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MTP裝置烴壓縮機(jī)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(tuán)烯烴一分公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月05日
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MTP 裝置烴壓縮機(jī)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(tuán)烯烴一分公司）
摘 要 針對(duì)MTP 裝置烴壓縮機(jī)安全繼電器存在的輸入回路接線復(fù)雜、端子松動(dòng)、控制程序邏輯不完
備和高頻誤動(dòng)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(dòng)作的頻率。
關(guān)鍵詞 烴壓縮機(jī) 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(hào) TH４５ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B 文章編號(hào) １０００-３９３２（２０１７）１０-０９８８-０４
神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)烯烴一分公司年產(chǎn)５０ 萬(wàn)
噸煤基烯烴項(xiàng)目甲醇制丙烯裝置（簡(jiǎn)稱MTP 裝
置［１］ ）采用德國(guó)魯奇技術(shù)，是世界上第１ 套工業(yè)
化應(yīng)用的煤基烯烴裝置，于２０１０ 年８ 月建成并投
產(chǎn)［２］ 。全裝置有兩臺(tái)透平壓縮機(jī)和６ 臺(tái)成套小壓
縮機(jī)。其中烴和丙烯透平壓縮機(jī)是MTP 裝置的
“心臟”，任意一臺(tái)壓縮機(jī)停機(jī)都會(huì)導(dǎo)致全裝置停
車，并造成物料回流打循環(huán)和放火炬。
1 項(xiàng)目背景與改造目的
MTP 裝置自開車至今，烴壓縮機(jī)PilZ 安全繼
電器發(fā)生兩次故障。同時(shí)由于安全繼電器故障信
號(hào)６０４XS５１２６A／B 參與壓縮機(jī)停機(jī)聯(lián)鎖，而聯(lián)鎖
觸發(fā)的結(jié)果是防喘振閥電磁閥失電、閥門打開，速
關(guān)油電磁閥關(guān)閉，最終導(dǎo)致烴壓縮機(jī)跳車。因此，
對(duì)聯(lián)鎖信號(hào)參與安全繼電器回路的控制策略進(jìn)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(jī)長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)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(gè)基礎(chǔ)模塊和若干個(gè)擴(kuò)
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(diǎn)功能的繼電器
模塊（由幾個(gè)繼電器與電路組合而成），目的是互
補(bǔ)彼此的異常缺陷，降低誤動(dòng)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(diǎn)彈
簧片組成。當(dāng)在線圈兩端施加一定的電壓時(shí)，線
圈就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵
就會(huì)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(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸
點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁吸引力隨之消失，
銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力下返回原來的位置，
使動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)斷開。如此吸合與釋放，從而
達(dá)到導(dǎo)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(kuò)展
功能模塊EX 兩部分組成：SR 模塊集聯(lián)鎖信號(hào)輸
入、被控對(duì)象信號(hào)輸出與復(fù)位功能于一體；EX 模
塊具有單雙通道輸入、多信號(hào)輸出控制功能。
當(dāng)安全繼電器處于運(yùn)行準(zhǔn)備狀態(tài)時(shí)，安全觸
點(diǎn)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(diǎn)４１-４２ 斷開。如果輸入回路斷開，則
安全輸出觸點(diǎn)１３-１４、２３-２４、３３-３４ 也斷開，輔助觸
點(diǎn)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(diǎn)連接至S１１-S１２。
b．雙通道輸入，無(wú)短路檢測(cè)。短接S２１-S２２，
９８８ 化 工 自 動(dòng) 化 及 儀 表 第４４ 卷
① 作者簡(jiǎn)介：李文（１９８５-），工程師，從事壓縮機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究，liwen２１９＠１２６．com。萬(wàn)方數(shù)據(jù)
將急停按鈕的常閉觸點(diǎn)連接至S１１-S１２ 和S１１-
S３２。
c．雙通道輸入，有短路檢測(cè)。短接S１１-S１２，將
急停按鈕的常閉觸點(diǎn)連接至S２１-S２２ 和S３１-S３２。
圖１ 安全繼電器結(jié)構(gòu)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(diǎn) NC） S２１-S２２ 繼電器安全輸入通道 ２（常閉觸點(diǎn) NC） １３-１４ 繼電器控制信號(hào)輸出接點(diǎn) １（常開觸點(diǎn) NO） ２３-２４ 繼電器控制信號(hào)輸出接點(diǎn) ２（常開觸點(diǎn) NO） ３３-３４ 繼電器控制信號(hào)輸出接點(diǎn) ３（常開觸點(diǎn) NO） ４１-４２ 繼電器輔助輸出接點(diǎn) １（常閉觸點(diǎn) NC） S３４ 復(fù)位信號(hào)接點(diǎn)，用于激活繼電器，使各狀態(tài)指示燈
