楊仁建，李愿來

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

二甲苯是一種重要的有機(jī)化工原料，隨著全球聚酯需求量的迅猛增長，對二甲苯需求量也日益擴(kuò)大，不斷提高對二甲苯產(chǎn)量勢在必行。將對二甲苯從混合二甲苯分離是制備對二甲苯的主要方法，目前對二甲苯分離主要有結(jié)晶法和吸附分離2種方法，現(xiàn)有芳烴聯(lián)合裝置多采用后者。

吸附分離技術(shù)涉及吸附劑、工藝流程、專用設(shè)備、模擬移動床控制系統(tǒng)(以下簡稱控制系統(tǒng))等多方面，其中控制系統(tǒng)是核心技術(shù)之一?？刂葡到y(tǒng)的主要作用是控制吸附塔的各股進(jìn)出物料按照工藝要求在給定的時(shí)間進(jìn)出特定的吸附劑床層、準(zhǔn)確控制吸附塔各股進(jìn)出物料及循環(huán)物料流量并保證吸附塔壓力穩(wěn)定。某研究院開發(fā)了一套功能完善、數(shù)字化及智能化程度高、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的模擬移動床控制系統(tǒng)，由于專用控制系統(tǒng)操作復(fù)雜，智能化程度高，人工干預(yù)少，對于裝置操作人員來說開停車過程和故障處理內(nèi)容的學(xué)習(xí)一般較難，也無法在短期培訓(xùn)中學(xué)習(xí)到不同工況下的操作及各種異常情況的判斷處理等技能，因此需要仿真系統(tǒng)進(jìn)行離線培訓(xùn)。在該情況下，針對吸附分離模擬移動床工藝，開發(fā)出1套以計(jì)算機(jī)軟硬件為基礎(chǔ)的吸附塔控制系統(tǒng)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，通過動態(tài)數(shù)學(xué)模型和步進(jìn)邏輯算法，設(shè)計(jì)并模擬出與吸附分離塔控制系統(tǒng)相似的環(huán)境，仿真培訓(xùn)系統(tǒng)為操作技術(shù)人員提供了一個(gè)近似于真實(shí)控制系統(tǒng)的操作環(huán)境和操作工況，可以模擬實(shí)際生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生的各種故障，提高了操作工應(yīng)對各種事故的能力，對企業(yè)的安全生產(chǎn)、穩(wěn)定運(yùn)行及提升產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

以雙塔吸附分離裝置的吸附塔控制系統(tǒng)為對象，設(shè)計(jì)開發(fā)了該控制系統(tǒng)的全工況仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，給出了仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)、數(shù)學(xué)模型建立、仿真功能模塊和控制算法模塊開發(fā)及仿真結(jié)果，并利用過程仿真平臺實(shí)現(xiàn)了專有控制系統(tǒng)的復(fù)現(xiàn)和模擬。

1 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

模擬移動床吸附塔控制系統(tǒng)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)采用性能穩(wěn)定、技術(shù)先進(jìn)的硬件平臺，保證了仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的順暢穩(wěn)定運(yùn)行。采用西門子PCS7系統(tǒng)編程，實(shí)現(xiàn)吸附塔專有控制系統(tǒng)的順控邏輯、工藝計(jì)算、容錯(cuò)處理、區(qū)域轉(zhuǎn)換控制、變量自切換及A/B閥切換等功能，并完成PLC操作站人機(jī)交互，保證與工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用完全一致。利用VS.NET編程，開發(fā)仿真系統(tǒng)控制臺軟件，包括培訓(xùn)模塊、現(xiàn)場操作模塊、監(jiān)控操作模塊、控制模塊、通信模塊等，通信協(xié)議采用OPC技術(shù)，通信周期最短為0.1 s。采用先進(jìn)/復(fù)雜控制理念，制訂方案并實(shí)現(xiàn)了具有可操作性的控制參數(shù)調(diào)整后控制系統(tǒng)跟蹤模擬。

整個(gè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示，由仿真模型服務(wù)器、教師指令臺(教員管理站)、PLC操作站及現(xiàn)場操作員站構(gòu)成。

