基于OPC通信的復(fù)雜化工過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

李 琦

（大連理工大學(xué)遼寧省工業(yè)裝備先進(jìn)控制系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024）

基于OPC通信的復(fù)雜化工過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

李 琦

（大連理工大學(xué)遼寧省工業(yè)裝備先進(jìn)控制系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024）

針對(duì)復(fù)雜化工過(guò)程操作實(shí)驗(yàn)成本較高和危險(xiǎn)性較大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于OPC通信的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用西門子WinCC組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操作界面，復(fù)雜過(guò)程模型采用Matlab編程實(shí)現(xiàn)，基于OPC通信接口實(shí)現(xiàn)了Matlab和WinCC軟件之間的通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該仿真平臺(tái)具有操作直觀、模型精度高、參數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，并可為先進(jìn)控制算法的設(shè)計(jì)提供支持。

化工過(guò)程；仿真平臺(tái)；OPC通信；組態(tài)軟件

化工工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程裝置往往比較復(fù)雜，其過(guò)程動(dòng)態(tài)操作實(shí)驗(yàn)存在著成本較高、操作周期較長(zhǎng)、對(duì)某些裝置的操作存在著一定的危險(xiǎn)性等問(wèn)題。如何讓高校學(xué)生參與化工過(guò)程操作訓(xùn)練，提高他們對(duì)工業(yè)過(guò)程操作和控制的理解顯得尤為迫切。開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)仿真軟件不僅可以提供數(shù)量充足和高質(zhì)量仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備，還可以節(jié)約大量資金和節(jié)省寶貴的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，并且沒(méi)有危險(xiǎn)性，因而得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［1－3］。

催化裂化裝置是典型的復(fù)雜化工工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程裝置，它是以重油為原料，生產(chǎn)汽油、柴油、液化氣等輕質(zhì)石油產(chǎn)品，是重質(zhì)油輕質(zhì)化的一項(xiàng)重要煉油工藝。催化裂化裝置在煉油工業(yè)中占有極其重要的地位。

反應(yīng)再生系統(tǒng)是催化裂化裝置中的核心設(shè)備，工藝流程復(fù)雜，具有高耦合、非線性等特點(diǎn)，是催化裂化裝置動(dòng)態(tài)建模與仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)之一。對(duì)此反應(yīng)過(guò)程，研究者提出了不同的集總模型［4－8］，然而模型集總數(shù)的增加也導(dǎo)致模型的復(fù)雜性和參數(shù)估算工作量倍增。目前，兩段再生工藝逐步得到了應(yīng)用。由于兩段再生工藝機(jī)理更加復(fù)雜，原有單段模型不能簡(jiǎn)單套用，于是研究人員提出了新的兩段再生模型［9－11］。

本文借鑒了目前比較成熟的催化裂化動(dòng)態(tài)模型，建立了五集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和并列式雙器兩段再生器模型［11］，采用Marquardt改進(jìn)算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)模型參數(shù)估計(jì)，利用4階Runge－Kutta法對(duì)模型求解。在建立模型的基礎(chǔ)上，采用OPC技術(shù)，結(jié)合WinCC和Matlab各自的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)建了兩段再生催化裂化反再裝置仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為這一裝置的動(dòng)態(tài)操作實(shí)驗(yàn)及控制系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

1 反應(yīng)－再生系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模及仿真

某石化企業(yè)應(yīng)用的并列式雙器兩段再生的反再裝置如圖1所示，其反應(yīng)－再生系統(tǒng)由提升管反應(yīng)器和并列式雙器兩段再生器組成。

圖1 并列式雙器兩段再生的反再裝置

原料和回?zé)捰突旌虾蟊粐娙胩嵘芡呋瘎┚鶆蚪佑|，迅速反應(yīng)上升至出口時(shí)，油氣與催化劑被分離。待生催化劑順序流過(guò)第一、第二兩段再生器進(jìn)行燒焦再生。第一段再生是在較低的再生溫度（660～690℃）下將催化劑上的部分碳和全部氫燒掉，這樣就降低了第二再生器的水蒸氣分壓。雖然第二再生器溫度（720～760℃）比一再高很多，但由于基本上沒(méi)有水蒸氣存在，因而使催化劑免于水熱失活，能很好地保持催化劑的活性和選擇性。各段都有獨(dú)立供應(yīng)的主風(fēng)，兩段煙氣不經(jīng)混合各自排出裝置。再生催化劑再回到反應(yīng)器中參與反應(yīng)，依此循環(huán)。