再次點(diǎn)亮、安全觸點(diǎn)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(shè)計(jì)輸入控制回路框圖如圖２
所示。MTP 裝置急停信號(hào)功能由兩塊冗余安全
繼電器實(shí)現(xiàn)，即主功能模塊SR０１、SR０２ 采用雙通
道輸入法串接三重化數(shù)字輸入急停信號(hào)：操作盤
急停按鈕信號(hào)、輔操臺(tái)急停信號(hào)和機(jī)柜間急停信
號(hào)串接到一入兩出安全繼電器，其中一組直接經(jīng)
Triconex 數(shù)字輸入卡參與ITCC 三取二邏輯實(shí)現(xiàn)
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(dòng)信號(hào)、超速保護(hù)信號(hào)與ITCC 跳車
信號(hào)串接后，一組直接參與ITCC 三取二邏輯實(shí)現(xiàn)
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(shí)現(xiàn)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(diǎn)１３-１４、２３-２４、３３-３４ 控制６ 臺(tái)速關(guān)油電
磁閥，擴(kuò)展模塊EX０１、EX０２ 輸出的常開觸點(diǎn)１３-
１４、２３-２４、３３-３４ 控制３ 臺(tái)防喘振閥的６ 個(gè)電磁
閥，安全繼電器單故障信號(hào)參與ITCC 聯(lián)鎖停車邏
輯。
圖２ 安全繼電器原設(shè)計(jì)輸入控制回路框圖
由圖２ 可知，本設(shè)計(jì)主要缺陷是：急停信號(hào)硬
件串接接線復(fù)雜，存在接線端子松動(dòng)、虛接和誤接
的隱患，任意一個(gè)急停信號(hào)故障都會(huì)引起壓縮機(jī)
停機(jī)；安全繼電器故障信號(hào)是單點(diǎn)聯(lián)鎖，任意一個(gè)
繼電器故障都會(huì)觸發(fā)聯(lián)鎖誤動(dòng)作停機(jī)。為此，將
安全繼電器輸入的各停車信號(hào)硬件聯(lián)鎖功能轉(zhuǎn)化
為由ITCC 軟件邏輯組態(tài)聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)停機(jī)，以有效降
低壓縮機(jī)誤停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。
第１０ 期 李 文等．MTP 裝置烴壓縮機(jī)安全繼電器的控制策略優(yōu)化 ９８９
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
3．2 邏輯優(yōu)化
在符合工程應(yīng)用的前提下，以安全穩(wěn)定運(yùn)行
為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)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(diǎn)聯(lián)鎖或硬件多級(jí)串
接接線松動(dòng)而導(dǎo)致的壓縮機(jī)誤停機(jī)。
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(hào)
取消，在ITCC 程序中優(yōu)化急停信號(hào)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(jī)的４ 組信號(hào)（A、B、C、D），A、C 兩組信號(hào)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(hào)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(shí)，
在ITCC 組態(tài)中將兩個(gè)繼電器故障信號(hào)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(jī)的ITCC 控制采用三重化
冗余結(jié)構(gòu)，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(biāo)準(zhǔn)的編程語(yǔ)言：功能塊語(yǔ)言、梯形圖語(yǔ)言和結(jié)構(gòu)
文本語(yǔ)言。筆者采用功能塊語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖邏
輯表決功能，繼電器輸入信號(hào)表決邏輯如圖４ 所
示。在ITCC 程序中分別對(duì)三重化信號(hào)（急停按
鈕、速度、振動(dòng)）進(jìn)行三取二表決，即A、B、C３ 個(gè)信
號(hào)兩兩相或運(yùn)算后再進(jìn)行與邏輯運(yùn)算，最后再對(duì)
現(xiàn)場(chǎng)急停６０４HS５６０２、MTP 機(jī)柜間急停
６０４ES５６０３、中控輔操臺(tái)急停６０４XS６０４１５、本特利
超速保護(hù)６０４SXHH５６０２ 和振動(dòng)６０４VSHH５１００ 這
５ 組信號(hào)進(jìn)行與邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果為０ 時(shí)觸發(fā)
聯(lián)鎖，同時(shí)結(jié)果經(jīng)A、B、C、D４ 個(gè)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(hào)表決邏輯
另外，在ITCC 監(jiān)控畫面醒目位置為安全繼電
器運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置報(bào)警指示，操作人員可以通過顯
示器監(jiān)控安全繼電器的運(yùn)行狀況，當(dāng)繼電器運(yùn)行
過程中出現(xiàn)故障或接線松動(dòng)時(shí)，監(jiān)控畫面會(huì)出現(xiàn)
報(bào)警閃爍，提醒操作人員及時(shí)采取措施排除故障，
保證裝置穩(wěn)定運(yùn)行。
5 應(yīng)用效果
