ECS-700系統在仿真訓練裝置中的應用

薛秀莉 楊永紅

（北京燕山石化公司教育培訓中心）

北京燕山石化公司教育培訓中心仿真訓練裝置于1994 年建成， 是國內第1 套煉油化工仿真訓練裝置［1］。它采用實際規模的靜設備、控制系統和動設備，不使用真實物料，采用水和低壓氮氣來替代實際裝置中相應的液相和氣相物料，反應動力學、傳質與傳熱等過程由仿真模型進行實時模擬，是一套物理裝置與數字仿真相結合的半實物仿真訓練裝置，可為企業職工和高校大學生提供逼真的技術培訓。

仿真訓練裝置由仿真計算機、DCS 控制系統和一套包括了煉油化工典型工藝設備的裝置這3部分組成。 現場生產裝置來源于二甲苯生產裝置的臨氫異構單元，仿真模型使用通用過程工業嚴格模型開發系統 （General Process Rigorous Engineering System，GPRES） 開發，DCS 控制系統于2018 年進行升級改造為浙江中控ECS-700系統。 ECS-700 系統對現場設備或仿真模型進行控制和操作管理， 該系統和仿真模型之間通過OPC 技術進行數據交換。

1 工藝流程簡述

圖1 異構反應系統工藝流程

結合仿真培訓的特殊需要，工藝過程選取二甲苯生產裝置異構化反應單元的分離工段［1］，由吸附單元抽余液塔第5 塊塔板側線來的物料，在臨氫狀態下用催化劑異構反應為含有平衡對二甲苯的C8 芳烴［2］，工藝流程如圖1 所示。 物料進入異構加料緩沖罐后， 經異構加料泵送入混合進出料換熱器E101。 循環氣體經壓縮機壓縮后，一部分為防喘振返回壓縮機入口， 另一部分則和異構加料泵來的物料混合進入E101， 經換熱后進入加熱爐加熱至規定溫度后， 進入異構反應器。 反應產物在E101 和混合物料換熱后進入產品冷凝器， 冷卻后進入產品分離器分成氣液兩相。 氣相一部分去火炬，另一部分進入循環氣體壓縮機， 液相經脫庚烷塔進料泵抽出與新鮮進料混合， 經換熱升溫后， 進入脫庚烷塔脫除C7 以下的輕組分。 脫除了輕組分的C8 芳烴料進入再精餾塔脫除C9 以上重組分及部分聚合物。

現場的生產裝置包括加熱爐、反應器、反應產物分離器、精餾塔、換熱器、分離罐及機泵等。壓縮機系統由仿真模型實現，壓縮機的現場操作在計算機上實現，培訓時學員可以在現場裝置上進行實際操作。

2 控制系統配置及規模

本裝置共有I/O 測點169 個， 其中模擬量輸入51 點（4～20mA 電流50 點，熱電阻1 點），模擬量輸出42 點，常規DI 位號43 點，常規DO 位號33 點；仿真數據63 個。

項目定義一個操作域和一個控制域［3，4］，控制域內設置一個現場控制站（CS），操作域內設置4個操作員站（OS）和1 個工程師站（ES）。系統網絡為雙網冗余配置，整體網絡架構如圖2 所示。

圖2 ECS-700 系統整體網絡架構

3 ECS-700 系統關鍵控制方案設計與實施

仿真訓練裝置的工藝變量均集中在控制室ECS-700 系統中指示、自動調節和記錄，并對一些重要的操作變量設置超限報警或聯鎖控制，以保證裝置的安全平穩操作。 裝置的大部分控制回路采用單回路控制和串級控制，由ECS-700 系統完成。 部分典型控制方案如下。

3.1 原料加熱爐出口溫度控制

原料加熱爐燃料有燃料氣和燃料油兩種。 當選擇燃料氣加熱時，使用出口溫度單回路控制方案；選擇燃料油加熱時，使用加熱爐出口溫度-燃料油壓力串級控制方案。 自定義一個開關量（DS203）實現燃料氣和燃料油控制的選擇，控制組態如圖3 所示。

DS203 為OFF 時為燃料油加熱模式，TIC106S 和PIC109 組成串級控制， 同時TIC106功能塊處于初始化狀態，TV106 關閉。

DS203 為ON 時為燃料氣加熱模式，TIC106單回路控制，TIC106S 功能塊初始化，PIC109 切回手動控制模式，燃料油閥門關閉。

3.2 T102 塔進料溫度控制

T102 塔進料溫度是通過控制T101 塔出料量與T101 塔進料量來完成的 （兩種物料通過換熱器E103 進行熱交換），是分程控制，其組態如圖4所示。TV116A 是氣開閥，TV116B 是氣關閥，當控制器輸出為0%時，TV116A 全關，TV116B 全開；當控制器輸出為100%時，TV116A 全開，TV116B全關。 將分程控制功能塊工作模式初始狀態設置為串級，MODE_OPT 設置為ON，使得分程控制功能塊可以自動投用，減少人工操作。

圖3 原料加熱爐溫度控制組態

圖4 T102 塔進料溫度分程控制組態

4 ECS-700 系統和仿真模型之間的數據通信

ECS-700 系統對裝置工藝參數進行采集與控制，仿真計算機根據裝置運行工況和仿真模型進行仿真運算。 ECS-700 系統與仿真模型之間通過OPC 實現數據交換，通信過程如圖5 所示。

OPC 是OLE（Object Linking and Embedding）for Process Control 的縮寫，OPC 是一種技術規范，定義了一套工業標準的軟件接口，主要基于微軟的OLE/COM（組件對象模型）和DCOM（分布式組件對象模型）技術，其中包括了自動化應用中需要的一整套接口、屬性和方法的標準［5，6］。 OPC 規范的應用使得現場設備、控制系統和生產管理軟件之間的互操作性獲得了實現。

圖5 ECS-700 系統與仿真模型OPC 通信示意圖

為實現ECS-700 系統與仿真模型之間的OPC 雙向實時通信，使用VC++6.0 開發建立了仿真模型與ECS-700 系統之間通信的接口程序。 接口程序通過調用GPRES 平臺的應用程序接口API 函數，從而實現它與仿真模型間的數據通信。與此同時， 接口程序和ECS-700 系統之間通過OPC 進行雙向數據通信。

ECS-700 系統支持隨系統軟件而安裝的OPC服務器和獨立安裝的OPC 服務器兩種［7］，這里使用系統軟件自帶的OPC 服務器SUPCON.SCRTCore。在OPC Client 程序中添加需要連接的OPC Server、OPC 組等設置。同時在服務器上建立一個I/O COMMON 表，表中按照規定格式存放仿真模型和ECS-700 系統之間需要交換數據的變量、數據值以及輸入/輸出方式等。 仿真模型通過接口程序獲取裝置相關數據并進行運算，模型運算得到的數據（如溫度、壓力、流量及閥位等）再通過OPC 寫回ECS-700 系統，從而實現仿真模型和ECS-700 系統之間的數據交換。

5 結束語

ECS-700 系統的設計方案滿足了裝置控制和培訓教學的各項要求，裝置開車后運行平穩。 通過OPC 建立DCS 和仿真模型的通信，采集工藝現場的數據并送到仿真模型， 模型運算的數據再通過OPC 傳送給ECS-700 系統進行顯示、控制，模擬了真實的反應過程， 整個仿真訓練裝置為學員提供了與生產現場基本一致的、安全的訓練環境。