引言

云南云天化股份有限公司红磷分公司 8 万吨合成氨装置冷冻工段有 5 台螺杆式冰机，其作用是把从精炼、合成岗位氨冷器过来的气氨再变为液氨后作制冷剂循环使用，是合成氨装置平稳运行的主要设备。每台冰机的仪表联锁逻辑及联锁元件是随机带来的，但从冰机投用至今，联锁回路存在的问题就困扰着正常的运行维护。

 

1 冰机仪表联锁回路存在的问题及解决思路

1． 1 存在的问题

1) 仪表联锁部分的检测元件采用机械式的压力、温度控制器，其精度低，回差大; 安装不合理，现

场震动大、腐蚀严重、油污等经常使正常运行的冰机误跳。

2) 仪表联锁元件、回路的电源及信号与电气联锁互连互串，当冰机跳停时电气、仪表维护人员要在现场及配电室间来回查找故障点，常常产生扯皮现象。

3) 联锁回路的逻辑运算元件采用继电器，由于腐蚀等原因也常出现误动作; 缺少相应的指示灯及自保持措施，操作人员得不到及时的报警信息，冰机跳停时查找原因及故障点困难。

4) 运行冰机的非正常跳停对工艺生产的影响很大，易产生连锁反应，出现安全隐患; 冰机运行过程中的工艺参数无法上传及显示。

 

1． 2 解决方案

1) 选用易于维护、稳定可靠、适应冰机腐蚀性现场环境的测量仪表，彻底地解决机械式联锁元件存在的先天不足，确保联锁回路中一次发信元件测量的准确、稳定及可靠。

2) 减少仪表与电气接连耦合性，每台冰机仪表联锁动作跳车信号通过隔离继电器后与电气连接，并设置联锁解除/投入开关，通过相应的指示灯及自保持措施，使故障及跳停条件一目了然，减少故障的查找时间。

 

3) 信号直接进入 DCS 系统或是采用 PLC 等方式完成，现场独立控制后以通信方式与 DCS 系统实现集成。

 

2 方案设计

2． 1 冰机运行参数仪表测量点

合成氨分厂冷冻工段共有冰机 5 台，其中 1 ～4#冰机型号相同，测量点及联锁逻辑相同。5 台冰机共有信号测量点 36 点，如表 1 所示。

2． 2 压力测量元件的选择

随着公司设备管理的提升，当设备出现联锁动作跳停时，人们不仅关心是哪一点达到联锁值触发了跳车信号，还要通过测量点的历史记录曲线分析，了解设备的运行情况从而采取相应措施。从公司现有的应用经验看，优先选用压力变送器或电子压力开关［1］。2 种压力检测仪表都具有较高的测量精度、现场指示和信号远传功能。如果不考虑多套控制系统的通信集成和过程模拟量的趋势记录，选用电子压力开关可以省去所有的中间转换单元仪表，减少维护量和降低投资成本，但这种系统结构限制了通信功能的扩展，不符合公司信息化建设要求。选用 Ｒosemount3051 压力变送器的优点［2］: 标准4 ～ 20 mA 模拟信号输出，可满足连续监测的要求; 在恶劣环境中运行的可靠性更高，统一的过程和电气接口具有良好的互换性; 维护人员熟悉并掌握其性能; 缺点是相对于电子压力开关而言其价格偏高。综合考虑选用 3051压力变送器。

 

2． 3 温度测量方式

选用铠装热电阻 + 温度变送器的方式，有效避免振动及干扰带来的影响［3］。

 

2． 4 运算控制单元的选择

联合工段的控制系统采用爱默生的 DeltaV 系统，如直接上 DCS 系统则面临的问题是: 机柜室拥挤狭小的空间已不宜再进电缆，需要放较长的电缆，系统的 I/O 点余量已不多，现场操作室配置监控操作电脑，而对于冰机的运行来说操作人员只是通过机械操作进行负荷的加减，此外冰机所有信号直接上 DCS 系统可能会引入干扰等危害系统的因素，因此对于冰机这样单台独立运行的设备来说不是优选方案; 选择专用控制器，运用较为简单，但价格高，不够灵活且受限于厂商; 采用 PLC 的方式，每台冰机用一台 PLC 进行数据采集、运算与控制，故障独立不相互影响，利用 PLC 的通信端口实现现场集中显示或与 DCS 系统通信集成。根据公司的情况优选西门子 S7 － 200 型 PLC( CPU 226 CN DC /DC /DC)+ EM231 四路模拟量输入扩展模块的方式。

 

