寧夏石化公司化肥裝置DCS仿真系統(tǒng)的應(yīng)用①

摘 要:本文對(duì)寧夏石化公司多年來(lái)使用的三套DCS仿真系統(tǒng)的軟硬件作了全面介紹，著重闡述了仿真系統(tǒng)的類(lèi)型、適用性、組成、功能等，以及應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞:DCS仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能適用性組態(tài)效果

中圖分類(lèi)號(hào):TQ0-4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)05(a)-0047-02

幾年來(lái)，寧夏石化公司的化肥裝置不斷進(jìn)行著擴(kuò)建和優(yōu)化改造，生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，自動(dòng)化水平提高，聯(lián)鎖控制更加先進(jìn)，主控室的表盤(pán)設(shè)備越來(lái)越少，取而代之的是具有高效的實(shí)時(shí)性、可靠性、可擴(kuò)充性、使用方便、易于維護(hù)，功能更強(qiáng)、更完備的集散控制系統(tǒng)(DCS)及形式多樣的控制站和操作站。新技術(shù)對(duì)崗位的要求越來(lái)越高，只有通過(guò)模擬仿真技術(shù)的運(yùn)用才能真實(shí)地再現(xiàn)工作場(chǎng)景，可以達(dá)到操作人員的技能訓(xùn)練目的。建立現(xiàn)場(chǎng)裝置的控制仿真系統(tǒng)可以使崗位操作人員深入掌握工藝流程和工藝操作過(guò)程，可以親歷各種事故狀態(tài)、反復(fù)練習(xí)事故處理的應(yīng)急辦法，最終達(dá)到具有本能處理突發(fā)事件的能力，清醒地對(duì)故障進(jìn)行緊急排除，最大限度地減少、避免事故的發(fā)生。十余年來(lái)，寧夏石化公司為對(duì)合成氨和尿素裝置先后開(kāi)發(fā)建立了三套DCS仿真系統(tǒng)。本文針對(duì)化肥裝置的DCS仿真系統(tǒng)及工藝控制模擬操作上的應(yīng)用效果進(jìn)行梳理。

1化肥裝置的ＤＣＳ仿真系統(tǒng)類(lèi)型及適用性

化肥裝置DCS仿真系統(tǒng)是在一種功能較為齊全的工業(yè)控制軟件的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)完成。被控對(duì)象是模擬生產(chǎn)裝置而產(chǎn)生出來(lái)的，有兩種情況，一種是采用仿真技術(shù)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(gòu)成一套完整的設(shè)備裝置控制體系，即常用的DCS工藝仿真系統(tǒng)。另一種是采用一套物理裝置作為被控對(duì)象，仿真控制系統(tǒng)將系統(tǒng)的一部分用數(shù)學(xué)模型加以描述轉(zhuǎn)達(dá)為仿真模型在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)運(yùn)行，將被控對(duì)象(物理裝置)以實(shí)物形式接入仿真系統(tǒng)回路，即屬于實(shí)物仿真。寧夏石化公司擁有這兩類(lèi)仿真系統(tǒng)。第一種主要是以軟件產(chǎn)品形式表現(xiàn)的仿真系統(tǒng)，DCS控制組態(tài)的模式及仿真軟件功能與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)保持一致，逼真地反映出DCS控制室內(nèi)進(jìn)行的一切操作，適于對(duì)化工工藝操作人員和技術(shù)人員進(jìn)行仿真培訓(xùn)。第二種是軟件系統(tǒng)與實(shí)物設(shè)備結(jié)合制造出的真正仿實(shí)物模擬系統(tǒng)，相當(dāng)于半實(shí)物仿真車(chē)間，包括有靜設(shè)備、動(dòng)設(shè)備、各種閥門(mén)以及相關(guān)儀表、聯(lián)鎖ESD、仿真DCS操作等，它不進(jìn)真實(shí)物料，用空氣、水蒸汽及水代替實(shí)際原料，所有現(xiàn)象的變化依靠仿真軟件計(jì)算而來(lái)，實(shí)際裝置常溫、常壓，在運(yùn)行期間也沒(méi)有太多能耗，能保證安全、環(huán)保，是一種高度逼真的仿真環(huán)境，重現(xiàn)真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)氛圍。主要適于對(duì)電氣儀表維修及運(yùn)行的操作人員進(jìn)行實(shí)物安裝、修理、調(diào)試、測(cè)試等訓(xùn)練使用。

2化肥裝置DCS工藝仿真系統(tǒng)

