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MTP装置烃压缩机安全继电器的控制策略优化

文档作者：李文兰向军张冰张新民文档来源：神华宁夏煤业集团烯烃一分公司		点击数：	更新时间： 2021年01月05日
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MTP 装置烃压缩机安全继电器的
控制策略优化①
李 文 兰向军 张 冰 张新民
（神华宁夏煤业集团烯烃一分公司）
摘 要 针对MTP 装置烃压缩机安全继电器存在的输入回路接线复杂、端子松动、控制程序逻辑不完
备和高频误动作问题，提出安全继电器硬件控制回路与逻辑优化、软件控制逻辑优化策略。优化改造
后，降低了安全继电器误动作的频率。
关键词 烃压缩机 MTP 装置 安全继电器 硬件回路接线 软件逻辑优化
中图分类号 TH４５ 文献标识码 B 文章编号 １０００-３９３２（２０１７）１０-０９８８-０４
神华宁夏煤业集团烯烃一分公司年产５０ 万
吨煤基烯烃项目甲醇制丙烯装置（简称MTP 装
置［１］ ）采用德国鲁奇技术，是世界上第１ 套工业
化应用的煤基烯烃装置，于２０１０ 年８ 月建成并投
产［２］ 。全装置有两台透平压缩机和６ 台成套小压
缩机。其中烃和丙烯透平压缩机是MTP 装置的
“心脏”，任意一台压缩机停机都会导致全装置停
车，并造成物料回流打循环和放火炬。
1 项目背景与改造目的
MTP 装置自开车至今，烃压缩机PilZ 安全继
电器发生两次故障。同时由于安全继电器故障信
号６０４XS５１２６A／B 参与压缩机停机联锁，而联锁
触发的结果是防喘振阀电磁阀失电、阀门打开，速
关油电磁阀关闭，最终导致烃压缩机跳车。因此，
对联锁信号参与安全继电器回路的控制策略进行
优化改造，以确保不因安全继电器故障而影响烃
压缩机长周期安全稳定运行是十分必要的。
2 PilZ 安全继电器工作原理与回路接线
PilZ 安全继电器是一款多功能、可自由配置
的模块化安全系统，由一个基础模块和若干个扩
展模块组成［３］ ，具有冗余双通道输入、输出功能。
它配置了具有隔离和增加辅助接点功能的继电器
模块（由几个继电器与电路组合而成），目的是互
补彼此的异常缺陷，降低误动作率。
2．1 工作原理
安全继电器通常由铁芯、线圈、衔铁和触点弹
簧片组成。当在线圈两端施加一定的电压时，线
圈就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁
就会在电磁吸引力的作用下克服弹簧的拉力吸向
铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触
点）吸合。当线圈断电后，电磁吸引力随之消失，
衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，
使动触点与静触点断开。如此吸合与释放，从而
达到导通与切断的目的。
2．2 引脚功能与回路接线
安全继电器（图１）由主功能模块SR 和扩展
功能模块EX 两部分组成：SR 模块集联锁信号输
入、被控对象信号输出与复位功能于一体；EX 模
块具有单双通道输入、多信号输出控制功能。
当安全继电器处于运行准备状态时，安全触
点闭合，电源Power 灯绿色表示电源供电正常，通
道１、通道２ 的指示灯绿色表示安全输入回路正
常，辅助触点４１-４２ 断开。如果输入回路断开，则
安全输出触点１３-１４、２３-２４、３３-３４ 也断开，辅助触
点４１-４２ 闭合，状态指示灯熄灭。
安全继电器有３ 种输入回路接线方式：
a．单通道输入。S２１-S２２ 短接，将急停按钮
常闭触点连接至S１１-S１２。
b．双通道输入，无短路检测。短接S２１-S２２，
９８８ 化 工 自 动 化 及 仪 表 第４４ 卷
① 作者简介：李文（１９８５-），工程师，从事压缩机及其控制系统的研究，liwen２１９＠１２６．com。万方数据
将急停按钮的常闭触点连接至S１１-S１２ 和S１１-
S３２。
c．双通道输入，有短路检测。短接S１１-S１２，将
急停按钮的常闭触点连接至S２１-S２２ 和S３１-S３２。
图１ 安全继电器结构示意图
安全继电器主副模块各引脚端子的含义见表１。
表１ 安全继电器主副模块各引脚端子含义
引脚端子含义
