TRICON三重冗余系统在加氢联合装置的应用

TRICON三重冗余系统在加氢联合装置的应用

伍锦荣

（中国石油化工股份有限公司广州公司仪控中心，广州黄埔，510726）

摘 要：TRICON是达到SIL3级标准并获得TüV AK6级标准认证的三重模块冗余（TMR）控制器，被广泛应用于石油、化工等行业的安全仪表系统（SIS）、机组控制系统（ITCC）及火灾报警和气体检测系统（FGS）中。介绍加氢联合装置的生产特点，并以加氢裂化装置为例，论述TRICON系统在联锁保护和机组控制中的应用，说明联锁保护和机组控制的技术方案、主要硬件软件配置和功能，并对应用效果作出总结。

关键词：TRICON 三重冗余 加氢联合装置 安全仪表系统 机组控制系统 应用

1．引言

加氢联合装置是广州分公司加工中东含硫原油及生产清洁燃料的配套建设装置， 包括：150万吨/年加氢裂化装置；210万吨/年加氢处理装置；200万吨/年加氢精制装置和100万吨/年航煤加氢装置。联合装置有多个加热炉、反应器、高低压分离器和气体压缩机群等，具有典型的高温、高压、临氢、易燃易爆和生产规模较大、流程长等特点，自动控制和联锁回路多，控制策略复杂。根据《石油化工安全仪表设计规范：SH/T3018》、IEC61508、IEC61511等国际标准，参照国内外同类和类似装置的安全完整性水平，采用达到SIL3级标准并获得TüV AK6级标准认证的TRICON三重模块冗余（TMR）控制器，作为加氢联合装置的安全仪表系统（SIS）和综合机组控制系统（ITCC）。

2．TRICON 系统概述

TRICON 系统是具有容错结构和能力的可编程逻辑和过程控制系统，硬件核心是基于三重模块（TMR）冗余容错控制器。TRICON 系统采用冗余电源、三个主处理器、三条完全隔离的内部总线，三个完全相同的分电路各自独立地执行控制并与其他主处理器并行工作。所有的数字式I/O 信号都由要经过硬件的三取二表决和诊断处理，模拟信号进行取中值处理，系统工作模式为3-2-1-0，单个部件硬件故障或内外部导致的瞬间故障都不会中断控制，且具有较强的诊断功能，在线更换操作简便，在保证了高可靠性的前提下具有较好的可用性和可维修性。TRICON控制器的三重化结构如图1所示:

2.1 TRICON系统的主要特点

TRICON系统具有完整的过程控制联锁、数据采集与监控功能、机组综合控制（ITCC）功能，能同时完成多套压缩机组的控制以及装置的联锁保护，主要特点有：

（1）主处理器和I/O 卡件完全三重化，安全性能高，达到SIL3级标准，并获得并获得TüV AK6级标准认证。

（2）单点故障不会造成系统的正确运行，系统诊断覆盖率高。

（3）采用3-2-1-0工作模式，独特的槽位设计使主处理器和I/O 模块更换方便，可用行性和可维护性高。

（4）提供完整的事件顺序记录（SOE）功能，有效进行系统维护和停车故障原因分析。

（5）提供强大的通讯功能，支持TCP/IP、ModBus等多种常用开放协议，可以和多种DCS、PLC以及智能仪表进行通讯。

（6）采用32 位高速CPU和协处理器，提供高达16M DRAM和32K SRAM内存；模拟卡件转换精确度高，并可以定期自动校验。

（7）系统规模可变，支持扩展机架和远程I/O机架。

（8）基于Windows的编程软件TriStation1131使用方便，软件的在线修改通过TüV AK6级认证，同时提供离线模拟测试。

2.2 系统构成

TRICON系统根据应用系统的大小，可配置规模可变的单机架和最多14个扩展或9个远程机架，最远距离可达12km，I/O点数最大达到4688个点，其中DI2048点、DO1024点、AI1024点、AO512点和PI80点。系统构成包括：机架、电源模块、主处理器模块、过程I/O 模块和配套系统软件。

（1）机架

机架是放置各种模块的地方，主处理器模块所在机架为主机架，扩展机架用于扩展I/O模块，主机架和扩展机架采用三重化扩展电缆连接。当第一个机架到最后机架之间总线长度超过30米时可使用远程机架和现场安装。

（2）电源模块

每个机架有两个电源模块，以冗余方式工作，每个电源能独立承担机架中共有模块的供电。

（3）主处理器模块

每个主机架有三个处理器模块，每个处理器模块独立完成控制并与其他两个主处理器并行工作，完成包括I/O 处理、通讯、数据采集、逻辑控制和输出表决等。

（4）过程I/O 模块

过程I/O模块包括各种信号的模块，主要有数字输入输出模块（DI/DO）、模拟量输入输出模块（AI/AO）和脉冲输入模块（PI）等，所有模块都具有隔离功能，包括通道与通道间和电源之间隔离。过程信号通过标准端子板和专用连接电缆与过程I/O模块进行连接。

（5）系统软件

系统采用Windows操作平台，配置TRICON的TriStation1131编程软件、SOE软件，操作站人机界面软件采用Wondeware的Intouch。

3.加氢联合装置TRICON系统配置

3.1硬件配置

加氢联合装置TRICON系统分三个工作区共四套独立的控制器，装置联锁和综合机组控制系统公用一套控制器，分别用于加氢裂化装置、加氢处理装置、加氢精制装置以及航煤加氢装置。每个工作区配置1个工程师站和1个移动组态站，每套装置配置1个操作员站和1套辅助操作台。系统的主要配置如表1所示。

