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MTP裝置烴壓縮機安全繼電器的控制策略優(yōu)化

文檔作者：李文蘭向軍張冰張新民文檔來源：神華寧夏煤業(yè)集團烯烴一分公司		點擊數：	更新時間： 2021年01月05日
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MTP 裝置烴壓縮機安全繼電器的
控制策略優(yōu)化①
李 文 蘭向軍 張 冰 張新民
（神華寧夏煤業(yè)集團烯烴一分公司）
摘 要 針對MTP 裝置烴壓縮機安全繼電器存在的輸入回路接線復雜、端子松動、控制程序邏輯不完
備和高頻誤動作問題，提出安全繼電器硬件控制回路與邏輯優(yōu)化、軟件控制邏輯優(yōu)化策略。優(yōu)化改造
后，降低了安全繼電器誤動作的頻率。
關鍵詞 烴壓縮機 MTP 裝置 安全繼電器 硬件回路接線 軟件邏輯優(yōu)化
中圖分類號 TH４５ 文獻標識碼 B 文章編號 １０００-３９３２（２０１７）１０-０９８８-０４
神華寧夏煤業(yè)集團烯烴一分公司年產５０ 萬
噸煤基烯烴項目甲醇制丙烯裝置（簡稱MTP 裝
置［１］ ）采用德國魯奇技術，是世界上第１ 套工業(yè)
化應用的煤基烯烴裝置，于２０１０ 年８ 月建成并投
產［２］ 。全裝置有兩臺透平壓縮機和６ 臺成套小壓
縮機。其中烴和丙烯透平壓縮機是MTP 裝置的
“心臟”，任意一臺壓縮機停機都會導致全裝置停
車，并造成物料回流打循環(huán)和放火炬。
1 項目背景與改造目的
MTP 裝置自開車至今，烴壓縮機PilZ 安全繼
電器發(fā)生兩次故障。同時由于安全繼電器故障信
號６０４XS５１２６A／B 參與壓縮機停機聯(lián)鎖，而聯(lián)鎖
觸發(fā)的結果是防喘振閥電磁閥失電、閥門打開，速
關油電磁閥關閉，最終導致烴壓縮機跳車。因此，
對聯(lián)鎖信號參與安全繼電器回路的控制策略進行
優(yōu)化改造，以確保不因安全繼電器故障而影響烴
壓縮機長周期安全穩(wěn)定運行是十分必要的。
2 PilZ 安全繼電器工作原理與回路接線
PilZ 安全繼電器是一款多功能、可自由配置
的模塊化安全系統(tǒng)，由一個基礎模塊和若干個擴
展模塊組成［３］ ，具有冗余雙通道輸入、輸出功能。
它配置了具有隔離和增加輔助接點功能的繼電器
模塊（由幾個繼電器與電路組合而成），目的是互
補彼此的異常缺陷，降低誤動作率。
2．1 工作原理
安全繼電器通常由鐵芯、線圈、銜鐵和觸點彈
簧片組成。當在線圈兩端施加一定的電壓時，線
圈就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵
就會在電磁吸引力的作用下克服彈簧的拉力吸向
鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸
點）吸合。當線圈斷電后，電磁吸引力隨之消失，
銜鐵就會在彈簧的反作用力下返回原來的位置，
使動觸點與靜觸點斷開。如此吸合與釋放，從而
達到導通與切斷的目的。
2．2 引腳功能與回路接線
安全繼電器（圖１）由主功能模塊SR 和擴展
功能模塊EX 兩部分組成：SR 模塊集聯(lián)鎖信號輸
入、被控對象信號輸出與復位功能于一體；EX 模
塊具有單雙通道輸入、多信號輸出控制功能。
當安全繼電器處于運行準備狀態(tài)時，安全觸
點閉合，電源Power 燈綠色表示電源供電正常，通
道１、通道２ 的指示燈綠色表示安全輸入回路正
常，輔助觸點４１-４２ 斷開。如果輸入回路斷開，則
安全輸出觸點１３-１４、２３-２４、３３-３４ 也斷開，輔助觸
