焦炭塔操作仿真培訓系統設計

王利恒，易斯樂，吳 崧

武漢工程大學電氣信息學院,湖北 武漢 430205

0 引 言

發展重油加工技術是目前煉油工業的突出任務之一.延遲焦化技術具有流程簡單、原料適應性強、投資和操作費用較低等優勢，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的裝置，容易發生安全事故，如加熱爐開工點火發生閃爆、誤開焦炭塔頂蓋發生火災等.這些事故給廠家造成了較大的經濟損失，事故后大家也都從中吸取了教訓，增加了安全聯鎖系統，從而有效地避免了類似事故的發生[2].

石油化工生產操作條件越來越嚴格，它向現場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重的問題：生焦周期內工人勞動強度大、時間長，生產環境惡劣并且是周期性工作，如果工人對操作流程不熟悉或者在工作過程中偷懶，都非常容易發生人為誤操事故[4].焦炭塔越多，生焦時間越短，工作量就越大，這種矛盾也就越突出.針對這些問題，筆者提出了焦炭塔操作仿真系統的設計，在系統調試、儀表聯調階段，利用該系統對內操員工進行仿真培訓，提高內操員工操作熟練度、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車和安全穩定生產.

1 仿真系統總體設計

1.1 焦炭塔仿真系統總體設計方案

由于焦炭塔工藝流程十分復雜，每個步驟都有很多子步驟，而每個子步驟都需要操作很多閥門，操作閥門時應當滿足一定條件，而且應該操作正確的閥門，若操作了錯誤的閥門或者沒有滿足具體條件，會導致嚴重的安全事故.正是由于這個原因，筆者開發了焦炭塔操作仿真培訓系統，該系統能完全模擬焦炭塔工作流程，利用該系統對員工進行操作培訓，使員工達到一定的熟練度，從而避免現場存在的安全操作隱患.焦炭塔操作仿真培訓系統是用各個元件搭建起來的，分為主塔模塊、閥門模塊和管道模塊，按照順控流程圖(圖1)組裝拼接成型[5].

1.2 焦炭塔仿真系統設計框圖

焦炭塔仿真系統總體設計框圖如圖2所示. 整個系統采用+5 V外部電源供電，各個模塊使用兩條總線連接：一個是電源總線，每個模塊通過該總線獲得電力供應；一個是MODBUS總線，各模塊作為MODBUS從站點通過該總線來與主站點進行通信.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，以下簡稱：PLC)系統的主控制器，作為MODBUS的主站點負責與各模塊的通信，并與上位機組態系統連接共同按照工藝流程統一協調整個工藝設備模擬模塊的工作.管道根據模塊控制接口來控制是否被點亮，用以模擬介質的流動與否[6].

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

圖2 系統框圖Fig.2 Overall block diagram of system

2 焦炭塔仿真系統各模塊設計原理

2.1 焦炭塔模塊設計

焦炭塔是整個焦化裝置的核心設備，整個工藝流程是圍繞該設備的生產過程進行的.其行為模式主要有：在生產階段，物料料位、溫度、壓力隨生產過程的推進而變化；在除焦階段對頂底閥門的操作.因此，模擬時以生產階段來劃分，在不同階段下建立其狀態模型，通過單片機將其狀態值輸出.其狀態值輸出分為兩種形式：一種是表盤輸出顯示，用于提示用戶當前的狀態；一種以MODBUS總線提供給MODBUS主機來進行狀態更新和操作.

其表盤硬件主要由頂底蓋機和物料料位、塔底塔頂溫度和塔內壓力顯示等組成.塔頂底蓋均用發光二極管(Light Emitting Diode，以下簡稱：LED)來模擬其工作狀態.塔頂蓋為4個紅色LED燈，當頂蓋機關閉時，中間2個LED燈常亮；當頂蓋機被允許開時，開始閃爍，提示用戶頂蓋機可以開啟；在頂蓋機開啟過程中，LED燈會根據頂蓋機開啟程度亮滅；頂蓋機完全開啟以后，4個LED燈中最邊上的2個常亮，說明頂蓋機完全開啟.底蓋機的原理與頂蓋機的原理相同，原理圖如圖3所示.物料料位、塔底塔頂溫度和塔內壓力由不同階段的過程模型計算得到，控制器根據當前所處的流程階段和狀態計算出該參數，顯示在表盤的LED數碼管上，并通過MODBUS總線傳給主站點使用.

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

2.2 閥門模塊設計

涉及到實際焦炭塔安全操作的閥門主要以開關閥門為主，根據在生產過程中對閥位的控制可分為開關量回訊閥門和模擬量回訊閥門.對于開關量回訊的閥門只存在開和關兩種狀態，對于模擬量回訊的閥門在操作時可能會停在中間的某一個位置，為了統一模塊電路，在設計閥門模擬模塊時，同時提供閥位的開度信息和開關狀態信息.而在實際使用過程中，組態軟件根據實際閥門的類型來讀取不同的信息，從而完成不同閥門的區分.如圖4所示.

圖4 閥門模塊原理圖Fig.4 Schematic diagram of valve module

閥門模塊還需要實現的一個功能是管道顯示控制功能.在實際裝置中，當閥門開啟時，閥門上游的介質就會流向下游管道.在實際功能模擬中，通過一個繼電器控制輸出，當閥門模塊得電(模擬有介質情況)而閥門閉合的情況下，繼電器斷開，上游的控制電壓不能傳輸到下游管道，下游管道不點亮；當閥門開啟時，單片機控制繼電器吸合下游管段的顯示控制接通，點亮該管段，從而模擬介質流通到該管段.