表1 系统主要配置表

装 置 控制器 机架 机柜 操作 员站 辅操台 工程师站 （SOE站） 打印机 加氢裂化 加氢处理 加氢精制 航煤加氢 1套 1套 1套 1套 3个 3个 3个 2个 2个 3个 2个 2个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1台 1台 1台 激光彩打1台 激光彩打1台 激光彩打1台 针式1台 各工作区配置的工程师站兼作SOE站，提供对系统的离线组态、离线编程、在线监视、在线程序修改下装等功能，同时可用于SOE 数据的收集、记录、打印等。工程师站还可兼做操作员站使用。控制器和操作员站、工程师站等的通讯网络完全是冗余方式。下面以加氢裂化装置系统为例进行说明，其系统结构图如图2所示，硬件配置如表2所示。

表2 加氢裂化装置系统硬件配置 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 说明 增强型TRICON 主处理器，50MHz， 16M SROM 高密度主机架 高密度扩展机架 I/O 总线扩展电缆，3 根 230V AC电源模块 I/O 空槽板 增强型智能通讯模块EICM 网络通讯模块NCM，802.3 BNC 接口 DI，24V AC/DC，32 点 DI， 端子板，24V AC/DC，16 点 DO，24V DC，16 点 DO， 端子板，24V DC，16 点 型号 3008 8110 8111 9000 8312 8105 4119A 4329 3503E 9563-810 3604E 9662-810 数量 3 1 2 2 6 23 2 2 10 20 5 5 13 14 15 16 17 18 AI，0-5V DC，32 点 AI 端子板，电流输入，16 点，用户组态 AO，4-20mA，8 点 AO 端子板，4-20mA 电流输出，8 点 脉冲输入PI，8 点 PI 端子板，8 点 3700A 9761-210 3805E 9853-610 3511 9753-110 1 2 1 1 2 2 3.2软件配置

TRICON 系统采用微软公司的Windows2000操作系统平台，TRICONEX公司的TriStation1131V3.12版编程组态软件和SOE事件记录软件，人机操作界面是Wonderware公司的IntouchV8.0。 3.3 主联锁实现

加氢裂化装置的主联锁逻辑以子系统逻辑块的形式联系在一起，装置共有十二个联锁子系统，包括：

(1) 装置事故2.1MPa/min 手动/自动紧急放空保护联锁系统；

(2) 装置事故0.7MPa/min手动/自动紧急放空保护联锁系统；

(3) 高压进料泵自动保护联锁子系统；

(4) 混合氢加热炉自动保护联锁子系统；

(5) 离心式循环氢压缩机自动保护联锁子系统；

(6) 往复式新氢压缩机自动保护联锁子系统；

(7) 热高压分离器液位和主进料泵液力透平超速自动保护联锁子系统 ;

(8) 冷高压分离器自动保护联锁子系统；

(9) 高压贫溶剂泵自动保护联锁子系统；

(10) 脱硫化氢塔液位和主贫液泵液力透平超速自动保护联锁子系统；

(11) 分馏塔底重沸炉自动保护联锁子系统；

(12) 空冷器手动停车系统；

主联锁系统的输入信号连接传感器的常闭点（静态，非励磁），关键输入采用三取二或二取二方式，设置硬件和软件旁路开关，并用状态指示灯指示相应条件的状态，模拟量信号直接进入系统，输出采用故障安全型，失电联锁。加氢裂化主装置联锁逻辑如图3所示。

图3 加氢裂化主装置联锁逻辑图

3.4 循环氢压缩机C3001控制

循环氢压缩机C3001是加氢裂化装置的关键设备，给反应器提供氢气并带走大量热量。机组控制包括机组联锁、调速控制和防喘振控制等。

1、机组联锁

C3001联锁条件较多，联锁逻辑如图4所示，包括启动条件联锁、停机保护联锁、油泵自启动联锁和干气密封增压泵启动联锁。

（1）启动条件联锁

压缩机启动的条件包括：

?润滑油压力正常；

?润滑油温度正常；

?速关阀全开；

?密封气压力正常；

?防喘阀全开人工确认。

当以上信号均正常时，辅台C3001允许开车确认按钮，则联锁条件，允许开C3001，同时C3001准备启动灯亮。

（2）停机保护联锁

出现以下任何情况，机组将立即进入停机保护状态，联锁动作，C3001主汽门电磁阀失电，C3001停车，同时关闭泵总出口切断阀。

?一级密封泄漏量过高；

?压缩机低压侧轴振动大（二取二）；

?压缩机高压侧轴振动大（二取二）；

?压缩机轴位移大（二取二）；

?汽轮机低压侧轴振动大；

?汽轮机高压侧轴振动大；

?汽轮机轴位移大；

?现场手拍紧急停车；

?21巴紧急泄压信号；

?润滑油压力低低(三取二)；

?入口分液罐液位高高(三取二)；

?汽轮机转速高高(三取二)；

?速关油压力低低；

?蒸汽出口压力低低；

?探头故障；

?正常停机冷却结束；

当以上信号均正常时，按相应的复位按钮，则联锁才能恢复正常。

（3）油泵自启动联锁

当满足以下条件之一时启动润滑油辅助油泵：

?润滑调节油油压低；

?汽轮机控制油油压低；

?润滑油总管压力低；

?润滑油总管压力低。

当以上信号均正常时，按相应的复位按钮，则联锁条件正常时， C3001润滑油辅油泵停；当以上信号有一个异常时， 则联锁动作， 信号去电气，开C3001润滑油辅油泵。

（4）干气密封增压泵启动联锁

当干气密封增压泵泄漏压差或循环氢压缩机出入口压差大于0.52MPa时停干气密封系统的增压泵。

图4 循环氢压缩机C3001联锁图

2、调速控制

机组的速度控制可以有多种运行方式，包括停机、启动、暖机、加速、运行等。在自动起机模式下，根据起机曲线的升速率，蒸汽透平将自动从零转速升到最小转速或额定转速。另外，还将组态迅速越过临

界转速的控制。在半自动起机模式下，操作人员可在从零转速到最小转速之间的任何转速下停留。一旦达到最小转速，操作人员可将转速进一步提高到工作转速。机组调速控制见图5所示。