(1)97版的DCS工藝仿真系統(tǒng)。1997年寧夏石化公司(原寧夏化工廠)聯(lián)合北京東方控制技術(shù)有限公司針對(duì)第二套化肥裝置設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)建設(shè)了DCS仿真系統(tǒng)，并于1998年投入使用。它由教師站和學(xué)員操作站兩部分組成，教師站運(yùn)行模擬化肥生產(chǎn)過(guò)程的工藝仿真軟件，學(xué)員操作站模擬真實(shí)DCS(TDC3000GUS)系統(tǒng)的顯示、操作和控制功能。1)硬件配置和仿真軟件的結(jié)構(gòu)組成。硬件系統(tǒng)采用1臺(tái)微機(jī)作為指令臺(tái)，6臺(tái)仿DCS操作站做學(xué)員操作站。教師站(上位機(jī))和學(xué)員操作站(下位機(jī))使用PC586微機(jī)固定安放在仿DCS機(jī)柜中模擬現(xiàn)場(chǎng)，其配有以太網(wǎng)絡(luò)通訊卡、20寸 SAMPO CRT、仿DCS專(zhuān)用操作鍵盤(pán)、相關(guān)附屬設(shè)備等。仿真系統(tǒng)的軟件組成:智能操作診斷軟件;總體監(jiān)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(tǒng)主要針對(duì)合成氨裝置、尿素裝置和鍋爐裝置進(jìn)行全流程仿真培訓(xùn)，以主工藝物流的工藝過(guò)程和設(shè)備的模擬為主，并做事故定性仿真培訓(xùn)，也可對(duì)各工段進(jìn)行獨(dú)立培訓(xùn)。3)應(yīng)用效果。DCS仿真系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是對(duì)一個(gè)虛擬的生產(chǎn)裝置控制過(guò)程的模擬，由于工藝反應(yīng)過(guò)程的復(fù)雜，過(guò)程仿真部分通常是使用簡(jiǎn)化模型。用仿真系統(tǒng)對(duì)操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，能使操作人員提前熟悉將要操作控制的對(duì)象，節(jié)省資源，提高培訓(xùn)效果，縮短了培訓(xùn)時(shí)間。

