制氧機(jī)組仿真操作平臺的開發(fā)及應(yīng)用

摘 要：簡單介紹制氧機(jī)組基本配置情況以及制氧機(jī)組的工藝流程，闡述了仿真操作平臺的開發(fā)初衷，詳細(xì)介紹了仿真平臺的仿真對象及仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對每個仿真模塊的仿真內(nèi)容和實現(xiàn)方法進(jìn)行詳細(xì)的說明。該仿真平臺作為一種新型培訓(xùn)工具具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：制氧機(jī)；仿真平臺；生產(chǎn)操作；設(shè)計算法；培訓(xùn)

1 概述

江西銅業(yè)集團(tuán)貴溪冶煉廠是當(dāng)今最先進(jìn)的閃速煉銅工藝工廠，截至目前已形成年產(chǎn)100萬噸銅的綜合生產(chǎn)能力。隨著銅生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)張，貴冶先后投入建成4套低溫分離原理制氧機(jī)組，為主工藝提供生產(chǎn)所需的氧氣和氮?dú)猓O(shè)計氧氣總產(chǎn)量為51500Nm3/h。其中5#制氧機(jī)組是2007年隨廠新30萬噸銅冶煉工程的建設(shè)而投入生產(chǎn)，其工藝流程較其他機(jī)組復(fù)雜，操作難度較大，不但可以生產(chǎn)

18000Nm3/h低壓氧氣，而且可以生產(chǎn)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(jī)組包含有空壓機(jī)系統(tǒng)、預(yù)冷系統(tǒng)、分子篩系統(tǒng)、換熱器系統(tǒng)、膨脹機(jī)系統(tǒng)、分餾塔系統(tǒng)、氬系統(tǒng)、儲槽系統(tǒng)及循環(huán)水系統(tǒng)等9個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)前后緊密關(guān)聯(lián)，相互影響。

正常生產(chǎn)時，員工要監(jiān)控各環(huán)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，及時對異常參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證制氧機(jī)組生產(chǎn)穩(wěn)定。每次機(jī)組開機(jī)，都要對每個子系統(tǒng)的閥門位置和參數(shù)進(jìn)行檢查確認(rèn)，確定都在正確位置后，才能進(jìn)行正常開機(jī)操作；同樣，在制氧機(jī)組計劃停機(jī)或緊急停機(jī)后，也要對各子系統(tǒng)的閥門位置和參數(shù)進(jìn)行檢查，以確保停機(jī)后設(shè)備安全。開停機(jī)過程中要兼顧前后工序主要參數(shù)變化，以免造成不必要停機(jī)或設(shè)備故障。計劃性開停機(jī)或突發(fā)故障停機(jī)，都需要員工具備熟練的應(yīng)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(jī)開停機(jī)操作，以5#制氧機(jī)的操作為模型，其內(nèi)容包含4個方面：開機(jī)前檢查確認(rèn)操作；開機(jī)操作；停機(jī)操作；停機(jī)后的檢查確認(rèn)操作。

2.2 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本仿真項目開發(fā)總體分為四部分內(nèi)容：一是基礎(chǔ)仿真，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)仿真，涉及平臺運(yùn)行所需的所有參數(shù)的數(shù)據(jù)仿真，實現(xiàn)在不同狀態(tài)條件下，參數(shù)數(shù)據(jù)能對應(yīng)變化顯示，如操作某臺閥門，其關(guān)聯(lián)的流量參數(shù)會相應(yīng)變化；三是過程控制仿真，編制制氧機(jī)聯(lián)鎖控制程序，實現(xiàn)生產(chǎn)聯(lián)鎖控制模擬；四是操作評分仿真，依據(jù)員工操作情況給出對應(yīng)的分?jǐn)?shù)。

3 基礎(chǔ)仿真

基礎(chǔ)仿真根據(jù)生產(chǎn)監(jiān)控要求建立仿真平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)仿真、過程控制仿真做鋪墊。另外，還需建立中間變量（內(nèi)部開關(guān)），作為程序控制及過程報警所用。

有些制氧機(jī)的操作需要在在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行，如設(shè)備的開停及現(xiàn)場閥門的開關(guān)等，通過增加對應(yīng)設(shè)備或閥門的內(nèi)部開關(guān)（虛擬現(xiàn)場開關(guān)），并在仿真畫面上對應(yīng)位置增加控制按鈕，實現(xiàn)仿真現(xiàn)場操作。