2． 5 S7 －200 型 PLC

PLC( 可编程逻辑控制器) 是一种专为工业环境应用而设计制造、但不针对某一具体工业应用、是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，在实际应用时其硬件需要进行选配并按控制要求进行软件的设计编制。S7 － 200 型 PLC( CPU226 CN) 的特点［4］: 无论是独立运行还是组成网络均能实现复杂控制功能，具有较高的可靠性及性价比; 226 CN 本机集成 24 路 DI 及 16 路 DO，可连接 7 个扩展模块，较大扩展至 248 路数字量 I/O 点或 35 路 模 拟 量 I/O 点; 2 个 ＲS485 通 信 /编 程 接口，具有 PPI 通信协议、MPI 通信协议和自由方式通信能力，通过本机的 POＲT0 端口可以 Modbus 串行通信的方式与 DeltaV 系统集成，POＲT1 可连接西门子的 TD 文本显示器实现现场的人机交互，从而实现现场的独立控制运行与上位系统的集成，可扩展通信模块实现 DP、以太网通信与连接; 丰富的指令集、便捷的操作使维护人员易于掌握; 在方案中通过扩展连接 EM231( 4 路输入) 模块实现压力、温度模拟信号的采集并转换成供 PLC 内部处理用的数字信号。

 

3 方案实施及应用效果

3． 1 现场仪表柜

5 台冰机的仪表联锁元件集成在一个现场仪表柜内，1#，2#冰机共用一块 PLC，3#，4#冰机共用一块PLC，5#冰机单独用一块 PLC，面板上具有相应的操作开关及指示灯，如图 1 所示。

现场仪表柜在制作时就充分考虑了环境适应性［5］: 采用不锈钢制作，底座具有良好的抗振性及接地; 柜内通入压缩空气，相对柜外保持微正压，有效阻止了腐蚀性气体及粉尘的侵入，为柜内元件稳定、长周期运行提供了保证。

 

3． 2 PLC 控制程序设计

PLC 控制程序以冰机说明书给出的电气联锁关系为依据，结合多年来对冰机运行维护的经验并充分考虑操作的合理性进行优化设计。

 

3． 2． 1 主程序

网络 1: 首次扫描时，调用子程序对扩展块进行检测

网络 2: 如果扩展模块有错误存在，则停止采样，当然也就不让电气控制箱获得允许开车的信号( 冰机无法启动) ，仪表维护人员可以从 Q1． 6 和Q1． 7 的指示灯的明灭来判断故障出在 PLC 内还是PLC 外。

3． 2． 2 子程序一

网络 1: 初始化并对扩展模块进行检测，尽可能地避免冰机启动后又跳停或冰机根本不能启动，把不能启动的原因及时反映出来。检查扩展模块是否存在，若不存在则置 Q1． 6 = 1。

网络 2: 检查扩展模块是否有错误，检查电源是否正常，若有错误则置 Q1． 7 = 1

3． 2． 3 子程序二的特点

1) 程序设计具有软件滤波功能。首先要判断输入是否在正常的范围内，当达到联锁条件时判断是不是真的达到联锁条件，如是真的联锁才动作，有效防止了因断线、短路、突然抖动或干扰引起的跳停，如稀油站油压低于 0． 1 MPa 时驱动报警，在 30 s内不能恢复则跳停冰机或禁止冰机启动。

2) 温度部分的程序设有断偶保护及配电器故障保护，当温度出现不规律的乱跳及跑较大时不会使冰机跳停，只有相应的报警提示，配电器或温变出现故障时，不会引起冰机跳停，但仍有报警提示。

3) 当联锁投入时，只要参与联锁的任何一点真正达到联锁值，冰机延时 7 s 跳停，对应的指示灯点亮，操作工和仪表维护人员可以从控制柜面板上的指示灯上判断故障来源，如果故障不消除或消除后不按复位按钮，冰机依旧不能启动。

 

3． 4 改造后的应用效果

5 台冰机的仪表联锁系统在 2015 年 5 月完成改造并投用。压力变送器、铠装温度元件、温度变送器、PLC 及充分考虑振动、干扰、腐蚀等环境因素的综合方案，加上优化的程序设计如温度压力测量的断线保护、扩展模块故障检测及指示功能等，使改造后的冰机仪表联锁系统具有了很高的安全性、可靠性、易操作性和可维护性。投用后仪表联锁系统运行正常，动作准确、可靠，未发生过误动、拒动，故障一目了然，当冰机发生联锁跳停时，操作人员根据指示灯确认故障，如是工艺原因则处理正常后复位联锁自锁开关按正常操作程序启动冰机; 电气、仪表查找故障时把联锁开关打到解除位置，独立查找各自的故障点，改变了改造前一旦发生联锁跳停时仪表、电气、工艺、设备等几方人员到场但问题仍得不到及时解决的尴尬局面。

 

4 结语

联锁回路及系统一直以来是公司运行维护中的软肋，而冰机仪表联锁系统在总结了多年运行维护经验的基础上，从一次发信元件、系统结构、环境适应性及抗干扰性等方面进行了优化设计，使改造后的联锁系统具备了很高的安全性、可靠性及可维护性，保证了装置长周期运行的需要。

 

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