机组启动、运行及超速试验共分为九个模式0～8，在不同模式下有不同的升速目标值和不同的升降速率，并可以通过模式限制调速阀开度和电磁阀的带电状态和启动时的暖机时间。

启动顺序由一系列方式和状态组成，TRICON系统中的顺序逻辑指定在任何当前方式下程序将会进入某种方式。以保证特定的程序进程以及在某一特定机械设备故障情况下采取的动作。

当启动程序选择自动升速方式，透平转速将沿升速曲线自动上升。

当启动程序选择手动升速方式，可由现场控制盘升速/降速按钮或操作站上的升速/降速软按钮来执行，系统默认为操作站，若由现场控制盘升速/降速按钮进行升速和降速，则通过就地盘/控制室选择开关来实现。

图5 循环氢压缩机C3001调速控制图

3、防喘振控制

离心式压缩机的控制都设有防喘振控制以防止机组喘振，这里采用了机组出口回流到入口的方式，在控制系统中利用TRICON 防喘振扩展函数功能模块来完成压缩机的防喘振控制。防喘振控制策略的标准特性有：

1）可选择差压或升压的算法；

2）如果喘振发生，喘振安全裕度可自动修正；

3）快开线功能可以在工作点向喘振线窜动时及时打开防喘振阀；

4）独特的喘振控制器带有适应增益及快开/慢关响应等功能；

5）比例调节功能可以“迫使”防喘振阀独立于PI调节而打开；

6）灵活的启动和跳车逻辑；

7）可选择手动控制器帮助设定、测试和故障排除；

8）喘振逼近或透平跳车时，电磁阀触点输出可强制打开防喘振阀。

TRICON系统具有独特的的防喘振方案，对于变化范围很大的不同气体条件，通过定义喘振点，提供了完全精确的防喘振控制。这种方法使得定位控制线成为可能，通过减少不必要的回流来优化喘振保护，并增加了整个装置的运行效率。

防喘振控制系统可由单元框图形式来描述。每个框图有已定义的功能，且通过输入输出信号与其他框图相互作用，完善的防喘振控制功能模块和方便的组态，使防喘振控制在TRICON系统中易于实现。图6是TRICON系统典型的防喘振方框图，图7为循环氢压缩机C3001的防喘振操作界面。

图7中的喘振曲线图，其中有喘振线和防喘振线，当喘振发生后防喘振线每次增加2%生成喘振下

移线，成为新的防喘振线。当工况稳定脱离喘振区后，可按复位按钮，取消喘振下移线。恢复原防喘振线。

随工况移动的工作点，指示出现在的工作点与防喘振线的距离。

控制方式：有自动，半自动和手动，三种方式。

自动方式下，喘振控制输出为自动控制输出。

在手动方式下，输出阀位由操作人员在操作站“手动输出”上给出。

当在部分手动状态下，手动控制值，与喘振控制输出值选高值。

喘振控制由喘振线和防喘振线及喘振下移线组成，当工作点越过防喘振线时，防喘振阀开始打开，起到保护机组的作用。

4 系统维护

为保证TRICON系统的长周期安全稳定运行，必须按照厂家提供的系统维护手册要求，结合专业特点进行维护，对系统的各种模块、网络通讯、工作环境和重要参数进行定期检查，及时发现系统异常情况。同时，必须检查旁路开关盘的状态和联锁条件，定期通过编程软件收集诊断信息，严格按照操作指导书更换有故障的模块等。

当装置出现异常引起停车、停机事件时，可以通过TRICON系统提供的SOE记录和人机界面Intouch提供的各种历史趋势进行综合有效分析，判别事件发生的先后顺序和相关参数的变化趋势，确定事件的直接原因。

5 结束语

TRICON系统于2006年9月在加氢联合装置投入使用以来，可靠性高，功能强大，可用性和可维护性高。由于对该系统的掌握比较深入，良好的服务团队和丰富的工程经验使整个加氢联合装置的TRICON系统集成功能完善，使用方便。同时由于维护到位，系统一直处于良好的运行状态中，确保了装置和机组长期、稳定和高负荷运行，取得较为明显的经济效益。

参考文献

[1] TRICON Technical Product Guide Version9.4 systems .[美] TRICONEX公司，1999-2004；

[2] 中国石化股份有限公司广州分公司加工中东含硫原油及生产清洁燃料配套工程加氢联合装

置安全仪表系统(SIS)规格书；

[3] 中国石化股份有限公司广州分公司加工中东含硫原油及生产清洁燃料配套工程加氢联合装

置安全仪表系统(SIS)技术附件；

[4] Tricon硬件安装手册培训教材，北京康吉森自动化设备技术有限责任公司，1998

[5] 创康安全和关键控制系统，北京康吉森自动化设备技术有限责任公司，2008

[6] TS3000系统透平及压缩机控制技术，北京康吉森自动化设备技术有限责任公司，2008

[7] TS3000在炼油装置上的应用，北京康吉森自动化设备技术有限责任公司，2008

[8] TriStation 1131， Developer’s Workbench， Developer’s Guide. 版本V4.5，北京康吉森自动

化设备技术有限责任公司.1998

[9] TRICONEX TriStation 1131 Turbomachinery Control Software:Control Functions Library

CTL410.LT2， Document No.:CTL410.doc， January 2005；

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TRICONEX的TS3000机组综合控制系统在格尔木炼油厂的应

用

-------青海格尔木炼油厂仪表管理 朱红

摘要:本文介绍了TRICONEX的TS3000机组控制系统在格尔木炼油厂催化装置四机组的应用,重点介绍用TRICONEX的TS3000控制系统代替原来的SIMATIC S5 PLC的优点和系统的可靠性、可用性和灵活性,最后阐述该系统在格尔木炼油厂的长周期运行以及创造的经济效益.