4 數(shù)據(jù)仿真

在建立好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫之后，依據(jù)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過仿真計算功能建立I/O點數(shù)據(jù)仿真，實現(xiàn)操作畫面數(shù)據(jù)顯示功能。圖1是實現(xiàn)數(shù)據(jù)仿真的計算程序模板，圖中CALCU是CS3000內(nèi)部通用計算塊，它是實現(xiàn)數(shù)據(jù)仿真的核心，用戶可以通過功能塊支持的編程語言進(jìn)行編程，進(jìn)行邏輯運(yùn)算和計算操作；RAMP是斜坡塊，它是數(shù)據(jù)仿真效果的修飾工具，可以讓數(shù)據(jù)變化更接近真實情況，其功能是將輸入數(shù)據(jù)用斜坡特性（一定變化速度）增加或減少輸出到后續(xù)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(jìn)行顯示，用于只進(jìn)行測量值顯示的時候；PID是調(diào)節(jié)塊，將輸入信號作為測量值（PV）和設(shè)定值（SV）進(jìn)行偏差計算，再進(jìn)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(jù)I/O點參數(shù)所關(guān)聯(lián)對象的不同，數(shù)據(jù)仿真大致可分為三類。

4.1 兩位式仿真

此類仿真數(shù)據(jù)一般只有兩種數(shù)據(jù)狀態(tài)，如預(yù)冷系統(tǒng)水泵等設(shè)備運(yùn)行信號只跟設(shè)備開停狀態(tài)有關(guān)，設(shè)備開時為“1”，設(shè)備停時為“0”；空壓機(jī)油壓參數(shù)，可以看成只跟輔助油泵或空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，運(yùn)行時為正常油壓2.54bar，停止時為0bar。

4.2 線性關(guān)系仿真

此類仿真數(shù)據(jù)一般為單回路控制的參數(shù)數(shù)據(jù)。如空冷塔冷卻水流量顯示，當(dāng)冷卻水泵開啟之后，流量的大小主要跟流量調(diào)節(jié)閥的開度有關(guān)，可以看成與閥門開度（或?qū)?yīng)PID模塊MV值）成線性關(guān)系，線性系數(shù)可以參考實際數(shù)據(jù)計算出來。

4.3 非線性關(guān)系仿真

此類仿真數(shù)據(jù)受前后工序影響較大，而且受多種設(shè)備或閥門狀態(tài)控制。在進(jìn)行此類數(shù)據(jù)仿真計算時，就要考慮各環(huán)節(jié)對該數(shù)據(jù)影響所占的比例以及影響效果的正負(fù)方向。如空壓機(jī)出口壓力參數(shù)，受空壓機(jī)開停狀態(tài)、入口導(dǎo)葉開度、防喘振放空閥開度、后續(xù)工序有無投入等多因素影響。入口導(dǎo)葉對空壓機(jī)出口壓力是正影響，導(dǎo)葉開度越大，出口壓力應(yīng)該越大；防喘振放空閥對出口壓力是負(fù)影響，放空閥開度越大，出口壓力越小。各環(huán)節(jié)影響所占的比例有多大，要根據(jù)實際參數(shù)運(yùn)行情況尋找規(guī)律。

5 過程控制仿真

生產(chǎn)過程控制的作用是確保生產(chǎn)過程處于受控狀態(tài)，對影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素進(jìn)行監(jiān)控，保證生產(chǎn)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。仿真平臺內(nèi)的過程控制仿真主要體現(xiàn)在編制與實際DCS內(nèi)部相同的聯(lián)鎖控制程序，用以監(jiān)督仿真操作過程。

制氧機(jī)組安全運(yùn)行的重要保護(hù)程序主要有：空壓機(jī)停車邏輯、預(yù)冷停車邏輯、分子篩程序、膨脹機(jī)停車邏輯、儲槽邏輯等。當(dāng)發(fā)生誤操作或參數(shù)調(diào)整不到位時，平臺能夠根據(jù)對應(yīng)聯(lián)鎖條件觸發(fā)聯(lián)鎖跳機(jī)，保護(hù)設(shè)備安全，過程控制仿真的監(jiān)督能讓員工更好地理解制氧機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)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(jī)操作的掌握程度，再根據(jù)得分情況對其進(jìn)行相應(yīng)的鞏固培訓(xùn)。

制氧機(jī)操作必須按順序進(jìn)行，其中開機(jī)前檢查確認(rèn)操作總共有96項，開機(jī)操作總共有7大項，停機(jī)操作總共有8大項，停機(jī)后檢查確認(rèn)操作總共有78項。依據(jù)仿真操作順序有無顛倒或操作有無遺漏等情況，設(shè)計評分算法，統(tǒng)計出員工每步操作的完成率，并給出對應(yīng)的得分。

7 結(jié)束語

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