A１-A２ 供电端子，电源电压 ２２０V（AC）、１１０V（AC） S１１-S１２ 继电器安全输入通道 １（常闭触点 NC） S２１-S２２ 继电器安全输入通道 ２（常闭触点 NC） １３-１４ 继电器控制信号输出接点 １（常开触点 NO） ２３-２４ 继电器控制信号输出接点 ２（常开触点 NO） ３３-３４ 继电器控制信号输出接点 ３（常开触点 NO） ４１-４２ 继电器辅助输出接点 １（常闭触点 NC） S３４ 复位信号接点，用于激活继电器，使各状态指示灯
再次点亮、安全触点闭合
3 PilZ 安全继电器硬件控制回路与逻辑优化
3．1 硬件控制回路分析
安全继电器原设计输入控制回路框图如图２
所示。MTP 装置急停信号功能由两块冗余安全
继电器实现，即主功能模块SR０１、SR０２ 采用双通
道输入法串接三重化数字输入急停信号：操作盘
急停按钮信号、辅操台急停信号和机柜间急停信
号串接到一入两出安全继电器，其中一组直接经
Triconex 数字输入卡参与ITCC 三取二逻辑实现
联锁停车，另一组接到安全继电器第１ 通道S１１-
S１２；本特利振动信号、超速保护信号与ITCC 跳车
信号串接后，一组直接参与ITCC 三取二逻辑实现
联锁停车，另一组接到安全继电器第２ 通道S２１-
S２２，由两组安全继电器实现硬件冗余联锁跳车功
能。安全继电器主功能模块SR０１、SR０２ 输出的
常开触点１３-１４、２３-２４、３３-３４ 控制６ 台速关油电
磁阀，扩展模块EX０１、EX０２ 输出的常开触点１３-
１４、２３-２４、３３-３４ 控制３ 台防喘振阀的６ 个电磁
阀，安全继电器单故障信号参与ITCC 联锁停车逻
辑。
图２ 安全继电器原设计输入控制回路框图
由图２ 可知，本设计主要缺陷是：急停信号硬
件串接接线复杂，存在接线端子松动、虚接和误接
的隐患，任意一个急停信号故障都会引起压缩机
停机；安全继电器故障信号是单点联锁，任意一个
继电器故障都会触发联锁误动作停机。为此，将
安全继电器输入的各停车信号硬件联锁功能转化
为由ITCC 软件逻辑组态联锁实现停机，以有效降
低压缩机误停机的风险。
第１０ 期 李 文等．MTP 装置烃压缩机安全继电器的控制策略优化 ９８９
万方数据
3．2 逻辑优化
在符合工程应用的前提下，以安全稳定运行
为优化目标，设计一套以软件程序组态为主、硬件
连接为辅的安全继电器输入控制回路（图３），彻
底规避因安全继电器故障单点联锁或硬件多级串
接接线松动而导致的压缩机误停机。
图３ 优化后的安全继电器输入控制回路框图
将各急停按钮直接输入至安全继电器的信号
取消，在ITCC 程序中优化急停信号三取二的控制
逻辑。安全继电器的输入端仅保留ITCC 联锁逻
辑停机的４ 组信号（A、B、C、D），A、C 两组信号分
布在同一DO 卡并连接至SR０１ 的第２ 通道S２１-
S２２，B、D 两组信号分布在同一DO 卡并连接至
SR０２ 的第２ 通道S２１-S２２，将SR０１、SR０２ 的空通
道S１１-S１２ 短接，输出通道接线保持不变。同时，
在ITCC 组态中将两个继电器故障信号做二取二
联锁逻辑。
4 PilZ 安全继电器软件控制逻辑优化
MTP 装置烃压缩机的ITCC 控制采用三重化
冗余结构，易于组态，且性能安全稳定的TRICON
控制器。Tristation １１３１ 支持３ 种遵循IEC １１３１-３
标准的编程语言：功能块语言、梯形图语言和结构
文本语言。笔者采用功能块语言编程实现联锁逻
辑表决功能，继电器输入信号表决逻辑如图４ 所
示。在ITCC 程序中分别对三重化信号（急停按
钮、速度、振动）进行三取二表决，即A、B、C３ 个信
号两两相或运算后再进行与逻辑运算，最后再对
现场急停６０４HS５６０２、MTP 机柜间急停
６０４ES５６０３、中控辅操台急停６０４XS６０４１５、本特利
超速保护６０４SXHH５６０２ 和振动６０４VSHH５１００ 这
５ 组信号进行与逻辑运算，运算结果为０ 时触发
联锁，同时结果经A、B、C、D４ 个通道输出至安全
继电器主模块SR０１、SR０２ 的第２ 通道。
图４ 继电器输入信号表决逻辑
另外，在ITCC 监控画面醒目位置为安全继电
器运行状态设置报警指示，操作人员可以通过显
示器监控安全继电器的运行状况，当继电器运行
过程中出现故障或接线松动时，监控画面会出现
报警闪烁，提醒操作人员及时采取措施排除故障，
保证装置稳定运行。
5 应用效果
基于上述分析，在MTP 装置大检修期间对烃
压缩机安全继电器硬件回路接线和软件控制逻辑
进行了改造与优化。优化后，装置运行至今未发
生由于安全继电器故障而导致的烃压缩机跳车事
故，避免了机组损伤和人员伤亡事故的发生。聚
丙烯单产５３t／h，价格每吨０．８ 万元，从停机到启
机正常运行至少需要３h，则优化改造后每年减少