关键词:TS3000系统 三重化冗余联锁保护 自动调速控制和超速保护 事件记录

1.概述

格尔木炼油厂催化装置是在1993年正式投产，已运行多年。该装置的机组主要有：发电机/电动机—蒸汽透平—主风机—烟机四机组：一台电机驱动的备用风机；三台电机驱动的增压机；一台蒸汽透平驱动的气压机，控制系统为老式的

SIMATIC S5 PLC系统。具体如下：

?单PLC实现机组（包括主风机、备用风机、增压机及气压机）的联锁保护（ESD）；

?日本富士的架装调节器完成防喘振控制；室内手操器输出至现场机械式液压调速机构实现

调速功能；

?本特利3300监控组轴振动、位移；

?普通的架装调节器实现机组过程参数（如，温度、流量、压力等）的监控； ?架装记录仪记录事件

此种控制方案技术落后，控制方案交叉、复杂，采用多种控制器分别监控，不利于综合控制和集中管理，防喘振和调速功能的实现方式落后，且现场控制器及设备由于投用时间较长，老化严重，易发生装置的误报警及误停车，已不适应目前的大规模生产的要求。另外，由于原系统只有几台记录仪，没有SOE功能，在发生事故时很难查找其真正原因。同时，本催化装置的反-再联锁ESD用单PLC实现，没有TUV的SIL3级认证和SOE功能，存在安全隐患。

图-2 四机组的现场透平机械式液压调速机构

为了长周期运行和对机组各个性能进行一个全面的监控、控制和自动保护，

我们选用TRICONEX的TS3000机组综合控制系统来实现对原有机组SIMATIC S5 PLC系统和装置ESD进行全面改造和升级，改造后的系统涵盖原系统所有控制，并且极大的提高了装置的自控水平。四机组控制

室设立主机架和一个远程机架，气压机控制室设立远程机架和一个扩展机架，催化反-再联锁ESD设立一个独立的机架，远程机架之间通过三重化的远程光纤传递数据。在硬件上设立单独的I/O卡件，软件上设立单独的程序块独立运行。保证了系统的各个机组控制的独立性。

2.TS3000系统的主要优点

2.1具有强大功能的软硬件

TS3000系统硬件基于三重冗余容错的TRICON V9系统，软件基于Win2000环境的Tristation1131编程软件，将联锁逻辑功能和包括防喘振、调速功能控制在内的调节功能集成于一个系统平台上完成，实现了控制系统的高度可靠性、集成性及完整性。系统的安全等级可以打到TUV的AK6级要求。

TS3000系统专用的Tristation 1131编程软件包将安装在Win2000操作系统下，用来实现系统组态、应用编程、程序离线模拟、程序下装，在线修改、在线下装及系统维护等功能。提供包括功能块图、梯形图、结构化文本等编程语言，包含多种现成的逻辑块、控制块，并可根据自身控制要求创建特定功能块，为编程提供了极大的方便。

监控软件选用Wonderware公司的Intouch8.0软件，其系统平台基于WIN 2000操作系统，可以提供良好的中文人机界面。该软件通过高速网络及通讯卡与下层控制器保持通讯，确保数据的及时刷新；通过此软件能够实现绘制流程图形及报警显示、记录过程报警、记录历史数据及历史趋势、完成过程操作等功能,并能够直观动态地显示当前压缩机的工作点，从而更好地实现操作人员监控和操作。

2.2高性能、高可靠的三重冗余化控制联锁保护

本系统全面囊括了炼油厂催化机组的所有联锁保护，主要有以下:

1) 催化四机组(电动/发电机—汽轮机—风机—烟机)的安全联锁（ ESD）系统； 2) 备用主风机组和增压机组的ESD系统； 3) 富气压缩机组(汽轮机—压缩机) ESD系统； 4) 汽轮机、烟机的调速和超速保护系统系统； 5) 四机组的防喘振控制系统；

6) 富气压缩机、备用主风机的防喘振控制系统；

7) 其它参数（如，主风机流量、负荷、压力、温度、振动及位移等）的监控； 8) 催化装置的反-再联锁自保系统（ESD）

2.2.1直观的机组联锁保护及逻辑功能

来自现场的各类过程输入和输出信号经过相应的端子板、继电器以及I/O卡件与TS3000系统连接，信号线路排列整齐，标识清楚，便于查找，解决了原来单台设备的控制分散，信号分散，信号查找困难问题。信号通过主处理器内部的用户程序来实现机组的联锁停机逻辑和开机启动顺序控制等。即，采用三重冗余容错的控制系统替代了原有的单片机PLC系统，I/O卡件具有在线更换和带电插拔功能,每一种卡件都有冗余功能,其中一块卡件故障时,不影响系统的正常运行,并且通过系统诊断或硬件指示灯来判断故障原因,极大的增强了系统的可靠性、可用性和灵活性.给操作工或仪表工程师提供了一个非常直观的判断问题的界面.另外,在人机界面上直观的将机组开机顺序和停机逻辑关系图一一列出,并且做了旁路开关，遇到问题先解除联锁，再进行分析。使大家通过逻辑图掌握开机条件和停机原因，以前这些资料只能找图纸,使得很多人对机组联锁保护无从知晓,不管是仪表维护工或者是操作工再不会在联锁投用的时候去维修或操作，使得装置非正常自保。

四机组联锁逻辑 1 机组超速 5980RPM 三取 1．主电机跳闸

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 机组超速 机组超速 润滑油压力过低 润滑油压力过低 润滑油压力过低 烟机轴位移过大 风机轴位移过大 汽轮机轴位移过大 手动停机按钮 5980RPM 5980RPM 0.1MPa 0.1MPa 0.1MPa ±0.6mm ±0.7mm ±0.7mm 二 OR 2．烟机入口蝶阀关 3．汽轮机主气门关 三取 二 延时3秒 4．烟机入口闸阀关 5．风机出口止回阀关 6．风机防喘振阀开 7．存储器置0 8．联锁去装置ESD 操作画面手动停机按钮 （主备机切换开关在主机位置）

