記錄功能、故障診斷功能。
2、安全系統標準
IEC61508 是一個有關工業安全系統的國際標準。它涉及電子、電路以及可編程電子系統，涵蓋硬件和軟件兩個方面。
德國TUV 標準和國際電工委員會IEC 61508 標準的對應關系 
三重化冗余綜合控制系統必須具備TUV 6級或SIL-3級認證，就是說：當系統中出現一個或者多個故障時，系統能正常運行，同時故障模塊能夠在線更換。如果故障超出了系統的容錯能力，則系統將按照預先的設定，轉為失效－安全模式，確保用戶生產裝置和設備的安全。這種設計適用于高可靠性、高可用度以及對系統在線時間要求很高的應用場合，例如：石油、化工、冶金等大型機組綜合控制系統應用場合。
3、常用綜合控制系統比較
價格：
ICS Triplex控制系統最高、CCC控制系統、Woodward MicroNet™控制系統、Tricon控制系統、GE GMR控制系統最低。
SOE時間：
ICS Triplex控制系統為1毫秒，CCC控制系統為一個掃描周期（50毫秒內），Woodward MicroNet™控制系統最快5毫秒，Tricon控制系統為一個掃描周期（50毫秒內），GE GMR控制系統為一個掃描周期（40毫秒內）。
三重化實現：
ICS Triplex控制系統、CCC控制系統、Tricon控制系統為單卡內部實現三重化。Woodward MicroNet™控制系統、GE GMR控制系統為外部硬件實現三重化。
4、復雜控制在三重化機組綜合控制系統應用實例
復雜控制在三重化冗余綜合控制系統中成功應用，實例以Tricon綜合控系統為例。
4.1、鎮海重整C702機組，壓力三分程、防喘振、調速及遞推綜合控制
4.1.1、V701罐壓力PIC7003輸出三分程控制遞推控制
調節器為＂正＂作用
PIC7003調節器輸出0~100%分成三部分
* 0~30%低選分程后控制一段回流閥
將0~30%轉換成0~100%，輸出至手操器HIC－7012，手操器HIC－7012輸出與PIC7005輸出的50~100%轉換成0~100%反向，低選輸出，再與防喘振控制器FIC7012的輸出反向，進行低選后，進行分程放大控制，（50~100%轉換成0~100%）FV7012A、（0~50%轉換成0~100%）FV7012B兩個一段回流閥。
* 30~60%輸出作為C702機組調速外給定
將30~60%轉換成0~100%，輸出經手操器HIC－7020作為C702轉速控制器的串級給定信號，C702轉速控制器既可以壓力串級控制，也可以通過在DCS上進行外給定轉速控制，通過內給定為本地轉速控制，當SIC－C702選擇外給定時，必須選擇是壓力控制還是DCS控制，外給定轉速控制范圍9000～10500 RPM。
*60~100%控制V701放空閥
將60~100%轉換成0~100%輸出，經手操器HIC－7003輸出至V701放空閥PV7003。
注意：
為解決喘振與調速耦合，當進入防喘振控制區時，調速自動轉到手動（在正常運行調速范圍）升速/降速。
4.1.2、防喘振控制
FIC7012防喘振控制 (略)
FIC7013防喘振控制 (略)
4.1.3、遞推控制
當V703壓力，PIC－7006壓力高時，通過控制V702壓力，PIC－7005，使二段回流閥FV7013A、FV7013B開，將能量傳遞到一段，再通過V701壓力，PIC-7003使一段回流閥FV7012A、FV7012B開，將能量傳遞到V701，通過V701放空閥PV7003放空，實現遞推控制。
PIC7005輸出二分程
調節器為＂正＂作用
*0~50%分程放大輸出控制兩個二段回流閥
0~50%轉換成0~100%與PIC7006輸出的50~100%轉換成0~100%反向，低選輸出再與防喘振控制器FIC7013的反向輸出，進行低選后，進行分程放大控制（50~100%轉換成0~100%）FV7013A、（0~50%轉換成0~100%）FV7013B兩個二段回流閥。
*50~100%低選分程后控制一段回流閥
50~100%轉換成0~100%反向輸出與PIC7003輸出的手操器HIC－7012輸出，低選輸出，再與防喘振控制器FIC7012的輸出反向，進行低選后，進行分程放大控制，（50~100%轉換成0~100%）FV7012A、（0~50%轉換成0~100%）FV7012B兩個一段回流閥。
PIC7006輸出二分程
調節器為＂正＂作用
*0~50%控制V704A/B閥PV7006