(2)09版的DCS工藝仿真系統(tǒng)(升級(jí)改造)。第二套化肥裝置隨著生產(chǎn)需要不斷進(jìn)行改造和擴(kuò)建，設(shè)備裝置上的工藝流程與原設(shè)計(jì)有很大的改變，97年開(kāi)發(fā)的仿真系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)裝置上的工藝流程不吻合、配套，已不能滿(mǎn)足培訓(xùn)需求。2008年初開(kāi)始針對(duì)第二套化肥裝置中合成氨和尿素的工藝流程再一次進(jìn)行組態(tài)并研發(fā)DCS仿真系統(tǒng)，于2009年5月正式投入使用。此套工藝仿真系統(tǒng)除了具有97版的仿真系統(tǒng)功能外，在配置和功能方面都有很大的提高。它運(yùn)用仿真數(shù)學(xué)模型，不受約束地模擬實(shí)際裝置物理化學(xué)特性，全工況動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模擬裝置的開(kāi)車(chē)、停車(chē)、正常運(yùn)行調(diào)控、緊急停車(chē)和事故處理，危險(xiǎn)工況和事故狀態(tài)由仿真模型模擬。仿DCS界面與實(shí)際生產(chǎn)DCS界面一致，顯出一個(gè)真實(shí)化肥生產(chǎn)操作控制模式、方法與環(huán)境。1)硬件環(huán)境。DCS仿真系統(tǒng)的硬件采取普通微機(jī)作為教師指令臺(tái)(上位機(jī))，仿DCS操作站作為學(xué)員站(下位機(jī))。上、下位機(jī)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通訊聯(lián)接具有如下特點(diǎn):①網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議(TCP/IP);②網(wǎng)絡(luò)上設(shè)有設(shè)置專(zhuān)項(xiàng)服務(wù)器，教師站(上位機(jī))負(fù)責(zé)系統(tǒng)的調(diào)度和管理，學(xué)員站(下位機(jī))為學(xué)員操作站，擔(dān)負(fù)運(yùn)算模型的職能，使DCS仿真系統(tǒng)和模型之間的數(shù)據(jù)交換在本機(jī)實(shí)現(xiàn)減輕網(wǎng)絡(luò)通訊負(fù)荷。2)工藝仿真系統(tǒng)軟件(見(jiàn)圖1所示)。仿真系統(tǒng)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(yùn)行管理軟件;④仿DCS軟件;⑤技能鑒定系統(tǒng)軟件。主要模塊軟件功能如下:教師站管理軟件具有網(wǎng)絡(luò)自檢、時(shí)標(biāo)設(shè)定、培訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)定、快門(mén)設(shè)定和重演、程序凍結(jié)、成績(jī)統(tǒng)計(jì)、師生交流、授權(quán)、響應(yīng)時(shí)間等功能。技能操作考核系統(tǒng)完成程序過(guò)程中的變量跟蹤、判斷、記憶及綜合評(píng)定出各項(xiàng)成績(jī)，并給出評(píng)分信息。3)仿DCS操作站軟件及界面的組成。①主要由組態(tài)工具軟件和控制運(yùn)動(dòng)軟件組成組態(tài)工具軟件的具體功能:過(guò)程點(diǎn)和算法組態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)畫(huà)面組態(tài)、流程圖組態(tài)和鍵盤(pán)組態(tài)。控制運(yùn)動(dòng)軟件的功能是管理、調(diào)度仿DCS軟件各部分，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)存取和管理，PID響應(yīng)時(shí)間<1.0S，各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)畫(huà)面的顯示、操作，流程圖畫(huà)面和顯示操作，鍵盤(pán)操作管理，各種算法的實(shí)現(xiàn)以及通訊的協(xié)調(diào)配置。實(shí)現(xiàn)了仿DCS系統(tǒng)的顯示、操作功能。②操作界面內(nèi)容包括:總貌畫(huà)面、單元畫(huà)面、控制組畫(huà)面、流程畫(huà)面、趨勢(shì)畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面等等。4)仿真系統(tǒng)模型軟件組態(tài)開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)。采用的方法是基于物料、能量動(dòng)態(tài)平衡及化學(xué)反應(yīng)速度、汽液相平衡及分離速度的模塊化的半機(jī)理動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，盡量避免迭代嵌套，采用簡(jiǎn)化的物性數(shù)據(jù)計(jì)算和參數(shù)反推計(jì)算建立動(dòng)態(tài)模型，其機(jī)理性強(qiáng)，適用范圍廣，精度高。5)培訓(xùn)功效。基于第一套仿真系統(tǒng)使用中積累經(jīng)驗(yàn)及升級(jí)后的DCS仿真系統(tǒng)培訓(xùn)功能增強(qiáng)，不斷拓展了仿真培訓(xùn)的領(lǐng)域。①通過(guò)對(duì)仿真過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬組態(tài)，分析現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中可能出現(xiàn)和事故狀態(tài)，在仿真培訓(xùn)中提高操作人員事故預(yù)見(jiàn)性能力。②為了提高操作工精細(xì)操作意識(shí)和加強(qiáng)質(zhì)量控制要求，可組織裝置上的技術(shù)人員通過(guò)對(duì)仿真系統(tǒng)的模擬運(yùn)行，檢驗(yàn)了工況，優(yōu)化仿真系統(tǒng)的運(yùn)行模式，優(yōu)化仿真系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置，優(yōu)化操作規(guī)程，從而提高了崗位操作人員精細(xì)操作意識(shí)。③DCS仿真系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)不同工種、不同班次人員的混合培訓(xùn)。④根據(jù)實(shí)戰(zhàn)要求，充分利用仿真系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)功能，組織合成氨和尿素車(chē)間各工段崗位上操作人員進(jìn)行全流程開(kāi)車(chē)、停車(chē)和事故處理等項(xiàng)目的各種競(jìng)賽，為仿真系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)一步融入生產(chǎn)進(jìn)行了拓展。

3 化肥裝置DCS實(shí)物仿真系統(tǒng)

為了能使電氣儀表維護(hù)及運(yùn)行人員得到和工藝操作人員一樣的培訓(xùn)效果，寧夏石化公司于2007年5月31日成功研發(fā)出一套具有實(shí)物裝置的DCS仿真系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)了近四個(gè)月的試運(yùn)行，性能穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的目的，具備了培訓(xùn)條件。此套仿真系統(tǒng)包括第二套化肥裝置的Honeywell公司的TPS(DCS)仿真控制系統(tǒng)和第一套化肥裝置的工藝仿真控制系統(tǒng)。它不但滿(mǎn)足DCS組態(tài)培訓(xùn)的要求，還實(shí)現(xiàn)了工藝過(guò)程中的動(dòng)態(tài)仿真，是一套實(shí)用的、成功的仿真系統(tǒng)。它采用縮小型全流程、精致的設(shè)備框架系統(tǒng)、管路、手動(dòng)閥門(mén)、控制閥門(mén)、測(cè)控傳感器系統(tǒng)等，具有實(shí)際裝置的全部空間幾何三維分布實(shí)體概念;采用先進(jìn)測(cè)控電子技術(shù)成果，現(xiàn)場(chǎng)總線和電子操作器等專(zhuān)有設(shè)備，所有操作點(diǎn)都可以全量程手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)整，具有真實(shí)的操作力度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，所有動(dòng)設(shè)備都處于空轉(zhuǎn)低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。因此運(yùn)行能耗很低，設(shè)備磨損小壽命長(zhǎng)，不需要任何物料，節(jié)省費(fèi)用、時(shí)間和人力，沒(méi)有腐蝕、污染和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。