2.2.2安全可靠的汽轮机、烟机的调速控制和超速保护

TRICONEX根据汽轮机的启机曲线编制自动或半自动启机程序。在通常应用中，机组的速度控制可以有多种运行方式，包括停机、启动、暖机、加速、运行等。在自动启机模式下，根据启机曲线的升速率，蒸汽透平将自动从零转速升到最小转速或额定转速。另外，还组态迅速越过临界转速的控制。在半自动启机模式下，操作员可从零转速到最小转速之间的任何转速下停留。一旦达到最小转速，操作员可将转速进一步提高到工作转速。同时，汽轮机、烟机的超速保护可以在控制系统内

部通过三取二算法对机组进行超速保护。操作工在清晰而直观的流程图中，能够得心应手一步一步进行操做，这在原来的系统中是不可能实现的，以至于很多人对机组操作都成了迷。在新系统上了之后，很多人在这种界面和人机对话中，学会了机组的操作和开机、停机本领，尤其是新手更容易掌握，真正实现自动控制和联锁保护功能。

四机组开机和调速画面

2.2.3先进的四机组、备用风机及气压机的防喘振控制

四机组、备用风机、增压机和气压机的防喘控制是依据机组的机械性能特性及喘振曲线，结合相关的理论计算公式来实现的。TS3000

系统根据压缩机入口流量、入口压力、出口压力及相

应的温度，利用TRICONEX独特的防喘振技术来判断是否发生喘振。正常工作时，PID

调节功能几乎保持不变，当工况发生变化，PID调节功能自动打开或关闭防喘振阀进行安全校正，进行自适应控制，当操作点移向控制线右侧，比例度自动减少，同时缩短积分时间，增强调节功能。当操作点超过控制线，这时积分时间最小，进行纯比例调节，如果操作点和控制线交叉，则控制器直接输出一个开关信号直接控制电磁阀打开防喘振阀实现提前保护，达到防喘振的目的。直观的人机界面和工作点状态，使压缩机组工作于最佳工作点，完全替代原来的防喘振调节器，消除了原来人工手动调节的诸多不利因素和误差，大大提高了对机组的保护功能。

2.2.4简单的过程功能调节和直观的人机界面

对于其它的各种流量、压力、温度、液位等过程调节，通过TS3000内置的固有控制模块或创建的特定控制算法来实现控制功能，替代原有调节器。画面集中，调节简便，控制精度高，实现了优化操作。

机组画面分为四机组、气压机、备用风机、增压机等画面，画面相互独立，各自有主菜单和分菜单，每套机组画面都有主流程、联锁动态监控、控制回路动态监控、防喘振监控、调速和超速控制、系统参数数据显示、报警、历史、系统诊断等画面，每台工作站都能进行操作和监控，实现了集中管理，集中控制，减轻了操作工的劳动强度，消除了以前凭经验、摸索操作的不正确做法。

2.2.5过程信息监控

在中心控制室中设置两台监控操作站，操作站通过冗余的以太网卡、冗余的铠装光纤与位于四机组机柜室内的主机架TS3000控制器通讯。所有操作站的系统软件环境为中文Win2000平台，通过用户名和口令保护设置多个访问级别；在操作站上，实现工艺流程图、动态工作点、报警日志、历史趋势等各项显示，同时完成包括启停机、手/自动调节、负荷设定调整等在内的各项操作。另外，TS3000系统具有强大的通讯能力，提供包括以太网、MODBUS在内的多种通讯接口，实现与DCS系统、操作监控站、编程维护站、在线设备诊断系统等的通讯，实现了机组与催化装置DCS的通讯，并在DCS上进行相关数据显示和net S8000机组在线诊断系统的通讯，达到对机组状态的适时监控。

2.2.6编程及维护：

编程软件Tristation1131工作于Win2000环境下，完全符合国际IEC1131标准，人机界面友好，可以非常简便地对系统进行设置，对具体的应用程序进行编程、编译、下装和在线修改，可以对所编程序进行离线模拟，可以对系统的软件和硬件状态进行在线诊断，可以根据实际需要对过程变量进行强制等；该系统功能先进，通俗易懂，仪表工程师已能对该系统进行故障判断、硬件更换、软件程序修改、调试、下装工作。

2.2.7事件记录（SOE）：

系统内置的SOE功能以毫秒级的速率采集和记录发生的事件，最多可记录60000条事件，可以记录故障报警，捕捉第一报警信息，为事故分析提供第一手详实的信息；对SOE的记录和检索功能集成于工程师站内；采集的SOE数据可实时存贮在硬盘的历史中，并可通过打印机打印出来。为事件的分析创造了非常好的证据。便于总结经验排除故障，尽快恢复操作。

3.结束语

TRICONEX的TS3000机组综合控制系统将传统上需要多个分立仪表如防喘调节器、联锁自保单元、电子调速器、负荷调节器等实现的功能集成在一套可靠性极高的系统中完成；减少了各个设备间的连接和通讯、减少人为因素和设备故障发生的几率，降低了长周期运行成本，并提供了更加良好的操作监控界面，具有画面直观，机组运行状态直观、机组重点资料全部呈现于画面的特点，集成化最高以及最大限

度的方便了将来主风机和气压机改造扩能的系统扩展。

系统改造后彻底消除原来系统安全隐患，确保系统操作灵活、控制可靠，长周期安全、稳定运行，最大限度的为我厂催化装置安、稳、长、满、优运转提供前提保障，以及为我厂的经济建设更好的服务。

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监控组态软件的相关技术发展趋势

相关技术, 组态, 软件, 趋势, 发展 1 监控组态软件的发展变迁

&c6u9E_xM3S

监控组态软件已经成为工业自动化系统的必要组成部分，即“基本单元”或“基本元件”，因此吸引了大型自动化公司纷纷投资开发自有知识产权的组态软件，以期依靠强大的市场产生大批量的销售，从中获取利润。作为自动化通用型工具软件，组态软件在自动化系统中始

