延遲焦化間歇過程順序控制系統(tǒng)中仿真培訓系統(tǒng)的開發(fā)

唐玉玲

(中南民族大學計算機科學學院，武漢430074)

當前全球?qū)p質(zhì)油的需求越來越多，而原油市場上重質(zhì)化、劣質(zhì)化原油所占的比例越來越大，煉油企業(yè)都面臨著大量加工重質(zhì)原油的嚴峻挑戰(zhàn).重油加工技術(shù)已成為當今世界煉油業(yè)發(fā)展的重點，也是提高煉油企業(yè)效益和競爭能力的主要手段之一.延遲焦化是國內(nèi)外大部分煉油廠進行重質(zhì)油加工的主要手段，且能處理煉油企業(yè)的各種殘渣物料，因此它被稱為煉油企業(yè)的“垃圾桶”或“回收站”［1，2］.截止2009年，我國延遲焦化處理能力已經(jīng)達到75 Mt/a左右;延遲焦化處理能力占原油加工能力的比例10%以上，居全球第2 位［3］.

延遲焦化過程是一個典型的連續(xù)/間歇過程__［4］，其控制功能復雜［5］.文獻［6，7］針對其間歇特性進行控制策略研究，但并未涉及間歇操作的控制問題.目前，延遲焦化的連續(xù)過程采用分布式控制系統(tǒng)(DCS)而間歇操作主要采用手動操作.手動操作效率低下、勞動強度大，且運行人員誤操作極易引發(fā)重大事故.近年來，順序控制逐漸引入焦炭塔的間歇操作過程，提高了流程的自動化程度并通過聯(lián)鎖確保操作的正確性［8-10］.順序控制裝置主要采用安全儀表系統(tǒng)(SIS)［9，10］或可編程控制器(PLC).延遲焦化流程復雜，間歇操作步驟多，導致順序控制系統(tǒng)相對復雜.為了便于優(yōu)化操作流程，使操作人員熟悉控制步序，發(fā)揮應有的各項功能，急需為延遲焦化間歇順序控制提供仿真培訓系統(tǒng).文獻［11-14］開展了延遲焦化流程連續(xù)過程的仿真研究，主要針對DCS的操作進行培訓.其中，文獻［13］研究了仿真系統(tǒng)的支撐系統(tǒng).

本文針對采用PLC的新建順序控制系統(tǒng)設計其仿真培訓系統(tǒng).系統(tǒng)擬采用兩臺計算機分別仿真現(xiàn)場操作(外操)和集控室操作(內(nèi)操)，采用組態(tài)軟件——WinCC分別設計現(xiàn)場操作站和集控站仿真軟件.文章擬介紹仿真培訓系統(tǒng)的通信方式、操作界面設計、流程順序控制等，并以中石化某分公司仿真培訓系統(tǒng)為例介紹其設計方法.

1 延遲焦化順序控制系統(tǒng)

1.1 延遲焦化間歇操作

延遲焦化是一個深度熱裂化熱加工過程，它是利用熱的作用使渣油等原料發(fā)生化學反應而達到加工目的的一種工藝方法.渣油經(jīng)過熱加工處理，可以使低價值的重質(zhì)油轉(zhuǎn)化成高價值的輕質(zhì)油.目前煉油廠配置的典型延遲焦化過程采用“兩塔一爐”的結(jié)構(gòu)，如圖1所示.原料油和循環(huán)油從主分餾塔底抽出，用熱油泵送到加熱爐被快速升溫至約490℃經(jīng)過四通閥進入焦炭塔底部.原料油和循環(huán)油中蠟油以上餾份在焦炭塔內(nèi)由于高溫和長時間停留而發(fā)生裂解、縮合等反應，最終轉(zhuǎn)化為輕烴和焦炭.焦炭聚結(jié)在焦炭塔內(nèi)，而反應產(chǎn)生的油氣自焦炭塔塔頂部逸出并進入主分餾塔，與原料油換熱后，依次分割出焦化富氣、粗汽油、粗柴油、蠟油和循環(huán)油.