(1)硬件配置與組成見(jiàn)圖2所示。1)霍尼威爾DCS仿真部分:由2臺(tái)TPS操作站，1臺(tái)HPM處理器，1套模擬輸入、輸出卡，2套LCN網(wǎng)，2套UCN網(wǎng)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(bào)警設(shè)定器，2套輸出輸入安全柵，2套溫度變送器，2套電源開(kāi)關(guān)，2臺(tái)繼電器，1臺(tái)電源變換器等。3)“現(xiàn)場(chǎng)”設(shè)備檢測(cè)、控制儀表仿真部分:2臺(tái)仿真壓力容器罐，2臺(tái)給水泵，2臺(tái)仿真壓力容器罐液位調(diào)節(jié)閥，1臺(tái)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(diào)節(jié)閥及定位器，1臺(tái)機(jī)級(jí)振動(dòng)位移模擬電機(jī)，1臺(tái)電氣控制配電箱，1臺(tái)仿真壓力容器罐底部溫度熱阻，1臺(tái)仿真壓力容器罐壓力變送器，1臺(tái)仿真壓力容器罐入口流量金屬浮子流計(jì)量計(jì)，1臺(tái)仿真壓力器罐液位差變送器等。4)3500仿真系統(tǒng)的硬件組成:顯示屏，電源模塊，框架接口模塊，鍵相模塊，振動(dòng)位移模塊，繼電器模塊，通訊模塊，顯示接口模塊，振動(dòng)前置器，位移前置器，延伸電纜，探頭，機(jī)組振動(dòng)位移模擬電機(jī)等。5)GE90-30、CENTUM-CS3000組態(tài)應(yīng)用和西門(mén)子SIMATIC組態(tài)應(yīng)用仿真系統(tǒng)的硬件組成:顯示屏，雙冗余電源背板，電源模塊，CPU，RTU MASTER，數(shù)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。1)霍尼威爾DCS控制仿真系統(tǒng);2)3500仿真系統(tǒng);3)GE90-30仿真系統(tǒng);4)CENTUM-CS3000組態(tài)應(yīng)用仿真系統(tǒng);5)西門(mén)子SIMATIC組態(tài)應(yīng)用仿真系統(tǒng)。

(3)基本功能、技術(shù)水平。此仿真培訓(xùn)能完整模擬出Honeywell公司DCS系統(tǒng)的功能，能模擬實(shí)現(xiàn)四大化工參數(shù):流量、液位、壓力、溫度的測(cè)量和控制，系統(tǒng)運(yùn)行自如，流暢，無(wú)頻繁的死機(jī)現(xiàn)象或軟硬件故障。可以模擬實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、液位、流量四大工藝參數(shù)的測(cè)量;可以構(gòu)成常規(guī)自控系統(tǒng)和串級(jí)、分程、純滯后等復(fù)雜控制系統(tǒng);可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥、變送器的在線調(diào)試和故障處理技術(shù)培訓(xùn);可以實(shí)現(xiàn)機(jī)泵的自啟動(dòng)功能;可以實(shí)現(xiàn)模擬聯(lián)鎖保護(hù)功能;可以實(shí)現(xiàn)大機(jī)組振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速仿真功能等。3)仿工藝操作運(yùn)行對(duì)象。工藝參數(shù)類(lèi)型齊全;控制參數(shù)類(lèi)型齊全;可實(shí)現(xiàn)的控制方案齊全;可以靈活組合，實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的工藝對(duì)象。

(4)應(yīng)用效果。電氣儀表操作和技術(shù)人員在這套仿真系統(tǒng)上成功地進(jìn)行階段性的實(shí)際操作訓(xùn)練，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)儀表運(yùn)行維修等工種的操作技能水平的測(cè)評(píng)，在技能培訓(xùn)和考核中取到良好的效果。

如圖2所示。

4結(jié)語(yǔ)

DCS仿真系統(tǒng)的運(yùn)行逼真的反映出操作過(guò)程同實(shí)際生產(chǎn)操作過(guò)程的相似性，再現(xiàn)了化肥裝置工藝操作和電儀維修運(yùn)行崗位的真實(shí)工作場(chǎng)景，顯示其實(shí)用性、真實(shí)性、安全性、互動(dòng)性、可重復(fù)性、預(yù)防性和實(shí)時(shí)監(jiān)控等重要功能，對(duì)提高崗位操作人員和技術(shù)人員的運(yùn)行和維護(hù)水平有著不可缺少的作用，良好的培訓(xùn)功效對(duì)寧夏石化公司的發(fā)展有著重要意義。

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