王利恒，易斯樂(lè)，吳 崧

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院,湖北 武漢 430205

0 引 言

發(fā)展重油加工技術(shù)是目前煉油工業(yè)的突出任務(wù)之一.延遲焦化技術(shù)具有流程簡(jiǎn)單、原料適應(yīng)性強(qiáng)、投資和操作費(fèi)用較低等優(yōu)勢(shì)，成為最主要的重油加工工藝之一[1]. 延遲焦化裝置屬于煉油廠較危險(xiǎn)的裝置，容易發(fā)生安全事故，如加熱爐開(kāi)工點(diǎn)火發(fā)生閃爆、誤開(kāi)焦炭塔頂蓋發(fā)生火災(zāi)等.這些事故給廠家造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，事故后大家也都從中吸取了教訓(xùn)，增加了安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，從而有效地避免了類(lèi)似事故的發(fā)生[2].

石油化工生產(chǎn)操作條件越來(lái)越嚴(yán)格，它向現(xiàn)場(chǎng)操作和工藝人員都提出了更高的要求[3].但是在另一方面又存在著比較嚴(yán)重的問(wèn)題：生焦周期內(nèi)工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)環(huán)境惡劣并且是周期性工作，如果工人對(duì)操作流程不熟悉或者在工作過(guò)程中偷懶，都非常容易發(fā)生人為誤操事故[4].焦炭塔越多，生焦時(shí)間越短，工作量就越大，這種矛盾也就越突出.針對(duì)這些問(wèn)題，筆者提出了焦炭塔操作仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)調(diào)試、儀表聯(lián)調(diào)階段，利用該系統(tǒng)對(duì)內(nèi)操員工進(jìn)行仿真培訓(xùn)，提高內(nèi)操員工操作熟練度、工藝操作水平和處理事故的能力，從而更好的保障裝置順利開(kāi)車(chē)和安全穩(wěn)定生產(chǎn).

1 仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 焦炭塔仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

由于焦炭塔工藝流程十分復(fù)雜，每個(gè)步驟都有很多子步驟，而每個(gè)子步驟都需要操作很多閥門(mén)，操作閥門(mén)時(shí)應(yīng)當(dāng)滿足一定條件，而且應(yīng)該操作正確的閥門(mén)，若操作了錯(cuò)誤的閥門(mén)或者沒(méi)有滿足具體條件，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故.正是由于這個(gè)原因，筆者開(kāi)發(fā)了焦炭塔操作仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能完全模擬焦炭塔工作流程，利用該系統(tǒng)對(duì)員工進(jìn)行操作培訓(xùn)，使員工達(dá)到一定的熟練度，從而避免現(xiàn)場(chǎng)存在的安全操作隱患.焦炭塔操作仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是用各個(gè)元件搭建起來(lái)的，分為主塔模塊、閥門(mén)模塊和管道模塊，按照順控流程圖(圖1)組裝拼接成型[5].

1.2 焦炭塔仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

焦炭塔仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示. 整個(gè)系統(tǒng)采用+5 V外部電源供電，各個(gè)模塊使用兩條總線連接：一個(gè)是電源總線，每個(gè)模塊通過(guò)該總線獲得電力供應(yīng)；一個(gè)是MODBUS總線，各模塊作為MODBUS從站點(diǎn)通過(guò)該總線來(lái)與主站點(diǎn)進(jìn)行通信.模塊以F310位主控芯片，完成各裝置的行為模擬以及狀態(tài)輸出功能.主控器模塊模擬可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，以下簡(jiǎn)稱(chēng)：PLC)系統(tǒng)的主控制器，作為MODBUS的主站點(diǎn)負(fù)責(zé)與各模塊的通信，并與上位機(jī)組態(tài)系統(tǒng)連接共同按照工藝流程統(tǒng)一協(xié)調(diào)整個(gè)工藝設(shè)備模擬模塊的工作.管道根據(jù)模塊控制接口來(lái)控制是否被點(diǎn)亮，用以模擬介質(zhì)的流動(dòng)與否[6].

圖1 順控流程圖Fig.1 Process diagram of sequential control system

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 Overall block diagram of system

2 焦炭塔仿真系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)原理

2.1 焦炭塔模塊設(shè)計(jì)

焦炭塔是整個(gè)焦化裝置的核心設(shè)備，整個(gè)工藝流程是圍繞該設(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行的.其行為模式主要有：在生產(chǎn)階段，物料料位、溫度、壓力隨生產(chǎn)過(guò)程的推進(jìn)而變化；在除焦階段對(duì)頂?shù)组y門(mén)的操作.因此，模擬時(shí)以生產(chǎn)階段來(lái)劃分，在不同階段下建立其狀態(tài)模型，通過(guò)單片機(jī)將其狀態(tài)值輸出.其狀態(tài)值輸出分為兩種形式：一種是表盤(pán)輸出顯示，用于提示用戶(hù)當(dāng)前的狀態(tài)；一種以MODBUS總線提供給MODBUS主機(jī)來(lái)進(jìn)行狀態(tài)更新和操作.