1)仿真模型服務(wù)器是仿真模擬系統(tǒng)核心計(jì)算機(jī)。用于工程師針對客戶化的模型開發(fā)，動態(tài)仿真工藝模型的運(yùn)行。仿真服務(wù)器要求有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和良好的穩(wěn)定性，一般采用高性能的計(jì)算機(jī)。為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和方便系統(tǒng)維護(hù)，該服務(wù)器可同時(shí)作為模型開發(fā)的工程師站。

圖1 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)架示意

2)教師指令臺(教員管理站)的主要作用是控制仿真程序的運(yùn)行。教員可以在培訓(xùn)過程中調(diào)用顯示畫面，裝載啟停模型，增加過程干擾、故障及執(zhí)行其他任務(wù)。教員管理站功能主要包括： 設(shè)定培訓(xùn)場景，對仿真系統(tǒng)進(jìn)行初始化，實(shí)現(xiàn)仿真程序的內(nèi)容選項(xiàng)(開工、停工、正常操作及事故處理)，步進(jìn)時(shí)間設(shè)定，工況凍結(jié)等設(shè)置和控制操作。

3)現(xiàn)場操作站用于完成遠(yuǎn)程操作功能，包括模擬裝置配合培訓(xùn)必要的現(xiàn)場閥門及其他手動設(shè)施，如非PLC控制或現(xiàn)場設(shè)備、SIS聯(lián)鎖/旁路功能。該站的顯示畫面還可以模擬硬件操作面板，操作員可以在該站圖形界面上通過鼠標(biāo)完成輔助操作臺的功能。對于該項(xiàng)目，現(xiàn)場站功能在PLC操作站上實(shí)現(xiàn)。

4)仿真系統(tǒng)PLC操作站作為學(xué)員培訓(xùn)操作站，重現(xiàn)實(shí)際工廠PLC的全部功能，因此所有的PLC控制、安全保護(hù)、報(bào)警功能將被完全仿真和模擬。

2 專有控制系統(tǒng)仿真軟件及組態(tài)功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)學(xué)模型開發(fā)

1)程控閥數(shù)學(xué)模型及步進(jìn)邏輯。對于雙塔吸附分離系統(tǒng)，共有192臺程控閥，同一時(shí)間僅有8臺程控閥處于打開狀態(tài)，下一個(gè)步進(jìn)時(shí)間同時(shí)按順控邏輯要求打開各自下一床層的另外8臺程控閥，關(guān)閉上一個(gè)步進(jìn)的8臺程控閥。程序動作時(shí)，會觸發(fā)程序內(nèi)部的閥門動作計(jì)時(shí)器，該計(jì)時(shí)器記錄從動作指令發(fā)出到閥門回訊器返回正常信號之間的時(shí)間。程控閥步進(jìn)運(yùn)動可概括為： 一個(gè)指令，一個(gè)位置，一段時(shí)間，其數(shù)學(xué)模型可以用開(關(guān))指令、開(關(guān))到位、開(關(guān))用時(shí)及步進(jìn)時(shí)間和上下床層位置等來描述。根據(jù)不同管徑程控閥的具體情況，參數(shù)數(shù)值可以修改。

2)物料流量數(shù)學(xué)模型開發(fā)?？刂葡到y(tǒng)涉及吸附塔物料流量共計(jì)18路，物料流量屬于快速變化的工藝參數(shù)，時(shí)間常數(shù)較小，其動態(tài)數(shù)學(xué)模型可以用一階慣性環(huán)節(jié)描述，傳遞函數(shù)如式(1)所示：

F(s)=K1/(1+T1s)

(1)

式中：K1——比例系數(shù)；T1——時(shí)間常數(shù)；s——拉氏變換算子。

將式(1)所述模型離散化后，得到差分模型，用于程序中的模型計(jì)算。

3)吸附塔壓力數(shù)學(xué)模型。吸附塔為全液相密閉系統(tǒng)，流量變化會造成壓力的波動，涉及的壓力包括吸附塔1塔底壓力、吸附塔2塔底壓力，根據(jù)壓力系統(tǒng)的特性，其動態(tài)數(shù)學(xué)模型可以簡化用積分環(huán)節(jié)描述如式(2)所示：

p(s)=K2/(T2s)