直接经济损失约１２７．２ 万元，为企业创造了可观
的经济效益。因此，针对安全继电器控制策略的
改进与优化是可行的。
（下转第９９４ 页）
９９０ 化 工 自 动 化 及 仪 表 第４４ 卷
万方数据
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 ———机器数量；
AMNBN ———每组机器安装断路器的数量；
AVERAM———平均每台机器安装断路器的数量；
AVERPN ———平均每人安装断路器的数量；
PN ———每组的人数；
PNBN ———每组安装断路器的数量；
TRWR ———人工安装相对机器安装的相对效
率，％。
可以看出，人工安装时每个工人的安装数量为
２．２９；而机器安装的数量为３１．３７，因此可以得出结
论，人工安装相对机器安装的效率仅为７．３％。
塑壳断路器视觉螺钉定位系统，CCD 相机视
觉定位系统的加入，使复杂的传统机构变得简单，
同时实现了微型元器件的定位。柔性双轴设计消
除了在安装螺钉过程中，双金属片由于弯曲变形
形成的干涉运动。视觉定位与力矩传感器保障了
螺钉安装的质量与合适的松紧度，并且螺钉安装
机可以在断路器金属片由于温度等原因发生弯曲
时实现自动补偿。自有的移动平台技术，使螺钉
安装机在平面上的定位更精确。
4 结束语
实际应用证明，塑壳断路器螺丝钉安装机不
仅能够正确安装金属片上的螺钉，其安装效率也
远高于人工安装。在市场同类产品中，如江苏泰
联达公司生产的在线式全自动锁所螺丝机，可以
快速而随机完成螺钉的安装。但与笔者设计的塑
壳断路器螺丝钉安装机相比，虽然安装速度更快，
但是由于无法灵活调整螺丝刀头的姿态，故很难
完成金属片上螺钉的安装。虽然本套设备可以解
决塑壳断路器金属片上螺钉的安装，但是效率仍
然有很大的提高空间。
参考文献
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测试系统［J］．电器与能效管理技术，２００８，（１９）：５８
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检测与控制技术［D］．天津：河北工业大学，２００７．
［３］ Vafiadis，Dimitris．Discussion of “Survey Results of Lowvoltage
Circuit Breakers as Found during Maintenance
Testing：Working Group Report” ［J］．IEEE Transactions
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１３７１．
［４］ 李睿，耿璐，程武山．基于机器视觉的螺母定位系统
［J］．机床与液压，２０１３，（２３）：６０ ～６４．
［５］ 王德会．基于机器视觉的自动螺丝锁付装备及定位
方法的研究［D］．广州：华南理工大学，２０１４．
［６］ 秦琴，屠子美，刘唯，等．一种基于视觉定位和扭矩
控制的自动拆卸螺钉方法及其装置［P］．中国：
CN２０１５１０３９７６７５．９，２０１５-０９-２３．
［７］ 邵新发，程武山．断路器长延时调整机构视觉定位
系统［J］．仪表技术与传感器，２０１５，（６）：８８ ～９１．
（收稿日期：２０１７-０４-２０，修回日期：２０１７-０８-２９）
（上接第９９０ 页）
6 结束语
笔者采用降低安全继电器硬件回路接线复
杂度和优化软件控制策略的方案，简化了安全
继电器输入回路繁杂的硬件接线，降低了继电
器的故障率，使得安全继电器故障不再影响烃
压缩机的正常运行。通过简单、直观的监控画
面报警提醒，操作人员能够在第一时间发现继
电器运行状态故障，以便及时排查故障原因并
采取有效措施，确保了压缩机的稳定运行，实现
了装置安全生产的要求，为企业经济效益达标
奠定了坚实基础。
参考文献
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应丙烯收率的研究［J］．广州化工，２０１３，４１（２３）：
１３８ ～１３９．
［３］ 邹阳方，孙长春，张文宏．PNOZmulti 模块化安全继
电器在涂装车间的应用［J］．汽车工艺与材料，
２００８，（１１）：３３ ～３６．
（收稿日期：２０１７-０６-１１）
９９４ 化 工 自 动 化 及 仪 表 第４４ 卷
万方数据

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