將0~50%轉換成0~100%控制PV7006閥。
*50~100%分程放大輸出控制兩個二段回流閥
50~100%轉換成0~100%反向后輸出，與PIC7005的0~50%分程放大，低選輸出，再與防喘振控制器FIC7013的反向輸出，進行低選后，進行分程放大控制（50~100%轉換成0~100%）FV7013A、（0~50%轉換成0~100%）FV7013B兩個二段回流閥。
4.2、C702機組調速
4.2.1、啟動條件
1）、首先C702機組聯鎖條件正常（說明：置1正常，置0聯鎖動作）
*、壓縮機低壓缸軸位移高高正常，另外還設有軟切除；
*、壓縮機高壓缸軸位移高高正常，另外還設有軟切除；
*、汽輪機軸位移高高正常，另外還設有軟切除；
*、潤滑油壓力低低正常，并設有軟切除，聯鎖（置0）時，延時2秒鐘后，輸出置0，目的是防止由于擾動可能產生的誤動作，如果置0延時在2秒鐘內，則輸出不置0即保持原輸出不動；
*、汽輪機排汽壓力高正常，并設有軟切除，聯鎖（置0）時，延時2秒鐘后，輸出置0，如果置0延時在2秒鐘內，則輸出不置0即保持原輸出不動；
*、汽輪機就地盤手動停機，正常時置1；
*、V708增壓機液位高高正常，聯鎖（置0）時，延時2秒鐘后，輸出置0，如果置0延時在2秒鐘內，則輸出不置0即保持原輸出不動；
*、V702一段再接觸罐液位高高正常，聯鎖（置0）時，延時2秒鐘后，輸出置0，如果置0延時在2秒鐘內，則輸出不置0即保持原輸出不動；
*、V702二段再接觸罐液位高高正常，聯鎖（置0）時，延時2秒鐘后，輸出置0，如果置0延時在2秒鐘內，則輸出不置0即保持原輸出不動；
*、C702緊急停車，正常時置1；
*、C702調速系統正常停機，正常時置1；
*、C702超速跳閘及聯鎖，正常時置1；
上述條件只要有一項不滿足聯鎖就無法自鎖，調速系統模式iMODE_C702=0，當條件都滿足時，按下C702系統軟復位按鈕gC702RS按鈕時，C702停聯鎖繼電器返回信號dESD_DI04自鎖，使C702停機置1及去TS3000 C702調速系統fC702T置1，iMODE_C702=1，聯鎖系統復位。
2）、C702機組啟動條件正常（說明：滿足條件置1，否則置0）
*、盤車機構電機停置1；
*、防喘振閥全開置1；
*、潤滑油壓力正常置1；
*、潤滑油溫度正常置1；
*、C702停機聯鎖復位fC702T置1；
*、速關閥關置0反向后和速關閥開置1進行“與”操作，目的是檢驗速關閥開關是否有故障。
上述條件都滿足時，C702允許啟動燈亮置1，同時允許啟動置1，去調速系統TS3000，使調速系統運行模式iMODE_C702 =2，進入允許啟動模式。當確認系統正確無誤時，按啟動命令按鈕，硬按鈕或軟按鈕，進入第一暖機目標值1000RPM，iMODE_C702=3，系統在自動模式下，就開始自動按預定的升速曲線開始升速。調節器為＂反＂作用。
4.2.2、啟動過程及控制
按啟動命令前要檢查以下開關狀態：
在HMI調速畫面中，首先檢查調速操作
①、 選擇冷/熱啟動方式
熱啟動時， 第一暖機模式iMODE_C702 =3，倒計時10 分鐘，第二暖機模式iMODE_C702 =4，倒計時間默認20 分鐘，但通過登陸到工段級以上，可以修改倒計時時間，倒計時時間在0～5小時內可任意設定。冷啟動時，第一暖機模式iMODE_C702 =3，倒計時20 分鐘，第二暖機模式iMODE_C702 =4，倒計時間TMR_02_PT_C702默認20 分鐘，但通過登陸到工段級以上，可以修改倒計時時間，倒計時時間在0～5小時內可任意設定。
② 、手動升速/自動升速操作方式選擇
自動方式升速時，按設置的參數進行升速，升速率（1000RPM），正常爬坡速率（600.0RPM），臨界轉速（3000.0～5000.0 RPM），快速爬坡速率（臨界段）（4000.0 RPM）在6300.0 ～10934.0 rpm轉速范圍內任意可調，條件是轉速調節器SIC_C702也在自動模式。手動方式升速時（不建議），按升速/降速命令按鈕(硬按鈕或HMI軟按鈕)，按一下升幾轉，連續按下不放手時，升速速率與自動相同，條件是轉速調節器SIC_C702也在自動模式，SIC_C702調速切換(外給/中控選擇)。
第二暖機模式結束后，自動進入加速升速iMODE_C702 =5在此期間要通過臨界轉速3000.0～5000.0 RPM）到達目標轉速6300.0進入正常運行模式iMODE_C702 =6，此后可以根據調節器給定值來調節C702機組轉速，范圍為6300.0 ～10934.0 rpm。