點４１-４２ 閉合，狀態(tài)指示燈熄滅。
安全繼電器有３ 種輸入回路接線方式：
a．單通道輸入。S２１-S２２ 短接，將急停按鈕
常閉觸點連接至S１１-S１２。
b．雙通道輸入，無短路檢測。短接S２１-S２２，
９８８ 化 工 自 動 化 及 儀 表 第４４ 卷
① 作者簡介：李文（１９８５-），工程師，從事壓縮機及其控制系統(tǒng)的研究，liwen２１９＠１２６．com。萬方數據
將急停按鈕的常閉觸點連接至S１１-S１２ 和S１１-
S３２。
c．雙通道輸入，有短路檢測。短接S１１-S１２，將
急停按鈕的常閉觸點連接至S２１-S２２ 和S３１-S３２。
圖１ 安全繼電器結構示意圖
安全繼電器主副模塊各引腳端子的含義見表１。
表１ 安全繼電器主副模塊各引腳端子含義
引腳端子含義
A１-A２ 供電端子，電源電壓 ２２０V（AC）、１１０V（AC） S１１-S１２ 繼電器安全輸入通道 １（常閉觸點 NC） S２１-S２２ 繼電器安全輸入通道 ２（常閉觸點 NC） １３-１４ 繼電器控制信號輸出接點 １（常開觸點 NO） ２３-２４ 繼電器控制信號輸出接點 ２（常開觸點 NO） ３３-３４ 繼電器控制信號輸出接點 ３（常開觸點 NO） ４１-４２ 繼電器輔助輸出接點 １（常閉觸點 NC） S３４ 復位信號接點，用于激活繼電器，使各狀態(tài)指示燈
再次點亮、安全觸點閉合
3 PilZ 安全繼電器硬件控制回路與邏輯優(yōu)化
3．1 硬件控制回路分析
安全繼電器原設計輸入控制回路框圖如圖２
所示。MTP 裝置急停信號功能由兩塊冗余安全
繼電器實現，即主功能模塊SR０１、SR０２ 采用雙通
道輸入法串接三重化數字輸入急停信號：操作盤
急停按鈕信號、輔操臺急停信號和機柜間急停信
號串接到一入兩出安全繼電器，其中一組直接經
Triconex 數字輸入卡參與ITCC 三取二邏輯實現
聯(lián)鎖停車，另一組接到安全繼電器第１ 通道S１１-
S１２；本特利振動信號、超速保護信號與ITCC 跳車
信號串接后，一組直接參與ITCC 三取二邏輯實現
聯(lián)鎖停車，另一組接到安全繼電器第２ 通道S２１-
S２２，由兩組安全繼電器實現硬件冗余聯(lián)鎖跳車功
能。安全繼電器主功能模塊SR０１、SR０２ 輸出的
常開觸點１３-１４、２３-２４、３３-３４ 控制６ 臺速關油電
磁閥，擴展模塊EX０１、EX０２ 輸出的常開觸點１３-
１４、２３-２４、３３-３４ 控制３ 臺防喘振閥的６ 個電磁
閥，安全繼電器單故障信號參與ITCC 聯(lián)鎖停車邏
輯。
圖２ 安全繼電器原設計輸入控制回路框圖
由圖２ 可知，本設計主要缺陷是：急停信號硬
件串接接線復雜，存在接線端子松動、虛接和誤接
的隱患，任意一個急停信號故障都會引起壓縮機
停機；安全繼電器故障信號是單點聯(lián)鎖，任意一個
繼電器故障都會觸發(fā)聯(lián)鎖誤動作停機。為此，將
安全繼電器輸入的各停車信號硬件聯(lián)鎖功能轉化
為由ITCC 軟件邏輯組態(tài)聯(lián)鎖實現停機，以有效降
低壓縮機誤停機的風險。
第１０ 期 李 文等．MTP 裝置烴壓縮機安全繼電器的控制策略優(yōu)化 ９８９
萬方數據
3．2 邏輯優(yōu)化
在符合工程應用的前提下，以安全穩(wěn)定運行
為優(yōu)化目標，設計一套以軟件程序組態(tài)為主、硬件
連接為輔的安全繼電器輸入控制回路（圖３），徹
底規(guī)避因安全繼電器故障單點聯(lián)鎖或硬件多級串
接接線松動而導致的壓縮機誤停機。
圖３ 優(yōu)化后的安全繼電器輸入控制回路框圖
將各急停按鈕直接輸入至安全繼電器的信號
