寧夏石化公司化肥裝置DCS仿真系統的應用①

摘 要:本文對寧夏石化公司多年來使用的三套DCS仿真系統的軟硬件作了全面介紹，著重闡述了仿真系統的類型、適用性、組成、功能等，以及應用情況。

關鍵詞:DCS仿真系統結構功能適用性組態效果

中圖分類號:TQ0-4文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(a)-0047-02

幾年來，寧夏石化公司的化肥裝置不斷進行著擴建和優化改造，生產規模擴大，自動化水平提高，聯鎖控制更加先進，主控室的表盤設備越來越少，取而代之的是具有高效的實時性、可靠性、可擴充性、使用方便、易于維護，功能更強、更完備的集散控制系統(DCS)及形式多樣的控制站和操作站。新技術對崗位的要求越來越高，只有通過模擬仿真技術的運用才能真實地再現工作場景，可以達到操作人員的技能訓練目的。建立現場裝置的控制仿真系統可以使崗位操作人員深入掌握工藝流程和工藝操作過程，可以親歷各種事故狀態、反復練習事故處理的應急辦法，最終達到具有本能處理突發事件的能力，清醒地對故障進行緊急排除，最大限度地減少、避免事故的發生。十余年來，寧夏石化公司為對合成氨和尿素裝置先后開發建立了三套DCS仿真系統。本文針對化肥裝置的DCS仿真系統及工藝控制模擬操作上的應用效果進行梳理。

1化肥裝置的ＤＣＳ仿真系統類型及適用性

化肥裝置DCS仿真系統是在一種功能較為齊全的工業控制軟件的基礎上開發完成。被控對象是模擬生產裝置而產生出來的，有兩種情況，一種是采用仿真技術建立一套“虛擬裝置”，所謂“虛擬裝置”是一套仿真軟件，使得仿DCS與“虛擬裝置”連通構成一套完整的設備裝置控制體系，即常用的DCS工藝仿真系統。另一種是采用一套物理裝置作為被控對象，仿真控制系統將系統的一部分用數學模型加以描述轉達為仿真模型在計算機上實時運行，將被控對象(物理裝置)以實物形式接入仿真系統回路，即屬于實物仿真。寧夏石化公司擁有這兩類仿真系統。第一種主要是以軟件產品形式表現的仿真系統，DCS控制組態的模式及仿真軟件功能與實際現場保持一致，逼真地反映出DCS控制室內進行的一切操作，適于對化工工藝操作人員和技術人員進行仿真培訓。第二種是軟件系統與實物設備結合制造出的真正仿實物模擬系統，相當于半實物仿真車間，包括有靜設備、動設備、各種閥門以及相關儀表、聯鎖ESD、仿真DCS操作等，它不進真實物料，用空氣、水蒸汽及水代替實際原料，所有現象的變化依靠仿真軟件計算而來，實際裝置常溫、常壓，在運行期間也沒有太多能耗，能保證安全、環保，是一種高度逼真的仿真環境，重現真實的現場氛圍。主要適于對電氣儀表維修及運行的操作人員進行實物安裝、修理、調試、測試等訓練使用。

2化肥裝置DCS工藝仿真系統

(1)97版的DCS工藝仿真系統。1997年寧夏石化公司(原寧夏化工廠)聯合北京東方控制技術有限公司針對第二套化肥裝置設計開發建設了DCS仿真系統，并于1998年投入使用。它由教師站和學員操作站兩部分組成，教師站運行模擬化肥生產過程的工藝仿真軟件，學員操作站模擬真實DCS(TDC3000GUS)系統的顯示、操作和控制功能。1)硬件配置和仿真軟件的結構組成。硬件系統采用1臺微機作為指令臺，6臺仿DCS操作站做學員操作站。教師站(上位機)和學員操作站(下位機)使用PC586微機固定安放在仿DCS機柜中模擬現場，其配有以太網絡通訊卡、20寸 SAMPO CRT、仿DCS專用操作鍵盤、相關附屬設備等。仿真系統的軟件組成:智能操作診斷軟件;總體監控軟件;通信軟件;工藝模型軟件;仿DCS軟件。2)基本功能。該套DCS化肥工藝仿真系統主要針對合成氨裝置、尿素裝置和鍋爐裝置進行全流程仿真培訓，以主工藝物流的工藝過程和設備的模擬為主，并做事故定性仿真培訓，也可對各工段進行獨立培訓。3)應用效果。DCS仿真系統實質上就是對一個虛擬的生產裝置控制過程的模擬，由于工藝反應過程的復雜，過程仿真部分通常是使用簡化模型。用仿真系統對操作人員進行培訓，能使操作人員提前熟悉將要操作控制的對象，節省資源，提高培訓效果，縮短了培訓時間。