终处于“承上启下”的地位。用户在涉及工业信息化的项目中，如果涉及到实时数据采集，首先会考虑使用组态软件。正因如此，组态软件几乎应用于所有的工业信息化项目当中。应用的多样性，给组态软件的性能指标、使用方式、接口方式都提出了很多新的要求，也存在一些挑战。这些需求对组态软件系统结构带来的冲击是巨大的，对组态软件的技术发展

起到关键的促进作用。

目前在国内外市场占有率较高的监控组态软件分别是GE Fanuc的iFix、Wonderware的Intouch、西门子WinCC、Citect和LabView等。中国大陆厂商以力控、亚控等为主，除此外尚有5~10个厂商从事监控组态软件业务，在国内市场上，高端市场仍被国外产品垄断。

国内产品已经开始抢占一些高端市场，并且所占比例在逐渐增长。

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2 监控组态软件的几个技术热点

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2.1监控组态软件的功能变迁

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功能变迁：仍以人机界面为主，数据采集、历史数据库、报警管理、操作日志管理、权限管理、数据通讯转发成为其基础功能；功能组件呈分化、集成化、功能细分的发展趋势，

以适应不同行业、不同用户层次的多方面需求。

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新技术的采用：组态软件的IT化趋势明显，大量的最新计算技术、通讯技术、多媒体技术

被用来提高其性能，扩充其功能。

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注重效率：实际上，有的“组态”工作非常繁琐，用户希望通过模板快速生成自己的项目应用。

图形模板、数据库模板、设备模板可以让用户以“复制”方式快速生成目标程序。

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组态软件注重数据处理能力和数据吞吐能力的提高：组态软件除了常规的实时数据通讯、人机界面功能外，1万点以上的实时数据历史存储与检索、100个以上C/S或B/S客户端对历史数据库系统的并发访问，对组态软件的性能都是严峻的考验。随着应用深度的提高，

这种要求会变得越来越普遍。

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与控制系统硬件捆绑：组态软件与自动控制设备实现无缝集成，为硬件“量身定做”。这表明组态软件的渗透能力逐渐加强，自动化系统从来就离不开软件的支持，而整体解决方案利

于硬件产品的销售，也利于厂商控制销售价格。

2.2OPC技术及其最新的UA(Unified Architecture)框架

标准化使工业自动化业内的硬件、软件生产商、集成商和最终用户受益匪浅，OPC作为新兴的数据互联国际标准，其贡献是巨大的。目前OPC在解决工业设备实时数据采集与通信方面已经获得业内的广泛认可，是降低系统间互联成本的最佳途径。但是OPC本身仍处于

快速发展、进化之中。

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现有OPC标准已经诞生10年有余，此间技术已经取得了很大进步，因此新的标准必须诞生，以跟上技术进步的步伐，OPC UA 工作组就是在这样的背景下诞生的。OPC基金会于2004年1月成立了UA工作组，致力于采用最新技术把OPC建成一种新的系统架构，满足互操作和即插即用、自动识别的要求。以期这种新的架构在今后10年或更长时间成为自动化领

域的新标准。

2006年6月，OPC基金会发布了第一部分UA标准，截止2008年12月底，基于ANSI C/C++、

JAVA、Microsoft .NET平台、用于实现OPC UA功能的大部分代码框架已经公布。

下面是OPC UA标准诞生的一些详细背景和原因：

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微软公司为发展跨平台Web服务的技术和SOA (Service Oriented Architecture)技术，不再重

点发展COM技术，OPC技术面临失去技术支撑的境地。

OPC产品供货商希望一个OPC产品能够提供多种数据服务，而非像现在那样把产品分为

~8n5W%S3X6Y&yDA、 A&E 、HAD等多种模式。

OPC产品供货商希望OPC产品能够运行于非微软的操作系统中，包括嵌入式设备上。

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其他一些OPC基金会的合作组织需要支持高级结构化数据的可靠和有效的实现手段。

OPC UA的主要内容：

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全面确立以面向服务（service-oriented）为核心的概念，UA被描述为一组分层次的规格书，

目前由11部分构成，分别是：

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v;d8S}&w922Part 1 - Concepts（概念）

Part 2 - Security（安全）

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Part 3 - Address Space（地址空间）

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Part 4 - Services（服务）

Part 5 - Information Model（信息模型）

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+ P*FE\h+u1hPart 6 - Mappings（映像）

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Part 7 - Profiles（简介）

Part 8 - Data Access（数据访问）

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Part 9 - Alarms and Conditions（报警与条件）

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Part 10 - Programs（程序）

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Part 11 - Historical Access（历史访问）

为了明确表达UA的结构，在以上规格书中，OPC基金会故意使用了一些抽象的概念和术语，在这些规格书的后半部分，特别举例说明如何通过现有技术来编程实现这些概念。UA的这种全新结构以及与其相关的这些技术规格书，其阅读难度要远超过现有基于COM的OPC标准。因此在着手学习OPC UA规格书前最好先读一些介绍性的文章，循序渐进地深

入。

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}0{@2.3跨操作系统平台技术

监控组态软件应用于大型SCADA系统，如天然气管道、石油管道、铁路、电力等行业，出于安全、高效等角度考虑，这些大型SCADA多数要求软件使用UNIX/LINUX操作系统。以基于UNIX/LINUX平台分布式实时数据库为核心的SCADA系统构成监控组态软件的各种组件，如分布式实时数据库、I/O通讯程序、控制策略程序等，出于系统拓扑设计、实际情况要求，经常需要运行于嵌入式设备中，这些嵌入式设备以Linux平台的开放性最好，主要用于系统间互联、数据采集并计算、无人站数据远传、海量实时数据存储、特殊控制等要求，如果不借助监控组态软件的现有成果，实现上述功能的系统维护代价非常高，且容易造成信息孤岛，不利于系统扩展。监控组态软件的跨操作系统平台技术就很好地解决了这一问题，因为垮平台的特点，保障了组态软件的这些组件能够成功地向Linux系统移植。