考慮到集總數(shù)增加造成的復(fù)雜性和估算參數(shù)工作量倍增，基于物料衡算、熱量衡算和裂化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，建立了五集總反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型［11］。五集總反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。對(duì)原料未轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品產(chǎn)率、催化劑含焦量、反應(yīng)溫度建立擬穩(wěn)態(tài)模型。然后，基于物料衡算、熱量衡算和再生反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，建立并列式雙器兩段再生器模型，對(duì)催化劑含碳量、催化劑含氫量和再生溫度建立動(dòng)態(tài)模型，而對(duì)煙氣組成建立穩(wěn)態(tài)模型。考慮密相床結(jié)構(gòu)和流化狀況，一段再生器采用兩個(gè)CSTR串聯(lián)模型進(jìn)行模擬，二段再生器密相床采用一個(gè)虛擬的CSTR模型進(jìn)行模擬。在提升管反應(yīng)器的模型中存在未知的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，為了優(yōu)化模型、提高預(yù)測(cè)的精度，采用Marquardt的改進(jìn)算法來(lái)估計(jì)參數(shù)。

借助Matlab優(yōu)秀的計(jì)算能力，筆者利用4階Runge－Kutta法對(duì)該機(jī)理模型求解，得出原料油氣在提升管反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)方向的各個(gè)集總組分分布圖，如圖3所示，更多仿真結(jié)果見(jiàn)參考文獻(xiàn)［11］。

圖2 催化裂化五集總反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

圖3 反應(yīng)器各集總組分濃度分布曲線

2 催化裂化動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

2.1 基于OPC的WinCC與Matlab實(shí)時(shí)通信

為了將模型直觀化、實(shí)用化，提供一個(gè)逼真的交互式虛擬仿真環(huán)境，建立了催化裂化仿真平臺(tái)。該仿真平臺(tái)以組態(tài)軟件WinCC為操作界面，動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型建立在Matlab中。雖然WinCC具有圖形功能豐富、易開(kāi)發(fā)、可以和硬件通信等優(yōu)勢(shì)，但它的計(jì)算能力較弱，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)算。而Matlab操作界面雖然簡(jiǎn)單，但其具有強(qiáng)大的計(jì)算能力。考慮二者的特點(diǎn)，利用OPC的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)WinCC和Matlab軟件的無(wú)縫連接，使兩者發(fā)揮出各自的優(yōu)勢(shì)，協(xié)調(diào)工作［12－13］。

Matlab和WinCC基于OPC技術(shù)的數(shù)據(jù)交換的步驟如下：

（1）選擇WinCC作為服務(wù)器，因?yàn)樗瓤勺鞣?wù)器，又可充當(dāng)客戶機(jī)，而Matlab只能作為客戶機(jī)；

（2）設(shè)置服務(wù)器名、組對(duì)象和項(xiàng)目名；

（3）在Matlab中定位使用的OPC服務(wù)器，創(chuàng)建數(shù)據(jù)存取對(duì)象和服務(wù)器連接：

（4）創(chuàng)建OPC數(shù)據(jù)存取組對(duì)象，并增加相應(yīng)項(xiàng)目（OPC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4）；

（5）設(shè)置數(shù)據(jù)的保持間隔和次數(shù)；

（6）讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。

圖4 OPC DA結(jié)構(gòu)圖

這樣，Matlab通過(guò)其建立的組對(duì)象和項(xiàng)目名對(duì)WinCC服務(wù)器上設(shè)置的初始參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問(wèn)，代入模型中運(yùn)行，同時(shí)將運(yùn)行的結(jié)果傳入WinCC服務(wù)器中輸出顯示。整個(gè)通信過(guò)程如圖5所示。

圖5 Matlab與WinCC的通信連接

2.2 WinCC仿真操作設(shè)計(jì)及應(yīng)用

在WinCC上組態(tài)了催化裂化仿真平臺(tái)的操作界面，如圖6所示。該平臺(tái)具有五大功能：

（1）登錄用戶管理功能：登錄及修改參數(shù)需要密碼，對(duì)不同用戶有權(quán)限限制；

（2）工藝流程動(dòng)態(tài)顯示功能；

（3）參數(shù)設(shè)置：對(duì)19個(gè)重要的原料、設(shè)備及操作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可觀察參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)輸出的影響；

（4）實(shí)時(shí)和趨勢(shì)顯示功能：有數(shù)值和曲線2種顯示方式，對(duì)重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和趨勢(shì)顯示；