在自動升速時，按照升速曲線運行（見升速曲線）
iMODE_C702表示C702機組在升速過程中的各個狀態：
iMODE_C702 0： 停機
iMODE_C702 1： 系統復位
iMODE_C702 2： 允許啟動
iMODE_C702 3： 暖機1到計時
iMODE_C702 4： 暖機2到計時
iMODE_C702 5： 加速升速
iMODE_C702 6： 正常運行
iMODE_C702 7： 正常停車
iMODE_C702 8： 超速試驗
4.2.3、超速試驗
首先選擇超速試驗選擇開關（有工段級以上權限），選擇現場/中控室啟動超速試驗，只有在iMODE_C702 =0時（停機），超速試驗按鈕才起作用，按超速試驗按鈕，畫面用閃爍提示超速試驗狀態。其余與升速過程相同，進入超速試驗iMODE_C702 置8，到達跳閘置時，發出聯鎖跳閘指令置1，iMODE_C702 置0，
4.2.4、正常停急
需在運行模式下iMODE_C702 置6，在HMI調速畫面上，按正常停機按鈕（有工段級以上權限）置1，iMODE_C702 置7進入正常停機模式，目標轉速1000RPM，等到測量轉速降到等于1010RPM時，倒計時2分鐘后，自動停機，iMODE_C702 置0。
4.2.5、外給定/中控室調節選擇
外給定分為DCS給定和PIC7003三分程控制輸出PY7003的30～60%放大到0～100%后，轉換成9000～10500RPM經手操器輸出作為調速器外給定，選擇DCS給定或PIC7003給定，由DCS/壓力選擇開關決定。
注意：
C702在升速過程中，無論在手動還是自動操作模式時，通過臨界區時，均強制自動操作通過，待通過臨界區后恢復正常升速。
汽輪機單機超速試驗時，注意：只有在停機時，按超速試驗按鈕，否則不可以超速試驗。超速試驗時，分電子超速和機械超速試驗，在電子超速狀態下，不能做機械超速，因為電子超速的量程范圍被限制，只有在機械超速試驗狀態下，才可以機械超速試驗（量程范圍被擴大）。當正常運行時，操作員誤操作，沒有將機械超速選擇開關轉到電子超速，程序默認電子超速。
4.3、揚子重油催化煙機，再生器壓力三分程
4.3.1、再生器壓力PIC1三分程放大控制輸出
調節器為＂正＂作用
PIC1調節器輸出0~100%分成三部分
每一部分三分程輸出都設有手操器
*0~30%低選分程后控制煙機入口蝶閥
將0~30%轉換成0~100%，輸出至手操器HIC1，手操器HIC1輸出與轉速SIC401（反作用）輸出及煙機出口溫度控制TIC52（反作用）輸出，輸出低選，如果轉速大于7000.0rpm或裝置聯鎖置0，機組煙機入口蝶閥產生部分關閉指令10%（開10%），使HIC4輸出等于10。另外轉速在此有自動跟蹤功能。部分關閉復位，用HIC1手操器，手動/自動切換置“手動”，使部分關閉復位。
*30~60%輸出控制小旁路控制閥
將30~60%轉換成0~100%，輸出經手操器HIC3輸出到小旁路閥，輸出值顯示，反向后輸出到閥vIP12B。
*60~100%輸出控制大旁路控制閥
將30~60%轉換成0~100%，輸出經手操器HIC2輸出到大旁路閥，輸出值顯示，反向后輸出到閥vIP12A。
5、結束語
通過上述復雜控制在三重化冗余綜合控制系統中成功應用實例的描述，三重化冗余機組綜合控制系統，ICS Triplex控制系統TMR、CCC控制系統TMR、Tricon控制系統TMR、Woodward MicroNet™控制系統TMR、GE GMR控制系統，都可以較好地在大型機組中，完成各種控制功能和聯鎖功能，克服了以往分散控制系統的缺點，把機組的各個控制部分，包括：常規調節及指示記錄、調速控制、防喘振控制、事件順序紀錄（SOE）功能、故障診斷功能及機組的緊急停車聯鎖等完美地結合在一起，集成為一套機組綜合控制系統，實現機組復雜綜合控制最優化。
至于用戶選擇哪種三重化冗余機組綜合控制系統（TMR），這就需要用戶根據自己對各種TMR系統的認識程度決定，各種TMR系統都有它自身獨特的優點。天津市協力自動化工程有限公司是專門從事工業安全自動化系統集成商，可以幫助您選擇最適合您的一種方案，E-mail：tjjiangyue@163.com。
由于三重化冗余機組綜合控制系統組態簡單方便，組態及編程功能強大，可以實現復雜控制，安全可靠，維護方便，在大型機組中應用得到各方人事的一致認可，現廣泛應用于煉油、化工、冶金等企業中。