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由于OPC UA标准的推出，也给组态软件的跨平台技术指明了方向，跨平台不是监控组态

软件的可选项，而是必选项。

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3 监控组态软件与未来控制系统发展的相互影响

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3.1开放系统与PAC控制器

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随着软件、硬件标准化的发展，PLC、DCS等控制系统间界限愈加模糊，在设计人员的脑海里只有“控制器”的概念，用户在选型、设计时不必关心所使用的究竟是DCS还是PLC。

PAC（programmable automation controller）就是在此情况下应运而生的。

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很多PAC控制器内置Web Server，带有XML编程接口，或者直接内置OPC UAServer ，

带有鲜明的开放系统特点，同时也带有明显的IT特征。

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# x+ T;qA^$MPAC与组态软件有什么关系呢？或者说对监控组态软件的发展会产生什么样的影响呢？

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由于PAC诞生较晚，无论从硬件还是软件方面，都表现出“集成化”的特征。PAC控制器大量地使用已有的成熟技术，这些成熟技术既包括硬件，也包括软件。PAC对这些已有技术

进行必要的改造后纳入控制器的内部，使之成为有竞争力的产品。

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与其他控制系统相比，很少有PAC控制器厂家同时拥有自己专用的操作站软件，大多与成熟的监控组态软件配套使用，构成完整的监控系统。因此PAC与监控组态软件保持着一种

天然的近亲关系， 这也体现了社会分工的细化。

PAC控制器对组态软件的发展产生的影响可以概括为：

(1) PAC控制器为基于嵌入式实时内核的嵌入式分布式实时数据库提供了组态软件向下扩展

的机遇，嵌入式分布式实时数据库同时也大大提升了PAC控制器的处理能力。

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(2) PAC控制器为基于嵌入式实时内核、符合IEC61131-3标准的软PLC技术提供了更广阔的发展空间，同样地，这种符合IEC61131-3标准的软PLC技术一方面提升了PAC控制器

的处理能力，另一方面加速了其控制软件的成熟速度。

(3) 控制器与上位监控组态软件的无缝集成技术

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控制器与上位监控组态软件的无缝集成，最早见于DCS系统。PAC控制器与监控组态软件

实现无缝集成后，便可在功能上缩小与DCS的差别，也是提高控制系统实施效率的有效手

段。这种无缝集成能够达到以下目的：

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控制策略一经生成，以监控组态软件为核心的操作站系统便自动生成实时数据库（同时包括过程变量和控制站状态变量），省去了手工建立数据字典的工作量及可能出现的错误和排错工作；另外，基于过程控制的专用模板能够快速构建PID回路图、小组画面等过程操作画面，就像在组态软件中组态历史趋势图一样，在可复用的模板上填上对应的变量名称即

可。

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3.2开放控制系统防病毒和黑客攻击技术

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随着系统开放性要求的不断提高和工厂控制网络的发展、升级，控制网络与外界的彻底隔离变得越来越难做到。为控制系统的安全起见，监控组态软件的操作站需要安装防病毒软件，以防止蠕虫类病毒对系统的运行造成影响。另外，随着软件标准化的发展，监控组态

软件操作站的文件系统，尤其是文件内的数据，被非法修改的危险也是存在的。

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监控组态软件操作站避免被病毒、黑客攻击的重点防范集中在以下方面：

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(1)使用工业网络安全防护网关，将计算机操作站及控制网与办公网实现彻底隔离，切断非

法数据、黑客、病毒的传播途径。

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(2)计算机操作站避免因病毒而死机、失灵或失去控制；这一点需要操作系统、防杀毒软件

的数据接口配合，以便在组态软件中能够及时对出现的病毒进行报警。

(3)防止非法登录、篡改数据、读取数据；组态软件现有的安全机制可以有效地防非法登录、

非法篡改数据，非法读取数据主要依赖数据文件的加密和文件的打开权限。

另外，在监控组态软件中对网络交换机的状态进行必要的监控也是必要的，多数网络交换机都支持SNMP（简单网络管理协议,Simple Network Management Protocol）数据交换标准，因此监控组态软件可透过SNMP接口来监控网络交换机的状态，对流量异常、端口状态、

非法访问等及时发现并报警。

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3.3SIS安全认证与FDA 认证

控制系统的最重要指标是安全可靠，以往对可靠性指标的衡量标准是平均无故障时间

+ ~#h#qF%GM3nKN7（MTBF），这一指标的测量一般是通过对样机测试得到的数据。MTBF并不能代表每个系

统个体的可靠性，而且对于一个控制系统来说，MTBF也是难以通过检测的方法得到其真实

的数据。

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近几年，国际电工委员会针对系统可靠性的定义、认证等标准研究已经取得非常多的成果，并发布了很多这方面的标准。这些标准的采用将对监控组态软件带来重大影响，SIS

（SafetyInstrumentSystem）就是其中的一个子集。

IEC61508.1-7《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》标准的颁布，标志着功能安全作为独立的安全学科，进入实际的应用阶段。随后，各个应用领域的功能安全标准也相继制订。这些标准都是以安全完整性等级(SIL)来评估仪表和系统的风险程度。这样，“安

全”即成为可度量的一个指标。

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按照作者的理解，一个自动化系统的安全级别首先取决于系统框架设计，其次取决于所选

4 p#K26ET5N+G用产品的安全等级。一个系统的安全级别对应着一套系统配置数据字典，设计人员按照安全级别来设计系统结构、系统配置，提出设备选型要求，设备供货商（包括软件开发商）