(2)09版的DCS工藝仿真系統(升級改造)。第二套化肥裝置隨著生產需要不斷進行改造和擴建，設備裝置上的工藝流程與原設計有很大的改變，97年開發的仿真系統與現場裝置上的工藝流程不吻合、配套，已不能滿足培訓需求。2008年初開始針對第二套化肥裝置中合成氨和尿素的工藝流程再一次進行組態并研發DCS仿真系統，于2009年5月正式投入使用。此套工藝仿真系統除了具有97版的仿真系統功能外，在配置和功能方面都有很大的提高。它運用仿真數學模型，不受約束地模擬實際裝置物理化學特性，全工況動態實時模擬裝置的開車、停車、正常運行調控、緊急停車和事故處理，危險工況和事故狀態由仿真模型模擬。仿DCS界面與實際生產DCS界面一致，顯出一個真實化肥生產操作控制模式、方法與環境。1)硬件環境。DCS仿真系統的硬件采取普通微機作為教師指令臺(上位機)，仿DCS操作站作為學員站(下位機)。上、下位機經網絡通訊聯接具有如下特點:①網絡通信系統基于標準以太網協議(TCP/IP);②網絡上設有設置專項服務器，教師站(上位機)負責系統的調度和管理，學員站(下位機)為學員操作站，擔負運算模型的職能，使DCS仿真系統和模型之間的數據交換在本機實現減輕網絡通訊負荷。2)工藝仿真系統軟件(見圖1所示)。仿真系統軟件組成:①教師站管理軟件;②通訊軟件支持軟件;③模型運行管理軟件;④仿DCS軟件;⑤技能鑒定系統軟件。主要模塊軟件功能如下:教師站管理軟件具有網絡自檢、時標設定、培訓項目設定、快門設定和重演、程序凍結、成績統計、師生交流、授權、響應時間等功能。技能操作考核系統完成程序過程中的變量跟蹤、判斷、記憶及綜合評定出各項成績，并給出評分信息。3)仿DCS操作站軟件及界面的組成。①主要由組態工具軟件和控制運動軟件組成組態工具軟件的具體功能:過程點和算法組態、標準畫面組態、流程圖組態和鍵盤組態。控制運動軟件的功能是管理、調度仿DCS軟件各部分，實現動態實時數據庫的數據存取和管理，PID響應時間<1.0S，各類標準畫面的顯示、操作，流程圖畫面和顯示操作，鍵盤操作管理，各種算法的實現以及通訊的協調配置。實現了仿DCS系統的顯示、操作功能。②操作界面內容包括:總貌畫面、單元畫面、控制組畫面、流程畫面、趨勢畫面、報警畫面等等。4)仿真系統模型軟件組態開發的特點。采用的方法是基于物料、能量動態平衡及化學反應速度、汽液相平衡及分離速度的模塊化的半機理動態數學模型，盡量避免迭代嵌套，采用簡化的物性數據計算和參數反推計算建立動態模型，其機理性強，適用范圍廣，精度高。5)培訓功效。基于第一套仿真系統使用中積累經驗及升級后的DCS仿真系統培訓功能增強，不斷拓展了仿真培訓的領域。①通過對仿真過程的動態模擬組態，分析現場生產中可能出現和事故狀態，在仿真培訓中提高操作人員事故預見性能力。②為了提高操作工精細操作意識和加強質量控制要求，可組織裝置上的技術人員通過對仿真系統的模擬運行，檢驗了工況，優化仿真系統的運行模式，優化仿真系統運行狀態設置，優化操作規程，從而提高了崗位操作人員精細操作意識。③DCS仿真系統已實現不同工種、不同班次人員的混合培訓。④根據實戰要求，充分利用仿真系統的聯機功能，組織合成氨和尿素車間各工段崗位上操作人員進行全流程開車、停車和事故處理等項目的各種競賽，為仿真系統應用進一步融入生產進行了拓展。