圖1 延遲焦化工藝流程簡圖Fig.1 Flowchart of delayed coking

按照延遲焦化的工藝特點，將“兩塔一爐”的生產(chǎn)流程分成了20個步序，如圖2所示.當一個焦炭塔處于生焦階段時，另一個焦炭塔進行除焦及生焦準備，即執(zhí)行小吹汽——大吹汽——給水——放水——除焦——趕空氣——試壓——泄壓——引油氣預熱等操作.2-A/2-B焦炭塔的操作相互輪流切換.焦炭塔的步序切換為間歇操作，而每個步序的執(zhí)行屬于連續(xù)生產(chǎn)過程.

圖2 兩塔一爐”延遲焦化過程間歇操作步序Fig.2 Batch process of delayed coking process equipped with one furnace along with two towers

從圖2可以看出，焦炭塔需要頻繁進行間歇操作，且每個步序又包含多個子步序.若采用傳統(tǒng)的人工操作，勞動強度大，操作人員誤操作極易引發(fā)重大事故.順序控制可以較好解決焦炭塔的間歇操作問題，且通過嚴格的聯(lián)鎖保護能進一步確保步序切換的安全性.

1.2 順序控制系統(tǒng)

延遲焦化過程連續(xù)過程由DCS控制，采用常規(guī)PID或先進控制策略.而間歇過程采用順序控制系統(tǒng)，如圖3所示.本文主要介紹由PLC實現(xiàn)的順序控制系統(tǒng).焦炭塔間歇操作通過閥門通斷控制實現(xiàn)步序切換.對常規(guī)“兩塔一爐”延遲焦化工藝過程，順序控制系統(tǒng)需要控制約30個閥門(包括電動和氣動閥門).

圖3 延遲焦化過程的控制系統(tǒng)Fig.3 Control system for delayed coking

2 仿真培訓系統(tǒng)設計

2.1 開發(fā)平臺

本文重點介紹延遲焦化過程間歇順序控制仿真培訓系統(tǒng).順序控制系統(tǒng)處理的變量大多數(shù)為開關量信號(“0”或者“1”)且間歇操作無需動態(tài)過程，故順序控制仿真對象相對簡單.為了便于仿真培訓系統(tǒng)的使用，采用圖4所示硬件配置，兩臺筆記本電腦通過以太網(wǎng)連接.一臺電腦安裝現(xiàn)場操作站(外操)仿真軟件，該軟件提供仿真界面模擬現(xiàn)場操作過程(閥門允許狀態(tài)指示、仿真現(xiàn)場操作、提供閥門動作的反饋信號等)，并實現(xiàn)焦化過程順序控制策略(邏輯).另一臺筆記本電腦安裝集控室操作站(內(nèi)操)仿真軟件，該軟件與實際順序控制系統(tǒng)所使用的軟件基本一致.區(qū)別在于:集控室操作站仿真軟件的數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場操作站(外操)仿真軟件，而實際順序控制系統(tǒng)軟件與PLC連接獲取生產(chǎn)過程的真實數(shù)據(jù).本文研究的順序控制系統(tǒng)采用西門子S7-400H系列冗余PLC系統(tǒng)，為了便于統(tǒng)一，仿真系統(tǒng)軟件均采用西門子WinCC軟件開發(fā)完成.兩套軟件之間采用OPC(Ole for Process Control)進行數(shù)據(jù)通信，現(xiàn)場站仿真軟件作為OPC Server而集控室軟件作為OPC Client.