2.3 管道模塊設計

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的流動情況.當管道點亮模擬介質流動，管道熄滅模擬沒有介質流動，其主要由閥門模塊的管道控制接口來控制.

3 系統軟件設計

3.1 MODBUS通信協議

在協議中，設備地址是被每個控制器所知曉的，識別消息并發生行動.當需要回應的時候，控制器產生反饋信息，接著MODBUS協議發出該信息.即該消息成為包結構運用于該網絡.遇到特殊請求時，數據域可能長度是0，服務器不必附加信息.對于一個正常響應來說，服務器僅對原始功能碼響應，如圖5所示.

圖5 MODBUS圖Fig.5 MODBUS diagram

3.2 系統軟件設計

在實際生產操作過程中，用PLC作為焦炭塔安全操作系統的主控制器，完成現場的工藝參數的采集和流程控制工作.內操人員通過操作員站點控制協調整個系統的運行.

現場PLC通過各類卡件來完成現場工藝參數的采集和控制，模擬模塊是通過MODBUS通信的方式來獲取各種閥門的狀態和焦炭塔的工藝參數，并通過MODBUS的通信來發送閥門的操作允許指令.整個焦炭塔安全操作在該模塊中實現，如圖6所示.

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

首先，主控制器采集閥門狀態、主塔頂底蓋機狀態、主塔內焦炭位置溫度等參數，然后程序查詢這些狀態信息是否符合工藝流程，如果符合，則將操作權限下放到相應的模塊，此時操作對應模塊會被判為有效，流程繼續進行；如果不符合，則有可能是以下兩種情況：一是參數超過工藝流程設定范圍，這種情況極有可能是設備出現故障或者流程中有差錯，此時系統會將錯誤信息顯示在操作面板上；二是還未達到工藝要求，這種情況下操作閥門不會有任何反應.

主控制器要實現的就是完全模擬延遲焦化工藝的各個工藝流程.在每一個步驟中，會不斷的采集從機的狀態信息以判斷是否滿足各步驟條件，如果滿足條件則向從機發送控制信號，這個時候需要對相應的模塊進行操作，例如閥門的開啟或關閉、水力除焦等；如果不滿足條件則繼續等待，此時的任何操作都無效而且對系統也不會造成任何影響，這在一定程度上避免了誤操作的發生，也就是說，在條件不滿足的情況下，主控系統不會將操作權限下放到對應模塊，系統對此時的操作不予識別，并且系統將保持該模塊原有狀態.

閥門模塊均設置有允許開、允許關、開操作、關操作、開回訊、關回訊、開度回訊等參數.開/關允許是主控系統向閥門模塊發送的控制信號，當主控系統允許閥門開關的時候，也就是閥門被允許開或關時，閥門的開、關操作才有效.在閥門開啟或關閉的過程中，其開度會反饋給主控制系統.當閥門完全關閉或者開啟以后，其開/關回訊也會反饋給主控系統.主控系統采集這些信號以判斷步驟是否進行下去.

4 結 語

焦炭塔操作仿真盤是針對焦炭塔安全操作需求而設計的一套系統，既可以用于操作工培訓也可以用于焦化生產安全操作工藝流程研討時的模擬仿真.

焦炭塔操作仿真系統主要依靠軟件完成延遲焦化工藝的邏輯控制，所以在軟件的編寫上做到了以下2點：(1)完全正確的模擬延遲焦化工藝的邏輯控制關系，能通過硬件及時的反應當前系統的狀態和參數；(2)無誤差通信，各個模塊通信順暢，不會出現通信受阻或者通信錯誤的情況.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.

通過實際使用，該系統能正確模擬焦炭塔的生產過程流程，方便操作工的培訓.通過更改軟件還可以讓系統適應不同煉廠焦化操作工藝的需求.

致 謝

本操作培訓系統的工藝規程是由中國石化工程建設公司(SEI)李出和高工和李卓工程師提供并審定，由中國石化武漢分公司提供了經費支持，在此表示感謝！

[1] 周猛飛，王樹青，金曉明.先進控制技術在延遲焦化裝置的應用[J].化工自動化及儀表，2009，36(1):79-82.

ZHOU Meng-fei,WANG Shu-qing,JIN Xiao-ming.Application of advanced process control in delayed coking units[J].Control and Instruments in Chemical Industry,2009,36(1):79-82.(in Chinese)

[2] 李出和，李卓.延遲焦化裝置安全聯鎖的探討[J].石油化工設計，2010,27(3):1-4.

LI Chu-he,LI Zhuo.Safety interlock of delayed coker[J].Petrochemical Design,2010,27(3):1-4.(in Chinese)

[3] 姜飛.延遲焦化裝置全流程建模與仿真培訓系統的研究[D].青島：中國石油大學(華東)，2007.

JIANG Fei.Modeling of delayed coking unit and simulation training system[D].Qingdao:China University of Petroleum(Huadong),2007.(in Chinese)

[4] 申海平，劉自賓，范啟明.延遲焦化技術進展[J].石油學報：石油加工，2010,26(增刊)：14-18.

SHEN Hai-ping,LIU Zi-bin,FAN Qi-ming.Development of delayed coking technology[J].Acta Petrolei Sinica：Petroleum Processing Section,2010(Supp1)：14-18.(in Chinese)

[5] 汪學峰.九江石化順序控制系統投用[J].石油化工自動化,2012,48(2):13-14.

[6] 陳濤,黃佳麗.RS-485接口在單片機系統中的擴展與組網應用[J].山東煤炭科技,2001(5):30-31.