其表盤(pán)硬件主要由頂?shù)咨w機(jī)和物料料位、塔底塔頂溫度和塔內(nèi)壓力顯示等組成.塔頂?shù)咨w均用發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，以下簡(jiǎn)稱(chēng)：LED)來(lái)模擬其工作狀態(tài).塔頂蓋為4個(gè)紅色LED燈，當(dāng)頂蓋機(jī)關(guān)閉時(shí)，中間2個(gè)LED燈常亮；當(dāng)頂蓋機(jī)被允許開(kāi)時(shí)，開(kāi)始閃爍，提示用戶(hù)頂蓋機(jī)可以開(kāi)啟；在頂蓋機(jī)開(kāi)啟過(guò)程中，LED燈會(huì)根據(jù)頂蓋機(jī)開(kāi)啟程度亮滅；頂蓋機(jī)完全開(kāi)啟以后，4個(gè)LED燈中最邊上的2個(gè)常亮，說(shuō)明頂蓋機(jī)完全開(kāi)啟.底蓋機(jī)的原理與頂蓋機(jī)的原理相同，原理圖如圖3所示.物料料位、塔底塔頂溫度和塔內(nèi)壓力由不同階段的過(guò)程模型計(jì)算得到，控制器根據(jù)當(dāng)前所處的流程階段和狀態(tài)計(jì)算出該參數(shù)，顯示在表盤(pán)的LED數(shù)碼管上，并通過(guò)MODBUS總線傳給主站點(diǎn)使用.

圖3 焦炭塔原理圖Fig.3 Diagram of the instruction lights

2.2 閥門(mén)模塊設(shè)計(jì)

涉及到實(shí)際焦炭塔安全操作的閥門(mén)主要以開(kāi)關(guān)閥門(mén)為主，根據(jù)在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)閥位的控制可分為開(kāi)關(guān)量回訊閥門(mén)和模擬量回訊閥門(mén).對(duì)于開(kāi)關(guān)量回訊的閥門(mén)只存在開(kāi)和關(guān)兩種狀態(tài)，對(duì)于模擬量回訊的閥門(mén)在操作時(shí)可能會(huì)停在中間的某一個(gè)位置，為了統(tǒng)一模塊電路，在設(shè)計(jì)閥門(mén)模擬模塊時(shí)，同時(shí)提供閥位的開(kāi)度信息和開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息.而在實(shí)際使用過(guò)程中，組態(tài)軟件根據(jù)實(shí)際閥門(mén)的類(lèi)型來(lái)讀取不同的信息，從而完成不同閥門(mén)的區(qū)分.如圖4所示.

圖4 閥門(mén)模塊原理圖Fig.4 Schematic diagram of valve module

閥門(mén)模塊還需要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)功能是管道顯示控制功能.在實(shí)際裝置中，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，閥門(mén)上游的介質(zhì)就會(huì)流向下游管道.在實(shí)際功能模擬中，通過(guò)一個(gè)繼電器控制輸出，當(dāng)閥門(mén)模塊得電(模擬有介質(zhì)情況)而閥門(mén)閉合的情況下，繼電器斷開(kāi)，上游的控制電壓不能傳輸?shù)较掠喂艿溃掠喂艿啦稽c(diǎn)亮；當(dāng)閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，單片機(jī)控制繼電器吸合下游管段的顯示控制接通，點(diǎn)亮該管段，從而模擬介質(zhì)流通到該管段.

2.3 管道模塊設(shè)計(jì)

管道模塊不帶主控芯片，其主要提供電源和通信總線的通道以及模擬管道介質(zhì)的流動(dòng)情況.當(dāng)管道點(diǎn)亮模擬介質(zhì)流動(dòng)，管道熄滅模擬沒(méi)有介質(zhì)流動(dòng)，其主要由閥門(mén)模塊的管道控制接口來(lái)控制.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 MODBUS通信協(xié)議

在協(xié)議中，設(shè)備地址是被每個(gè)控制器所知曉的，識(shí)別消息并發(fā)生行動(dòng).當(dāng)需要回應(yīng)的時(shí)候，控制器產(chǎn)生反饋信息，接著MODBUS協(xié)議發(fā)出該信息.即該消息成為包結(jié)構(gòu)運(yùn)用于該網(wǎng)絡(luò).遇到特殊請(qǐng)求時(shí)，數(shù)據(jù)域可能長(zhǎng)度是0，服務(wù)器不必附加信息.對(duì)于一個(gè)正常響應(yīng)來(lái)說(shuō)，服務(wù)器僅對(duì)原始功能碼響應(yīng)，如圖5所示.

圖5 MODBUS圖Fig.5 MODBUS diagram

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)操作過(guò)程中，用PLC作為焦炭塔安全操作系統(tǒng)的主控制器，完成現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)的采集和流程控制工作.內(nèi)操人員通過(guò)操作員站點(diǎn)控制協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行.