3 化肥裝置DCS實物仿真系統

為了能使電氣儀表維護及運行人員得到和工藝操作人員一樣的培訓效果，寧夏石化公司于2007年5月31日成功研發出一套具有實物裝置的DCS仿真系統，經過了近四個月的試運行，性能穩定，達到了預期的目的，具備了培訓條件。此套仿真系統包括第二套化肥裝置的Honeywell公司的TPS(DCS)仿真控制系統和第一套化肥裝置的工藝仿真控制系統。它不但滿足DCS組態培訓的要求，還實現了工藝過程中的動態仿真，是一套實用的、成功的仿真系統。它采用縮小型全流程、精致的設備框架系統、管路、手動閥門、控制閥門、測控傳感器系統等，具有實際裝置的全部空間幾何三維分布實體概念;采用先進測控電子技術成果，現場總線和電子操作器等專有設備，所有操作點都可以全量程手動或自動調整，具有真實的操作力度和動態響應，所有動設備都處于空轉低負荷運行狀態。因此運行能耗很低，設備磨損小壽命長，不需要任何物料，節省費用、時間和人力，沒有腐蝕、污染和環境保護問題。

(1)硬件配置與組成見圖2所示。1)霍尼威爾DCS仿真部分:由2臺TPS操作站，1臺HPM處理器，1套模擬輸入、輸出卡，2套LCN網，2套UCN網及電纜連接器，底板，接口模塊，集線器，儀表柜等。2)安全柵部分:2套報警設定器，2套輸出輸入安全柵，2套溫度變送器，2套電源開關，2臺繼電器，1臺電源變換器等。3)“現場”設備檢測、控制儀表仿真部分:2臺仿真壓力容器罐，2臺給水泵，2臺仿真壓力容器罐液位調節閥，1臺仿真壓力容器罐中上部溫度熱偶，仿真壓力容器罐出、入口流量調節閥及定位器，1臺機級振動位移模擬電機，1臺電氣控制配電箱，1臺仿真壓力容器罐底部溫度熱阻，1臺仿真壓力容器罐壓力變送器，1臺仿真壓力容器罐入口流量金屬浮子流計量計，1臺仿真壓力器罐液位差變送器等。4)3500仿真系統的硬件組成:顯示屏，電源模塊，框架接口模塊，鍵相模塊，振動位移模塊，繼電器模塊，通訊模塊，顯示接口模塊，振動前置器，位移前置器，延伸電纜，探頭，機組振動位移模擬電機等。5)GE90-30、CENTUM-CS3000組態應用和西門子SIMATIC組態應用仿真系統的硬件組成:顯示屏，雙冗余電源背板，電源模塊，CPU，RTU MASTER，數字量輸入、輸出，熱阻輸入，電流/電壓模擬量輸入輸出，仿真操作站等。

(2)軟件系統的結構組成。1)霍尼威爾DCS控制仿真系統;2)3500仿真系統;3)GE90-30仿真系統;4)CENTUM-CS3000組態應用仿真系統;5)西門子SIMATIC組態應用仿真系統。

(3)基本功能、技術水平。此仿真培訓能完整模擬出Honeywell公司DCS系統的功能，能模擬實現四大化工參數:流量、液位、壓力、溫度的測量和控制，系統運行自如，流暢，無頻繁的死機現象或軟硬件故障。可以模擬實現溫度、壓力、液位、流量四大工藝參數的測量;可以構成常規自控系統和串級、分程、純滯后等復雜控制系統;可以實現調節閥、變送器的在線調試和故障處理技術培訓;可以實現機泵的自啟動功能;可以實現模擬聯鎖保護功能;可以實現大機組振動、位移、轉速仿真功能等。3)仿工藝操作運行對象。工藝參數類型齊全;控制參數類型齊全;可實現的控制方案齊全;可以靈活組合，實現從簡單到復雜的工藝對象。

(4)應用效果。電氣儀表操作和技術人員在這套仿真系統上成功地進行階段性的實際操作訓練，并實現了對儀表運行維修等工種的操作技能水平的測評，在技能培訓和考核中取到良好的效果。

如圖2所示。

4結語

DCS仿真系統的運行逼真的反映出操作過程同實際生產操作過程的相似性，再現了化肥裝置工藝操作和電儀維修運行崗位的真實工作場景，顯示其實用性、真實性、安全性、互動性、可重復性、預防性和實時監控等重要功能，對提高崗位操作人員和技術人員的運行和維護水平有著不可缺少的作用，良好的培訓功效對寧夏石化公司的發展有著重要意義。

參考文獻

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[2]徐庚保等.數字仿真的發展.計算機仿真，2008.3.

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