制氧機組仿真操作平臺的開發及應用

摘 要：簡單介紹制氧機組基本配置情況以及制氧機組的工藝流程，闡述了仿真操作平臺的開發初衷，詳細介紹了仿真平臺的仿真對象及仿真系統結構，并對每個仿真模塊的仿真內容和實現方法進行詳細的說明。該仿真平臺作為一種新型培訓工具具有其獨特的優勢。

關鍵詞：制氧機；仿真平臺；生產操作；設計算法；培訓

1 概述

江西銅業集團貴溪冶煉廠是當今最先進的閃速煉銅工藝工廠，截至目前已形成年產100萬噸銅的綜合生產能力。隨著銅生產規模的擴張，貴冶先后投入建成4套低溫分離原理制氧機組，為主工藝提供生產所需的氧氣和氮氣，設計氧氣總產量為51500Nm3/h。其中5#制氧機組是2007年隨廠新30萬噸銅冶煉工程的建設而投入生產，其工藝流程較其他機組復雜，操作難度較大，不但可以生產

18000Nm3/h低壓氧氣，而且可以生產7000Nm3/h的中壓氧氣。

2 仿真平臺

2.1 仿真對象

低溫分離制氧機組包含有空壓機系統、預冷系統、分子篩系統、換熱器系統、膨脹機系統、分餾塔系統、氬系統、儲槽系統及循環水系統等9個子系統，每個子系統前后緊密關聯，相互影響。

正常生產時，員工要監控各環節運行參數，及時對異常參數進行調整，保證制氧機組生產穩定。每次機組開機，都要對每個子系統的閥門位置和參數進行檢查確認，確定都在正確位置后，才能進行正常開機操作；同樣，在制氧機組計劃停機或緊急停機后，也要對各子系統的閥門位置和參數進行檢查，以確保停機后設備安全。開停機過程中要兼顧前后工序主要參數變化，以免造成不必要停機或設備故障。計劃性開停機或突發故障停機，都需要員工具備熟練的應急操作技能，才能保證其順利完成。

該平臺仿真的對象確定為模擬制氧機開停機操作，以5#制氧機的操作為模型，其內容包含4個方面：開機前檢查確認操作；開機操作；停機操作；停機后的檢查確認操作。

2.2 仿真系統結構

本仿真項目開發總體分為四部分內容：一是基礎仿真，建立基礎數據庫，包括仿真操作所需的I/O點、操作畫面、趨勢畫面等，要與實際操作站上一致；二是數據仿真，涉及平臺運行所需的所有參數的數據仿真，實現在不同狀態條件下，參數數據能對應變化顯示，如操作某臺閥門，其關聯的流量參數會相應變化；三是過程控制仿真，編制制氧機聯鎖控制程序，實現生產聯鎖控制模擬；四是操作評分仿真，依據員工操作情況給出對應的分數。

3 基礎仿真

基礎仿真根據生產監控要求建立仿真平臺基礎數據庫，包括建立I/O點、繪制操作畫面及增加趨勢顯示等，為后期的數據仿真、過程控制仿真做鋪墊。另外，還需建立中間變量（內部開關），作為程序控制及過程報警所用。

有些制氧機的操作需要在在生產現場進行，如設備的開停及現場閥門的開關等，通過增加對應設備或閥門的內部開關（虛擬現場開關），并在仿真畫面上對應位置增加控制按鈕，實現仿真現場操作。

4 數據仿真

在建立好基礎數據庫之后，依據實際生產數據，通過仿真計算功能建立I/O點數據仿真，實現操作畫面數據顯示功能。圖1是實現數據仿真的計算程序模板，圖中CALCU是CS3000內部通用計算塊，它是實現數據仿真的核心，用戶可以通過功能塊支持的編程語言進行編程，進行邏輯運算和計算操作；RAMP是斜坡塊，它是數據仿真效果的修飾工具，可以讓數據變化更接近真實情況，其功能是將輸入數據用斜坡特性（一定變化速度）增加或減少輸出到后續功能塊；PVI是指示塊，將來自其他模塊的輸入信號作為測量值（PV）進行顯示，用于只進行測量值顯示的時候；PID是調節塊，將輸入信號作為測量值（PV）和設定值（SV）進行偏差計算，再進行比例、積分、微分的控制動作，一般用于定值控制以及跟蹤控制等時候。

根據I/O點參數所關聯對象的不同，數據仿真大致可分為三類。

4.1 兩位式仿真

此類仿真數據一般只有兩種數據狀態，如預冷系統水泵等設備運行信號只跟設備開停狀態有關，設備開時為“1”，設備停時為“0”；空壓機油壓參數，可以看成只跟輔助油泵或空壓機運行狀態有關，運行時為正常油壓2.54bar，停止時為0bar。

4.2 線性關系仿真

此類仿真數據一般為單回路控制的參數數據。如空冷塔冷卻水流量顯示，當冷卻水泵開啟之后，流量的大小主要跟流量調節閥的開度有關，可以看成與閥門開度（或對應PID模塊MV值）成線性關系，線性系數可以參考實際數據計算出來。

4.3 非線性關系仿真

此類仿真數據受前后工序影響較大，而且受多種設備或閥門狀態控制。在進行此類數據仿真計算時，就要考慮各環節對該數據影響所占的比例以及影響效果的正負方向。如空壓機出口壓力參數，受空壓機開停狀態、入口導葉開度、防喘振放空閥開度、后續工序有無投入等多因素影響。入口導葉對空壓機出口壓力是正影響，導葉開度越大，出口壓力應該越大；防喘振放空閥對出口壓力是負影響，放空閥開度越大，出口壓力越小。各環節影響所占的比例有多大，要根據實際參數運行情況尋找規律。

5 過程控制仿真

生產過程控制的作用是確保生產過程處于受控狀態，對影響產品質量的因素進行監控，保證生產運行的安全穩定。仿真平臺內的過程控制仿真主要體現在編制與實際DCS內部相同的聯鎖控制程序，用以監督仿真操作過程。

制氧機組安全運行的重要保護程序主要有：空壓機停車邏輯、預冷停車邏輯、分子篩程序、膨脹機停車邏輯、儲槽邏輯等。當發生誤操作或參數調整不到位時，平臺能夠根據對應聯鎖條件觸發聯鎖跳機，保護設備安全，過程控制仿真的監督能讓員工更好地理解制氧機的關鍵參數的作用。

6 操作評分仿真

將仿真過操作程中一些必要的操作步驟納入到考核的范疇，評判員工對制氧機操作的掌握程度，再根據得分情況對其進行相應的鞏固培訓。

制氧機操作必須按順序進行，其中開機前檢查確認操作總共有96項，開機操作總共有7大項，停機操作總共有8大項，停機后檢查確認操作總共有78項。依據仿真操作順序有無顛倒或操作有無遺漏等情況，設計評分算法，統計出員工每步操作的完成率，并給出對應的得分。

7 結束語

作為一種新型的培訓工具，5#制氧機仿真平臺利用理論結合實際的方式對員工進行培訓，效率更高。其一方面能夠讓員工離線仿真制氧機的開停機操作，提高實際操作技能及對制氧機認知的高度；另一方面，員工可以在該平臺上測試聯鎖程序，理解制氧機的重要參數的意義。通過這套制氧機的仿真平臺，可以縮短員工掌握制氧操作技能的時間。