圖4 仿真培訓系統(tǒng)硬件平臺Fig.4 Hardware platform of the simulation train system

2.2 仿真培訓系統(tǒng)開發(fā)

現(xiàn)場操作站(外操)仿真軟件需要模擬現(xiàn)場操作過程，延遲焦化過程的執(zhí)行機構(gòu)主要是閥門.圖5是仿真界面上電動閥的操作圖例.圖5中a為閥門描述;b為通/斷電控制;c為閥門控制信號指示;d為狀態(tài)指示:閃爍表示運行開關，常亮表示開/關到位;e為現(xiàn)場操作按鈕.可見通過此圖例可以呈現(xiàn)閥門的各種狀態(tài)給外操人員，且提供外操人員進行操作的手段.與此類似，現(xiàn)場操作站仿真軟件界面還呈現(xiàn)了氣動閥門的操作、模擬量(例如，塔的溫度，壓力)的操作、頂?shù)咨w機操作以及外操確認盤操作等圖例.

圖5 電動閥操作圖例Fig.5 Operation interface of an electrically operated valve

圖6 順序控制流程Fig.6 Flowchart of the sequence control logic

焦炭塔的順序控制邏輯也是由現(xiàn)場操作站完成.為了模擬PLC循環(huán)掃描的執(zhí)行方式，我們用WinCC全局腳本建立了一個全局動作-MainCycle.pas，程序流程如圖6所示.該腳本程序周期性定時觸發(fā)，周期為250ms.每250ms按圖6程序執(zhí)行一次，程序先判斷焦炭塔順控系統(tǒng)狀態(tài)，本文共設計了3種狀態(tài):暫停流程、解除聯(lián)鎖、自動順序控制.自動順序控制是正常工作狀態(tài)，解除聯(lián)鎖后程序處于手動控制方式，暫停流程用于某些特殊情況的處理，處理完后可以繼續(xù)進行自動順序控制.在自動程序狀態(tài)下，程序判斷當前步序(“兩塔一爐”流程分成20個步序)，進行本步序處理，當步進條件滿足后進入下一個步序(需要內(nèi)操確認).需要說明的是，若當前步序是20，步進時轉(zhuǎn)入步序1，實現(xiàn)流程的循環(huán)運行.每個步序又分成多個子步序操作.

集控室操作站(內(nèi)操)仿真軟件主要實現(xiàn)內(nèi)操監(jiān)控功能.仿真軟件與實際順序控制系統(tǒng)所使用軟件基本相同.設計了主畫面、流程圖、實時趨勢、報警、參數(shù)設置、順序控制狀態(tài)設置等界面.仿真軟件通過OPC從現(xiàn)場站仿真軟件獲取數(shù)據(jù).

2.3 現(xiàn)場試驗

采用本文提出的系統(tǒng)開發(fā)方法，我們設計了中石化某分公司的延遲焦化過程順序控制仿真培訓系統(tǒng).仿真系統(tǒng)在該公司進行了現(xiàn)場試用，結(jié)果表明:①在開工之前，仿真系統(tǒng)有效協(xié)助工藝技術(shù)人員直觀、全面地理解和校驗工藝過程，發(fā)現(xiàn)缺陷;②能有效幫助操作人員(內(nèi)操及外操)熟悉順序控制的邏輯條件、順控流程以及操作方式，大大提高了操作人員的操作水平.

3 結(jié)語

延遲焦化是應對原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化的有效手段，也能對渣油進行深度加工，近年來得到了長足發(fā)展.然而，目前延遲焦化過程的控制水平相對低下，尤其是間歇操作過程大多采用手動操作方式，無法進一步適應焦炭塔縮短生產(chǎn)周期、擴容增產(chǎn)的需求.順序控制是解決延遲焦化過程間歇操作的有效手段，本文針對采用PLC的焦炭塔順序控制系統(tǒng)提出了一套仿真培訓系統(tǒng)的設計方法.采用兩臺計算機分別對現(xiàn)場操作站(外操)以及集控室操作站(內(nèi)操)進行仿真，采用OPC規(guī)范進行數(shù)據(jù)通信.仿真軟件采用WinCC軟件開發(fā)，具備完備的內(nèi)外操仿真功能.設計完成的仿真培訓系統(tǒng)已經(jīng)在中石化某煉油廠成功地進行了應用，取得了較好的效果，獲得了業(yè)界的好評.

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