（5）控制方案的選擇和研究：可選擇常用的PID控制方案、對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，也可以對(duì)先進(jìn)控制方法（例如預(yù)測(cè)控制算法）進(jìn)行研究比較。

圖6 催化裂化工藝操作主界面

整個(gè)仿真系統(tǒng)以O(shè)PC技術(shù)為核心技術(shù)，以催化裂化反再裝置模型為基礎(chǔ)，在原料性質(zhì)和操作變量改變的情況下，實(shí)時(shí)、直觀地顯示出模型的計(jì)算結(jié)果，可以讓高校學(xué)生參與化工過(guò)程操作訓(xùn)練，提高他們對(duì)工業(yè)過(guò)程操作和控制的理解，并為學(xué)習(xí)先進(jìn)控制算法的應(yīng)用提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo)，滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不允許操作時(shí)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某石化企業(yè)的催化裂化兩段再生新工藝，通過(guò)機(jī)理分析的方法，在Matlab中建立了并列式雙器兩段再生提升管反應(yīng)－再生系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，成功地實(shí)現(xiàn)了Matlab和WinCC的OPC通信，建立了兩段再生的催化裂化仿真平臺(tái)。該平臺(tái)界面友好、實(shí)用性強(qiáng)，可以靈活地進(jìn)行拓展開(kāi)發(fā)，有利于提高學(xué)生對(duì)復(fù)雜工業(yè)過(guò)程操作的理解和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

（References）

［1］梁莉.過(guò)程控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22（4）：81－83.

［2］Theologos K N，Nikou I D，Lygeros A I，et al.Simulation and Design of Fluid Catalytic－cracking Riser－type Reactors［J］.AIChE Journal，1997，43（2）：486－494.

［3］祝磊，雷建軍，王桂榮，等.RSView32和MATLAB之間的通訊［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2003，19（2）：58－59.

［4］羅雄麟，袁璞，林世雄.催化裂化裝置動(dòng)態(tài)機(jī)理模型Ⅰ反應(yīng)器部分［J］.石油學(xué)報(bào)：石油加工，1998，14（1）：1－4.

［5］丁福臣，周志軍，李興.催化裂化五集總動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)估計(jì)［J］.煉油設(shè)計(jì)，2005，5（4）：52－55.

［6］羅雄麟.兩段提升管催化裂化裝置動(dòng)態(tài)模擬與穩(wěn)定性分析［J］.石油學(xué)報(bào)：石油加工，2007，23（4）：54－62.

［7］陳俊武，曹漢昌.催化裂化工藝與工程［M］.北京：中國(guó)石化出版社，1995.

［8］Gupta R K，Kumar V，Srivastava V K.A new generic approach for the modeling of fluid catalytic cracking（FCC）riser reactor［J］.Chemical Engineering Science，2007，62（17）：4510－4528.

［9］羅雄麟，袁璞，林世雄.催化裂化裝置動(dòng)態(tài)機(jī)理模型Ⅱ再生器部分［J］.石油學(xué)報(bào)：石油加工，1998，14（2）：1－4.

［10］黃景成.催化裂化的兩段再生及在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用［J］.石油煉制與化工，2004，35（4）：34－37.

［11］李琦，張?bào)@端，邵誠(chéng).催化裂化反再系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模與仿真研究［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2010，23（4），89－93.

［12］李二超，劉微容，李煒.基于WinCC和Matlab的一種簡(jiǎn)單在線仿真方法［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25（3）：69－72.

［13］朱凌云，林琳.基于WINCC的PLC控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（5）：49－53.

Design of simulation experimental platform for chemical process based on OPC communication

Li Qi
（Liaoning Key Lab of Advanced Control Systems for Industry Equipment，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

According to the high cost and risk problems of the complex chemical process operation，a virtual simulation platform is designed based on OPC communication.The interface of the platform is developed using Siemens WinCC configuration software.The complex process model is developed using Matlab programming，then the OPC communication is used to realize the communication between Matlab and WinCC configuration software.The experimental results show that the simulation platform has the characteristics of easy operation，high precision of the model，and the parameter adjustment is simple，and it can provide support for the design by using the advanced control algorithm.

chemical process；simulation platform；OPC communication；configuration software

TP273

A

1002－4956（2014）1－0098－03

2013－05－28

大連理工大學(xué)教改基金（MS201388）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金

李琦（1979—），男，湖南邵東，博士，講師，研究方向?yàn)閺?fù)雜工業(yè)過(guò)程建模、軟測(cè)量和先進(jìn)控制技術(shù).

E－mail：qili＠dlut.edu.cn