(2)

式中：K2——比例系數(shù)；T2——時(shí)間常數(shù)。

將式(2)所述模型離散化后，得到差分模型，用于程序中的模型計(jì)算。

2.2 仿真管理功能開發(fā)

在完成吸附塔控制系統(tǒng)流程圖組態(tài)、數(shù)據(jù)庫點(diǎn)組態(tài)、順控邏輯、容錯(cuò)處理、區(qū)域轉(zhuǎn)換功能以及控制回路組態(tài)基礎(chǔ)上，完善對吸附塔控制系統(tǒng)培訓(xùn)管理功能開發(fā)。

1)操作模式(停止/運(yùn)行)。在教師指令臺(教員管理站)上，教員可以根據(jù)需要隨時(shí)以“停止命令”使仿真模型暫停運(yùn)行，以“運(yùn)行仿真模型”命令恢復(fù)仿真運(yùn)行。

2)仿真工況選擇。仿真系統(tǒng)允許教員根據(jù)培訓(xùn)需要選擇“冷態(tài)開車”、“正常操作/事故處理”或“穩(wěn)態(tài)停車”三種工況。

3)可變的仿真步進(jìn)時(shí)間。教員可以根據(jù)不同的工況選擇所希望的仿真步進(jìn)時(shí)間，由此可以加速程控閥周期性步進(jìn)的速度，提高仿真效率。

4)PCS7人機(jī)界面與OTS仿真通信接口?；赪INCC開發(fā)的控制系統(tǒng)上位機(jī)系統(tǒng)、虛擬PLC的下位機(jī)系統(tǒng)以及培訓(xùn)系統(tǒng)之間通過OPC連接，完成相互之間的數(shù)據(jù)通信和指令傳輸。可以設(shè)定OPC Server的IP地址、選定WINCC的OPC Server；可以分別設(shè)定與PLC通信的數(shù)字量和模擬量的通信周期。

5)故障設(shè)置及事故注入。仿真系統(tǒng)預(yù)置了常規(guī)故障，例如不同物料程控閥開/關(guān)或開/關(guān)超時(shí)故障、吸附塔泄漏失壓或循環(huán)流量低低聯(lián)鎖及硬件報(bào)警等。在仿真過程中，教員可以隨時(shí)導(dǎo)入預(yù)置的故障，如程控閥開超時(shí)故障設(shè)置如圖2所示。

圖2 程控閥開超時(shí)故障設(shè)置示意

6)操作評分功能開發(fā)。學(xué)員的操作培訓(xùn)有2種方式： 不運(yùn)行評分系統(tǒng)的操作訓(xùn)練和運(yùn)行評分系統(tǒng)的操作考核。通過評分系統(tǒng)的運(yùn)行可以自動考核學(xué)員，采用了模糊綜合評判算法對操作過程和操作結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，給出相應(yīng)的分?jǐn)?shù)和操作意見。

2.3 控制功能模塊開發(fā)

仿真系統(tǒng)的控制功能模塊包括： PID控制、變量測量故障自診斷及主副表切換、關(guān)鍵回路A/B閥在線切換、自學(xué)習(xí)智能區(qū)域轉(zhuǎn)換及聯(lián)鎖停車等功能。所有控制功能模塊的開發(fā)采用西門子SCL語言編程和WINCC界面組態(tài)，實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)的PLC操作站人機(jī)交互。

區(qū)域轉(zhuǎn)換功能是該系統(tǒng)中最核心和復(fù)雜的模塊，其基本原理： 控制系統(tǒng)首先學(xué)習(xí)并記錄每路流量控制閥在特定工作區(qū)域的閥位值，在下一循環(huán)中，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行到同一區(qū)域時(shí)，區(qū)域轉(zhuǎn)換將目前閥位設(shè)定到上一循環(huán)中該區(qū)域的記錄閥位。區(qū)域轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)包括： 閥位開度數(shù)值的數(shù)據(jù)處理、閥位超調(diào)量OPx的選擇、OPx的持續(xù)時(shí)間、區(qū)域轉(zhuǎn)換自學(xué)習(xí)算法啟動時(shí)間、算法啟動后程控閥出現(xiàn)故障的容錯(cuò)處理機(jī)制等。