取消，在ITCC 程序中優(yōu)化急停信號三取二的控制
邏輯。安全繼電器的輸入端僅保留ITCC 聯(lián)鎖邏
輯停機的４ 組信號（A、B、C、D），A、C 兩組信號分
布在同一DO 卡并連接至SR０１ 的第２ 通道S２１-
S２２，B、D 兩組信號分布在同一DO 卡并連接至
SR０２ 的第２ 通道S２１-S２２，將SR０１、SR０２ 的空通
道S１１-S１２ 短接，輸出通道接線保持不變。同時，
在ITCC 組態(tài)中將兩個繼電器故障信號做二取二
聯(lián)鎖邏輯。
4 PilZ 安全繼電器軟件控制邏輯優(yōu)化
MTP 裝置烴壓縮機的ITCC 控制采用三重化
冗余結構，易于組態(tài)，且性能安全穩(wěn)定的TRICON
控制器。Tristation １１３１ 支持３ 種遵循IEC １１３１-３
標準的編程語言：功能塊語言、梯形圖語言和結構
文本語言。筆者采用功能塊語言編程實現聯(lián)鎖邏
輯表決功能，繼電器輸入信號表決邏輯如圖４ 所
示。在ITCC 程序中分別對三重化信號（急停按
鈕、速度、振動）進行三取二表決，即A、B、C３ 個信
號兩兩相或運算后再進行與邏輯運算，最后再對
現場急停６０４HS５６０２、MTP 機柜間急停
６０４ES５６０３、中控輔操臺急停６０４XS６０４１５、本特利
超速保護６０４SXHH５６０２ 和振動６０４VSHH５１００ 這
５ 組信號進行與邏輯運算，運算結果為０ 時觸發(fā)
聯(lián)鎖，同時結果經A、B、C、D４ 個通道輸出至安全
繼電器主模塊SR０１、SR０２ 的第２ 通道。
圖４ 繼電器輸入信號表決邏輯
另外，在ITCC 監(jiān)控畫面醒目位置為安全繼電
器運行狀態(tài)設置報警指示，操作人員可以通過顯
示器監(jiān)控安全繼電器的運行狀況，當繼電器運行
過程中出現故障或接線松動時，監(jiān)控畫面會出現
報警閃爍，提醒操作人員及時采取措施排除故障，
保證裝置穩(wěn)定運行。
5 應用效果
基于上述分析，在MTP 裝置大檢修期間對烴
壓縮機安全繼電器硬件回路接線和軟件控制邏輯
進行了改造與優(yōu)化。優(yōu)化后，裝置運行至今未發(fā)
生由于安全繼電器故障而導致的烴壓縮機跳車事
故，避免了機組損傷和人員傷亡事故的發(fā)生。聚
丙烯單產５３t／h，價格每噸０．８ 萬元，從停機到啟
機正常運行至少需要３h，則優(yōu)化改造后每年減少
直接經濟損失約１２７．２ 萬元，為企業(yè)創(chuàng)造了可觀
的經濟效益。因此，針對安全繼電器控制策略的
改進與優(yōu)化是可行的。
（下轉第９９４ 頁）
９９０ 化 工 自 動 化 及 儀 表 第４４ 卷
萬方數據
AVERAM ＝AMNBN１ ＋AMNBN２ ＋?＋AMNBNn
AM１ ＋AM２ ＋?＋AMn ＝９１０
２９ ＝３１．３７
TRWR ＝AVERPN
AVERMN ×１００％ ＝２．２９
３１．３７ ×１００％ ＝７．３％
式中 AM ———機器數量；
AMNBN ———每組機器安裝斷路器的數量；
AVERAM———平均每臺機器安裝斷路器的數量；
AVERPN ———平均每人安裝斷路器的數量；
PN ———每組的人數；
PNBN ———每組安裝斷路器的數量；
TRWR ———人工安裝相對機器安裝的相對效
率，％。
可以看出，人工安裝時每個工人的安裝數量為
２．２９；而機器安裝的數量為３１．３７，因此可以得出結
論，人工安裝相對機器安裝的效率僅為７．３％。
塑殼斷路器視覺螺釘定位系統(tǒng)，CCD 相機視
覺定位系統(tǒng)的加入，使復雜的傳統(tǒng)機構變得簡單，
同時實現了微型元器件的定位。柔性雙軸設計消
