芳烴吸附分離裝置吸附塔控制系統的仿真培訓系統開發

楊仁建，李愿來

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

二甲苯是一種重要的有機化工原料，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大，不斷提高對二甲苯產量勢在必行。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晶法和吸附分離2種方法，現有芳烴聯合裝置多采用后者。

吸附分離技術涉及吸附劑、工藝流程、專用設備、模擬移動床控制系統(以下簡稱控制系統)等多方面，其中控制系統是核心技術之一。控制系統的主要作用是控制吸附塔的各股進出物料按照工藝要求在給定的時間進出特定的吸附劑床層、準確控制吸附塔各股進出物料及循環物料流量并保證吸附塔壓力穩定。某研究院開發了一套功能完善、數字化及智能化程度高、具有自主知識產權的模擬移動床控制系統，由于專用控制系統操作復雜，智能化程度高，人工干預少，對于裝置操作人員來說開停車過程和故障處理內容的學習一般較難，也無法在短期培訓中學習到不同工況下的操作及各種異常情況的判斷處理等技能，因此需要仿真系統進行離線培訓。在該情況下，針對吸附分離模擬移動床工藝，開發出1套以計算機軟硬件為基礎的吸附塔控制系統的仿真培訓系統，通過動態數學模型和步進邏輯算法，設計并模擬出與吸附分離塔控制系統相似的環境，仿真培訓系統為操作技術人員提供了一個近似于真實控制系統的操作環境和操作工況，可以模擬實際生產過程中可能產生的各種故障，提高了操作工應對各種事故的能力，對企業的安全生產、穩定運行及提升產品質量具有重要意義。

以雙塔吸附分離裝置的吸附塔控制系統為對象，設計開發了該控制系統的全工況仿真培訓系統，給出了仿真培訓系統的軟硬件架構、數學模型建立、仿真功能模塊和控制算法模塊開發及仿真結果，并利用過程仿真平臺實現了專有控制系統的復現和模擬。

1 仿真培訓系統架構設計

模擬移動床吸附塔控制系統的仿真培訓系統采用性能穩定、技術先進的硬件平臺，保證了仿真培訓系統的順暢穩定運行。采用西門子PCS7系統編程，實現吸附塔專有控制系統的順控邏輯、工藝計算、容錯處理、區域轉換控制、變量自切換及A/B閥切換等功能，并完成PLC操作站人機交互，保證與工業現場應用完全一致。利用VS.NET編程，開發仿真系統控制臺軟件，包括培訓模塊、現場操作模塊、監控操作模塊、控制模塊、通信模塊等，通信協議采用OPC技術，通信周期最短為0.1 s。采用先進/復雜控制理念，制訂方案并實現了具有可操作性的控制參數調整后控制系統跟蹤模擬。

整個仿真培訓系統構架如圖1所示，由仿真模型服務器、教師指令臺(教員管理站)、PLC操作站及現場操作員站構成。

1)仿真模型服務器是仿真模擬系統核心計算機。用于工程師針對客戶化的模型開發，動態仿真工藝模型的運行。仿真服務器要求有強大的數據運算能力和良好的穩定性，一般采用高性能的計算機。為簡化系統結構和方便系統維護，該服務器可同時作為模型開發的工程師站。

圖1 仿真培訓系統構架示意

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行。教員可以在培訓過程中調用顯示畫面，裝載啟停模型，增加過程干擾、故障及執行其他任務。教員管理站功能主要包括： 設定培訓場景，對仿真系統進行初始化，實現仿真程序的內容選項(開工、停工、正常操作及事故處理)，步進時間設定，工況凍結等設置和控制操作。

3)現場操作站用于完成遠程操作功能，包括模擬裝置配合培訓必要的現場閥門及其他手動設施，如非PLC控制或現場設備、SIS聯鎖/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完成輔助操作臺的功能。對于該項目，現場站功能在PLC操作站上實現。

4)仿真系統PLC操作站作為學員培訓操作站，重現實際工廠PLC的全部功能，因此所有的PLC控制、安全保護、報警功能將被完全仿真和模擬。

2 專有控制系統仿真軟件及組態功能的實現

2.1 數學模型開發

1)程控閥數學模型及步進邏輯。對于雙塔吸附分離系統，共有192臺程控閥，同一時間僅有8臺程控閥處于打開狀態，下一個步進時間同時按順控邏輯要求打開各自下一床層的另外8臺程控閥，關閉上一個步進的8臺程控閥。程序動作時，會觸發程序內部的閥門動作計時器，該計時器記錄從動作指令發出到閥門回訊器返回正常信號之間的時間。程控閥步進運動可概括為： 一個指令，一個位置，一段時間，其數學模型可以用開(關)指令、開(關)到位、開(關)用時及步進時間和上下床層位置等來描述。根據不同管徑程控閥的具體情況，參數數值可以修改。

2)物料流量數學模型開發。控制系統涉及吸附塔物料流量共計18路，物料流量屬于快速變化的工藝參數，時間常數較小，其動態數學模型可以用一階慣性環節描述，傳遞函數如式(1)所示：

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

(1)