區(qū)域轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)定點(diǎn)改變時(shí)過程變量的快速跟蹤、保持了切換期間的穩(wěn)定性，提高了產(chǎn)品收率并保證了產(chǎn)品純度。

3 仿真結(jié)果

為了保證仿真系統(tǒng)的應(yīng)用效果，該系統(tǒng)與工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的操作界面、控制方案、聯(lián)鎖邏輯和系統(tǒng)組態(tài)完全相同，充分保證了仿真培訓(xùn)的臨場感和一致性。操作員在主控室的操作站上進(jìn)行的實(shí)際操作都可以在仿真系統(tǒng)上得到重現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了PLC常規(guī)控制及復(fù)雜控制策略的參數(shù)調(diào)整和方案探討。下面給出幾組仿真系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果。

1)壓送回路區(qū)域切換參數(shù)調(diào)整及運(yùn)行效果。從A塔底到B塔頂?shù)墓苈分辛髁坑葾塔底的壓力進(jìn)行控制，稱為壓送回路。操作人員在仿真系統(tǒng)上進(jìn)行壓送回路參數(shù)調(diào)整訓(xùn)練，通過仿真結(jié)果對比，全面掌握在線參數(shù)調(diào)整及優(yōu)化技能。壓送回路參數(shù)調(diào)整后響應(yīng)曲線如圖3所示，壓送回路四個(gè)大區(qū)切換運(yùn)行趨勢效果如圖4所示。

圖4 壓送回路四個(gè)大區(qū)切換運(yùn)行趨勢示意

2)吸附塔泄漏事故造成聯(lián)鎖停車。在教師指令臺(教員管理站)注入吸附塔泄漏事故，吸附塔壓力逐漸降低，低于聯(lián)鎖值后聯(lián)鎖觸發(fā)并動作，導(dǎo)致裝置停車。該事故仿真驗(yàn)證了聯(lián)鎖邏輯和執(zhí)行動作的正確性，并有效訓(xùn)練了故障處理恢復(fù)正常后操作人員對聯(lián)鎖系統(tǒng)復(fù)位、投用的技能。

4 結(jié)束語

仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)成功后，在該院智能控制實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了長達(dá)3個(gè)月的操作測試并順利交付給用戶使用。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)運(yùn)行測試結(jié)果表明： 該系統(tǒng)各功能模塊齊備，吸附塔控制系統(tǒng)仿真界面操作與實(shí)際控制系統(tǒng)主控操作一致，能夠逼真模擬實(shí)際生產(chǎn)裝置的開工、停工、正常運(yùn)行、在線參數(shù)調(diào)整和異常工況事故處理的過程及動態(tài)響應(yīng)。該系統(tǒng)不僅可以用來進(jìn)行PID控制回路整定訓(xùn)練、區(qū)域轉(zhuǎn)換智能控制算法的評估和訓(xùn)練，還可以滿足工藝工程師、控制工程師進(jìn)行報(bào)警管理、工藝方案、控制策略等方面的探討，加深對工藝過程的理解；積累工藝操作和故障診斷經(jīng)驗(yàn)，提高處理緊急狀況或異常工況的能力。同時(shí)在異常工況處理中需要用到的手動閥、泵啟停、輔助開關(guān)等都進(jìn)行了建模和處理，便于培訓(xùn)時(shí)進(jìn)行仿真操作。除此之外，該系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了吸附分離單元的虛擬試車，完成了系統(tǒng)從冷態(tài)測試、熱態(tài)調(diào)試、正常操作、事故處理、聯(lián)鎖觸發(fā)、復(fù)位重啟、正常停車等全工況全時(shí)段模擬，可以充分高效地完成控制算法驗(yàn)證、方案優(yōu)化、事故聯(lián)鎖檢查處理等功能，指導(dǎo)、助力控制系統(tǒng)開發(fā)，大幅縮短了專有控制系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)程并降低了系統(tǒng)開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。