現(xiàn)場(chǎng)PLC通過(guò)各類(lèi)卡件來(lái)完成現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)的采集和控制，模擬模塊是通過(guò)MODBUS通信的方式來(lái)獲取各種閥門(mén)的狀態(tài)和焦炭塔的工藝參數(shù)，并通過(guò)MODBUS的通信來(lái)發(fā)送閥門(mén)的操作允許指令.整個(gè)焦炭塔安全操作在該模塊中實(shí)現(xiàn)，如圖6所示.

圖6 MODBUS通信圖Fig.6 Diagram of MODBUS connection

首先，主控制器采集閥門(mén)狀態(tài)、主塔頂?shù)咨w機(jī)狀態(tài)、主塔內(nèi)焦炭位置溫度等參數(shù)，然后程序查詢(xún)這些狀態(tài)信息是否符合工藝流程，如果符合，則將操作權(quán)限下放到相應(yīng)的模塊，此時(shí)操作對(duì)應(yīng)模塊會(huì)被判為有效，流程繼續(xù)進(jìn)行；如果不符合，則有可能是以下兩種情況：一是參數(shù)超過(guò)工藝流程設(shè)定范圍，這種情況極有可能是設(shè)備出現(xiàn)故障或者流程中有差錯(cuò)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)將錯(cuò)誤信息顯示在操作面板上；二是還未達(dá)到工藝要求，這種情況下操作閥門(mén)不會(huì)有任何反應(yīng).

主控制器要實(shí)現(xiàn)的就是完全模擬延遲焦化工藝的各個(gè)工藝流程.在每一個(gè)步驟中，會(huì)不斷的采集從機(jī)的狀態(tài)信息以判斷是否滿足各步驟條件，如果滿足條件則向從機(jī)發(fā)送控制信號(hào)，這個(gè)時(shí)候需要對(duì)相應(yīng)的模塊進(jìn)行操作，例如閥門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉、水力除焦等；如果不滿足條件則繼續(xù)等待，此時(shí)的任何操作都無(wú)效而且對(duì)系統(tǒng)也不會(huì)造成任何影響，這在一定程度上避免了誤操作的發(fā)生，也就是說(shuō)，在條件不滿足的情況下，主控系統(tǒng)不會(huì)將操作權(quán)限下放到對(duì)應(yīng)模塊，系統(tǒng)對(duì)此時(shí)的操作不予識(shí)別，并且系統(tǒng)將保持該模塊原有狀態(tài).

閥門(mén)模塊均設(shè)置有允許開(kāi)、允許關(guān)、開(kāi)操作、關(guān)操作、開(kāi)回訊、關(guān)回訊、開(kāi)度回訊等參數(shù).開(kāi)/關(guān)允許是主控系統(tǒng)向閥門(mén)模塊發(fā)送的控制信號(hào)，當(dāng)主控系統(tǒng)允許閥門(mén)開(kāi)關(guān)的時(shí)候，也就是閥門(mén)被允許開(kāi)或關(guān)時(shí)，閥門(mén)的開(kāi)、關(guān)操作才有效.在閥門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉的過(guò)程中，其開(kāi)度會(huì)反饋給主控制系統(tǒng).當(dāng)閥門(mén)完全關(guān)閉或者開(kāi)啟以后，其開(kāi)/關(guān)回訊也會(huì)反饋給主控系統(tǒng).主控系統(tǒng)采集這些信號(hào)以判斷步驟是否進(jìn)行下去.

4 結(jié) 語(yǔ)

焦炭塔操作仿真盤(pán)是針對(duì)焦炭塔安全操作需求而設(shè)計(jì)的一套系統(tǒng)，既可以用于操作工培訓(xùn)也可以用于焦化生產(chǎn)安全操作工藝流程研討時(shí)的模擬仿真.

焦炭塔操作仿真系統(tǒng)主要依靠軟件完成延遲焦化工藝的邏輯控制，所以在軟件的編寫(xiě)上做到了以下2點(diǎn)：(1)完全正確的模擬延遲焦化工藝的邏輯控制關(guān)系，能通過(guò)硬件及時(shí)的反應(yīng)當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)和參數(shù)；(2)無(wú)誤差通信，各個(gè)模塊通信順暢，不會(huì)出現(xiàn)通信受阻或者通信錯(cuò)誤的情況.而在硬件方面做到了外觀美觀、操作方便、顯示信息直觀等特點(diǎn).

通過(guò)實(shí)際使用，該系統(tǒng)能正確模擬焦炭塔的生產(chǎn)過(guò)程流程，方便操作工的培訓(xùn).通過(guò)更改軟件還可以讓系統(tǒng)適應(yīng)不同煉廠焦化操作工藝的需求.

致 謝

本操作培訓(xùn)系統(tǒng)的工藝規(guī)程是由中國(guó)石化工程建設(shè)公司(SEI)李出和高工和李卓工程師提供并審定，由中國(guó)石化武漢分公司提供了經(jīng)費(fèi)支持，在此表示感謝！

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