除了在安裝螺釘過程中，雙金屬片由于彎曲變形
形成的干涉運動。視覺定位與力矩傳感器保障了
螺釘安裝的質量與合適的松緊度，并且螺釘安裝
機可以在斷路器金屬片由于溫度等原因發(fā)生彎曲
時實現自動補償。自有的移動平臺技術，使螺釘
安裝機在平面上的定位更精確。
4 結束語
實際應用證明，塑殼斷路器螺絲釘安裝機不
僅能夠正確安裝金屬片上的螺釘，其安裝效率也
遠高于人工安裝。在市場同類產品中，如江蘇泰
聯(lián)達公司生產的在線式全自動鎖所螺絲機，可以
快速而隨機完成螺釘的安裝。但與筆者設計的塑
殼斷路器螺絲釘安裝機相比，雖然安裝速度更快，
但是由于無法靈活調整螺絲刀頭的姿態(tài)，故很難
完成金屬片上螺釘的安裝。雖然本套設備可以解
決塑殼斷路器金屬片上螺釘的安裝，但是效率仍
然有很大的提高空間。
參考文獻
［１］ 司海立，程武山，孫鑫，等．塑料外殼式斷路器智能
測試系統(tǒng)［J］．電器與能效管理技術，２００８，（１９）：５８
～６１．
［２］ 韓冬冬．塑殼式斷路器操作可靠性試驗裝置中微機
檢測與控制技術［D］．天津：河北工業(yè)大學，２００７．
［３］ Vafiadis，Dimitris．Discussion of “Survey Results of Lowvoltage
Circuit Breakers as Found during Maintenance
Testing：Working Group Report” ［J］．IEEE Transactions
on Industry Applications，１９９７，３３（５）：１３７０ ～
１３７１．
［４］ 李睿，耿璐，程武山．基于機器視覺的螺母定位系統(tǒng)
［J］．機床與液壓，２０１３，（２３）：６０ ～６４．
［５］ 王德會．基于機器視覺的自動螺絲鎖付裝備及定位
方法的研究［D］．廣州：華南理工大學，２０１４．
［６］ 秦琴，屠子美，劉唯，等．一種基于視覺定位和扭矩
控制的自動拆卸螺釘方法及其裝置［P］．中國：
CN２０１５１０３９７６７５．９，２０１５-０９-２３．
［７］ 邵新發(fā)，程武山．斷路器長延時調整機構視覺定位
系統(tǒng)［J］．儀表技術與傳感器，２０１５，（６）：８８ ～９１．
（收稿日期：２０１７-０４-２０，修回日期：２０１７-０８-２９）
（上接第９９０ 頁）
6 結束語
筆者采用降低安全繼電器硬件回路接線復
雜度和優(yōu)化軟件控制策略的方案，簡化了安全
繼電器輸入回路繁雜的硬件接線，降低了繼電
器的故障率，使得安全繼電器故障不再影響烴
壓縮機的正常運行。通過簡單、直觀的監(jiān)控畫
面報警提醒，操作人員能夠在第一時間發(fā)現繼
電器運行狀態(tài)故障，以便及時排查故障原因并
采取有效措施，確保了壓縮機的穩(wěn)定運行，實現
了裝置安全生產的要求，為企業(yè)經濟效益達標
奠定了堅實基礎。
參考文獻
［１］ 許力強，徐亞昆，呼宏安．針對GSP 氣化爐運行參數
波動的控制策略優(yōu)化改造［J］．化工自動化及儀表，
２０１３，４０（１１）：１４４０ ～１４４１．
［２］ 蘇慧，江永軍，雍曉靜．優(yōu)化系統(tǒng)操作提高MTP 反
應丙烯收率的研究［J］．廣州化工，２０１３，４１（２３）：
１３８ ～１３９．
［３］ 鄒陽方，孫長春，張文宏．PNOZmulti 模塊化安全繼
電器在涂裝車間的應用［J］．汽車工藝與材料，
２００８，（１１）：３３ ～３６．
（收稿日期：２０１７-０６-１１）
９９４ 化 工 自 動 化 及 儀 表 第４４ 卷
萬方數據

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