基于上述分析，在MTP 裝置大檢修期間對(duì)烴
壓縮機(jī)安全繼電器硬件回路接線和軟件控制邏輯
進(jìn)行了改造與優(yōu)化。優(yōu)化后，裝置運(yùn)行至今未發(fā)
生由于安全繼電器故障而導(dǎo)致的烴壓縮機(jī)跳車事
故，避免了機(jī)組損傷和人員傷亡事故的發(fā)生。聚
丙烯單產(chǎn)５３t／h，價(jià)格每噸０．８ 萬(wàn)元，從停機(jī)到啟
機(jī)正常運(yùn)行至少需要３h，則優(yōu)化改造后每年減少
直接經(jīng)濟(jì)損失約１２７．２ 萬(wàn)元，為企業(yè)創(chuàng)造了可觀
的經(jīng)濟(jì)效益。因此，針對(duì)安全繼電器控制策略的
改進(jìn)與優(yōu)化是可行的。
（下轉(zhuǎn)第９９４ 頁(yè)）
９９０ 化 工 自 動(dòng) 化 及 儀 表 第４４ 卷
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
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(jī)器數(shù)量；
AMNBN ———每組機(jī)器安裝斷路器的數(shù)量；
AVERAM———平均每臺(tái)機(jī)器安裝斷路器的數(shù)量；
AVERPN ———平均每人安裝斷路器的數(shù)量；
PN ———每組的人數(shù)；
PNBN ———每組安裝斷路器的數(shù)量；
TRWR ———人工安裝相對(duì)機(jī)器安裝的相對(duì)效
率，％。
可以看出，人工安裝時(shí)每個(gè)工人的安裝數(shù)量為
２．２９；而機(jī)器安裝的數(shù)量為３１．３７，因此可以得出結(jié)
論，人工安裝相對(duì)機(jī)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(jī)視
覺定位系統(tǒng)的加入，使復(fù)雜的傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，
同時(shí)實(shí)現(xiàn)了微型元器件的定位。柔性雙軸設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)。視覺定位與力矩傳感器保障了
螺釘安裝的質(zhì)量與合適的松緊度，并且螺釘安裝
機(jī)可以在斷路器金屬片由于溫度等原因發(fā)生彎曲
時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償。自有的移動(dòng)平臺(tái)技術(shù)，使螺釘
安裝機(jī)在平面上的定位更精確。
4 結(jié)束語(yǔ)
實(shí)際應(yīng)用證明，塑殼斷路器螺絲釘安裝機(jī)不
僅能夠正確安裝金屬片上的螺釘，其安裝效率也
遠(yuǎn)高于人工安裝。在市場(chǎng)同類產(chǎn)品中，如江蘇泰
聯(lián)達(dá)公司生產(chǎn)的在線式全自動(dòng)鎖所螺絲機(jī)，可以
快速而隨機(jī)完成螺釘?shù)陌惭b。但與筆者設(shè)計(jì)的塑
殼斷路器螺絲釘安裝機(jī)相比，雖然安裝速度更快，
但是由于無(wú)法靈活調(diào)整螺絲刀頭的姿態(tài)，故很難
完成金屬片上螺釘?shù)陌惭b。雖然本套設(shè)備可以解
決塑殼斷路器金屬片上螺釘?shù)陌惭b，但是效率仍
然有很大的提高空間。
參考文獻(xiàn)
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測(cè)試系統(tǒng)［J］．電器與能效管理技術(shù)，２００８，（１９）：５８
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［３］ Vafiadis，Dimitris．Discussion of “Survey Results of Lowvoltage
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［４］ 李睿，耿璐，程武山．基于機(jī)器視覺的螺母定位系統(tǒng)
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CN２０１５１０３９７６７５．９，２０１５-０９-２３．
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系統(tǒng)［J］．儀表技術(shù)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(yè)）
6 結(jié)束語(yǔ)
筆者采用降低安全繼電器硬件回路接線復(fù)
雜度和優(yōu)化軟件控制策略的方案，簡(jiǎn)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(jī)的正常運(yùn)行。通過簡(jiǎn)單、直觀的監(jiān)控畫
面報(bào)警提醒，操作人員能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)繼
電器運(yùn)行狀態(tài)故障，以便及時(shí)排查故障原因并
采取有效措施，確保了壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)
了裝置安全生產(chǎn)的要求，為企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益達(dá)標(biāo)
奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
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２０１３，４０（１１）：１４４０ ～１４４１．
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應(yīng)丙烯收率的研究［J］．廣州化工，２０１３，４１（２３）：
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電器在涂裝車間的應(yīng)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(dòng) 化 及 儀 表 第４４ 卷
萬(wàn)方數(shù)據(jù)

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