按照SIS规范来设计产品。符合SIS规范的产品实行全球统一认证和互相认证。

安全仪表系统分Z-1、Z-2、Z-3三类。Z-1类的安全系统可用性一般，一个中央CPU模块通过单总线与I/O模块相连，它与普通PLC不同之处为通过中央CPU的自我测试以及采用可测试I/O模块，失效时的输出也能保证安全状态等。Z-2类的安全系统可用性较高，中央CPU模块冗余，其他与Z-1相同，这样允许一个CPU模块出现故障，而另一个仍然维持正常工作。可用在AK5级安全要求等级以下的场合。Z-3类的安全系统可用性很高，结构为全冗余，即CPU模块、总线、I/O模块均双重化，用在AK6级安全要求等级的场合，允许单通道在不超过1小时内将出故障的模块更换掉，保证生产不中断。对于安全要求等级为AK7、AK8级的场合，还要考虑双重化冗余系统中结果比较不一致而无法判断对错的情况，则应采用三重模件冗余(TMR)方式，系统根据少数服从多数原则。另外系统还应具有容错性，采

用故障容错辅助软件技术(SIFT)，做到系统某部分出现故障时，仍可继续工作。

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安全相关系统的实现包括两个部分即硬件和软件，这个阶段是通过设计、选型来满足系统

的安全认证要求。

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安全相关系统的实现阶段包括： 安全要求规范(安全功能要求规范和安全完整性要求规范)、

安全确认计划、设计和开发、集成、操作和维护规程、安全确认。

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软件安全生命周期(实现阶段)包括：软件安全要求规范(安全功能要求规范和安全完整性要求规范)、软件安全确认计划、软件设计和开发、PE集成(硬件和软件)、软件操作和维护规

程、软件安全确认。

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从安全系统再回到监控组态软件的话题，SIS系统的普及对软件的容错、冗余热备功能提出了更高的要求，也要求组态软件对硬件设备产生的诊断信息能够进行同步通知，对于符合

SIS规范的硬件，监控组态软件要配合与其进行系统联合认证或者互相认证。

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这种安全上的要求把由组态软件组成的中央控制室操作站视为一个统一体，通讯故障、服

务器故障时要求热备操作站即刻投入使用。

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与监控组态软件的安全性能有关的行业应用，以FDA CFR21 PART11标准最具代表性，该

2 CB9q9d#C^O标准的推出，是自动控制系统逐渐代表和占据核心工艺知识的体现，透过自动控制系统就能够解剖其核心工艺。对自动控制系统的电子记录、电子签名及在电子记录上的手签名进行信任认证，是FDA CFR21 PART11标准的主要目的，以确保产品是严格按照设定的工艺、配方生产出来的，以保证药品、食品的绝对安全。因为药品和食品的微量配方修改都可以

造成严重的后果。

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监控组态软件可以独立申请FDA CFR21 PART11认证，也可以与控制系统联合申请认证，

以力控科技的监控组态软件为例，就是配合控制系统硬件认证的。

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4 国产监控组态软件的自主创新及发展

4.1国产监控组态软件软件的创新发展历程

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监控组态软件是社会专业分工、产业细化的结果，只不过是国外厂商先行了一步，在国外同类产品问世的同一历史时期，中国同行在这方面的理论研究与探索，已经取得了比较丰富的成果。因此从本质上讲，国产监控组态软件都是自主研发、具有自主知识产权的。

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尽管是自主研发，但是产品也要避免在个别操作界面、操作习惯上与国外产品相似或相同。

自己的软件，要有自己的独特内容，体现自身的价值。

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以用户需求为驱动力的产品功能创新，中国监控组态软件市场的快速增长，是促进中国本土组态软件技术创新的强大动力，在采用先进的软件开发开发技术、开发平台方面的选择方面，中国的厂商与国外同行之间即使有差距，差距也在逐步缩小甚至已经没有差距。

4.2国产监控组态软件在发展过程中存在和面临的一些问题

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国产组态软件在市场夹缝中成长、壮大，得益于用户的大力支持，是中国的市场造就了中国的本土监控组态软件，也正是这种环境，再加上华为、中兴等电信设备制造商在国际市

场崛起的启示，国产监控组态软件树立了坚定的市场信心。

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与国外同类产品相比，尽管目前国产组态软件的市场占有率还难以登顶，但是可以乐观地

估计，在不远的将来，这一目标一定可以实现。

在组态软件的进一步发展过程中，仍遇到一些实际困难，相信这些暂时的困难只是国产监

控组态软件发展过程中的小插曲：

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大型项目在涉及监控组态软件的选型时，业主、设计院普遍存在盲目崇洋媚外的现象，为本土同类产品进入高端市场人为地制造了障碍，但是在本土监控组态软件厂商的不懈努力下，即使在国外产品占据绝对优势的项目当中，仍然可以在辅助系统、外围系统看到本土

软件的身影，这些软件的良好运行记录，或许改变这些业主对本土软件的态度。

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综合实力对比是最终的决定因素。要想从根本上取得市场的优势，本土软件企业的创新能

力、开发实力、服务能力、市场能力是最终的决定因素。

4.3软件盗版现象制约民族品牌的发展

有些用户往往为了节省成本而忽视使用正版软件，虽然不能真正做到节省成本，但是这种做法却在无形中提高了国外品牌产品的市场占有率。在遇到产品升级时还必须购买原厂家

的产品，采用盗版并不能节省成本，只是付费早晚的问题。

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监控组态软件厂家为用户提供不只是产品，还包含了很多服务，服务的层次有深有浅。通过接受厂家的各种服务，组态软件的用户可用收到超值的回报，比如系统应用框架方案的咨询与矫正、行业应用咨询、功能设计等等。而盗版的用户是无法获得这些服务的，因此

从广义上讲，购买正版组态软件是明智的做法。

在此倡议广大的监控组态软件用户，不要盲目迷信国外产品，多给国产的监控组态软件提

供市场

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