式中：K1——比例系數；T1——時間常數；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算。

3)吸附塔壓力數學模型。吸附塔為全液相密閉系統，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，根據壓力系統的特性，其動態數學模型可以簡化用積分環節描述如式(2)所示：

p(s)=K2/(T2s)

(2)

式中：K2——比例系數；T2——時間常數。

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算。

2.2 仿真管理功能開發

在完成吸附塔控制系統流程圖組態、數據庫點組態、順控邏輯、容錯處理、區域轉換功能以及控制回路組態基礎上，完善對吸附塔控制系統培訓管理功能開發。

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

2)仿真工況選擇。仿真系統允許教員根據培訓需要選擇“冷態開車”、“正常操作/事故處理”或“穩態停車”三種工況。

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

4)PCS7人機界面與OTS仿真通信接口。基于WINCC開發的控制系統上位機系統、虛擬PLC的下位機系統以及培訓系統之間通過OPC連接，完成相互之間的數據通信和指令傳輸。可以設定OPC Server的IP地址、選定WINCC的OPC Server；可以分別設定與PLC通信的數字量和模擬量的通信周期。

5)故障設置及事故注入。仿真系統預置了常規故障，例如不同物料程控閥開/關或開/關超時故障、吸附塔泄漏失壓或循環流量低低聯鎖及硬件報警等。在仿真過程中，教員可以隨時導入預置的故障，如程控閥開超時故障設置如圖2所示。

圖2 程控閥開超時故障設置示意

6)操作評分功能開發。學員的操作培訓有2種方式： 不運行評分系統的操作訓練和運行評分系統的操作考核。通過評分系統的運行可以自動考核學員，采用了模糊綜合評判算法對操作過程和操作結果進行評價，給出相應的分數和操作意見。

2.3 控制功能模塊開發

仿真系統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、關鍵回路A/B閥在線切換、自學習智能區域轉換及聯鎖停車等功能。所有控制功能模塊的開發采用西門子SCL語言編程和WINCC界面組態，實現了仿真系統的PLC操作站人機交互。

區域轉換功能是該系統中最核心和復雜的模塊，其基本原理： 控制系統首先學習并記錄每路流量控制閥在特定工作區域的閥位值，在下一循環中，當系統進行到同一區域時，區域轉換將目前閥位設定到上一循環中該區域的記錄閥位。區域轉換的關鍵技術包括： 閥位開度數值的數據處理、閥位超調量OPx的選擇、OPx的持續時間、區域轉換自學習算法啟動時間、算法啟動后程控閥出現故障的容錯處理機制等。

區域轉換技術實現了設定點改變時過程變量的快速跟蹤、保持了切換期間的穩定性，提高了產品收率并保證了產品純度。

3 仿真結果

為了保證仿真系統的應用效果，該系統與工業現場應用的操作界面、控制方案、聯鎖邏輯和系統組態完全相同，充分保證了仿真培訓的臨場感和一致性。操作員在主控室的操作站上進行的實際操作都可以在仿真系統上得到重現，實現了PLC常規控制及復雜控制策略的參數調整和方案探討。下面給出幾組仿真系統運行結果。

1)壓送回路區域切換參數調整及運行效果。從A塔底到B塔頂的管路中流量由A塔底的壓力進行控制，稱為壓送回路。操作人員在仿真系統上進行壓送回路參數調整訓練，通過仿真結果對比，全面掌握在線參數調整及優化技能。壓送回路參數調整后響應曲線如圖3所示，壓送回路四個大區切換運行趨勢效果如圖4所示。

圖4 壓送回路四個大區切換運行趨勢示意

2)吸附塔泄漏事故造成聯鎖停車。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，低于聯鎖值后聯鎖觸發并動作，導致裝置停車。該事故仿真驗證了聯鎖邏輯和執行動作的正確性，并有效訓練了故障處理恢復正常后操作人員對聯鎖系統復位、投用的技能。

4 結束語

仿真培訓系統開發成功后，在該院智能控制實驗室進行了長達3個月的操作測試并順利交付給用戶使用。仿真培訓系統運行測試結果表明： 該系統各功能模塊齊備，吸附塔控制系統仿真界面操作與實際控制系統主控操作一致，能夠逼真模擬實際生產裝置的開工、停工、正常運行、在線參數調整和異常工況事故處理的過程及動態響應。該系統不僅可以用來進行PID控制回路整定訓練、區域轉換智能控制算法的評估和訓練，還可以滿足工藝工程師、控制工程師進行報警管理、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驗，提高處理緊急狀況或異常工況的能力。同時在異常工況處理中需要用到的手動閥、泵啟停、輔助開關等都進行了建模和處理，便于培訓時進行仿真操作。除此之外，該系統還實現了吸附分離單元的虛擬試車，完成了系統從冷態測試、熱態調試、正常操作、事故處理、聯鎖觸發、復位重啟、正常停車等全工況全時段模擬，可以充分高效地完成控制算法驗證、方案優化、事故聯鎖檢查處理等功能，指導、助力控制系統開發，大幅縮短了專有控制系統的開發進程并降低了系統開發風險。