ECS-700系統(tǒng)在仿真訓(xùn)練裝置中的應(yīng)用

薛秀莉 楊永紅

（北京燕山石化公司教育培訓(xùn)中心）

北京燕山石化公司教育培訓(xùn)中心仿真訓(xùn)練裝置于1994 年建成， 是國(guó)內(nèi)第1 套煉油化工仿真訓(xùn)練裝置［1］。它采用實(shí)際規(guī)模的靜設(shè)備、控制系統(tǒng)和動(dòng)設(shè)備，不使用真實(shí)物料，采用水和低壓氮?dú)鈦?lái)替代實(shí)際裝置中相應(yīng)的液相和氣相物料，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、傳質(zhì)與傳熱等過(guò)程由仿真模型進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，是一套物理裝置與數(shù)字仿真相結(jié)合的半實(shí)物仿真訓(xùn)練裝置，可為企業(yè)職工和高校大學(xué)生提供逼真的技術(shù)培訓(xùn)。

仿真訓(xùn)練裝置由仿真計(jì)算機(jī)、DCS 控制系統(tǒng)和一套包括了煉油化工典型工藝設(shè)備的裝置這3部分組成。 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)裝置來(lái)源于二甲苯生產(chǎn)裝置的臨氫異構(gòu)單元，仿真模型使用通用過(guò)程工業(yè)嚴(yán)格模型開(kāi)發(fā)系統(tǒng) （General Process Rigorous Engineering System，GPRES） 開(kāi)發(fā)，DCS 控制系統(tǒng)于2018 年進(jìn)行升級(jí)改造為浙江中控ECS-700系統(tǒng)。 ECS-700 系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或仿真模型進(jìn)行控制和操作管理， 該系統(tǒng)和仿真模型之間通過(guò)OPC 技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

1 工藝流程簡(jiǎn)述

圖1 異構(gòu)反應(yīng)系統(tǒng)工藝流程

結(jié)合仿真培訓(xùn)的特殊需要，工藝過(guò)程選取二甲苯生產(chǎn)裝置異構(gòu)化反應(yīng)單元的分離工段［1］，由吸附單元抽余液塔第5 塊塔板側(cè)線來(lái)的物料，在臨氫狀態(tài)下用催化劑異構(gòu)反應(yīng)為含有平衡對(duì)二甲苯的C8 芳烴［2］，工藝流程如圖1 所示。 物料進(jìn)入異構(gòu)加料緩沖罐后， 經(jīng)異構(gòu)加料泵送入混合進(jìn)出料換熱器E101。 循環(huán)氣體經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，一部分為防喘振返回壓縮機(jī)入口， 另一部分則和異構(gòu)加料泵來(lái)的物料混合進(jìn)入E101， 經(jīng)換熱后進(jìn)入加熱爐加熱至規(guī)定溫度后， 進(jìn)入異構(gòu)反應(yīng)器。 反應(yīng)產(chǎn)物在E101 和混合物料換熱后進(jìn)入產(chǎn)品冷凝器， 冷卻后進(jìn)入產(chǎn)品分離器分成氣液兩相。 氣相一部分去火炬，另一部分進(jìn)入循環(huán)氣體壓縮機(jī)， 液相經(jīng)脫庚烷塔進(jìn)料泵抽出與新鮮進(jìn)料混合， 經(jīng)換熱升溫后， 進(jìn)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(jìn)入再精餾塔脫除C9 以上重組分及部分聚合物。

現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)裝置包括加熱爐、反應(yīng)器、反應(yīng)產(chǎn)物分離器、精餾塔、換熱器、分離罐及機(jī)泵等。壓縮機(jī)系統(tǒng)由仿真模型實(shí)現(xiàn)，壓縮機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)操作在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，培訓(xùn)時(shí)學(xué)員可以在現(xiàn)場(chǎng)裝置上進(jìn)行實(shí)際操作。

2 控制系統(tǒng)配置及規(guī)模

本裝置共有I/O 測(cè)點(diǎn)169 個(gè)， 其中模擬量輸入51 點(diǎn)（4～20mA 電流50 點(diǎn)，熱電阻1 點(diǎn)），模擬量輸出42 點(diǎn)，常規(guī)DI 位號(hào)43 點(diǎn)，常規(guī)DO 位號(hào)33 點(diǎn)；仿真數(shù)據(jù)63 個(gè)。

項(xiàng)目定義一個(gè)操作域和一個(gè)控制域［3，4］，控制域內(nèi)設(shè)置一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站（CS），操作域內(nèi)設(shè)置4個(gè)操作員站（OS）和1 個(gè)工程師站（ES）。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為雙網(wǎng)冗余配置，整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 ECS-700 系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 ECS-700 系統(tǒng)關(guān)鍵控制方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

仿真訓(xùn)練裝置的工藝變量均集中在控制室ECS-700 系統(tǒng)中指示、自動(dòng)調(diào)節(jié)和記錄，并對(duì)一些重要的操作變量設(shè)置超限報(bào)警或聯(lián)鎖控制，以保證裝置的安全平穩(wěn)操作。 裝置的大部分控制回路采用單回路控制和串級(jí)控制，由ECS-700 系統(tǒng)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(dāng)選擇燃料氣加熱時(shí)，使用出口溫度單回路控制方案；選擇燃料油加熱時(shí)，使用加熱爐出口溫度-燃料油壓力串級(jí)控制方案。 自定義一個(gè)開(kāi)關(guān)量（DS203）實(shí)現(xiàn)燃料氣和燃料油控制的選擇，控制組態(tài)如圖3 所示。

DS203 為OFF 時(shí)為燃料油加熱模式，TIC106S 和PIC109 組成串級(jí)控制， 同時(shí)TIC106功能塊處于初始化狀態(tài)，TV106 關(guān)閉。

DS203 為ON 時(shí)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(dòng)控制模式，燃料油閥門(mén)關(guān)閉。

3.2 T102 塔進(jìn)料溫度控制

T102 塔進(jìn)料溫度是通過(guò)控制T101 塔出料量與T101 塔進(jìn)料量來(lái)完成的 （兩種物料通過(guò)換熱器E103 進(jìn)行熱交換），是分程控制，其組態(tài)如圖4所示。TV116A 是氣開(kāi)閥，TV116B 是氣關(guān)閥，當(dāng)控制器輸出為0%時(shí)，TV116A 全關(guān)，TV116B 全開(kāi)；當(dāng)控制器輸出為100%時(shí)，TV116A 全開(kāi)，TV116B全關(guān)。 將分程控制功能塊工作模式初始狀態(tài)設(shè)置為串級(jí)，MODE_OPT 設(shè)置為ON，使得分程控制功能塊可以自動(dòng)投用，減少人工操作。

圖3 原料加熱爐溫度控制組態(tài)

圖4 T102 塔進(jìn)料溫度分程控制組態(tài)

4 ECS-700 系統(tǒng)和仿真模型之間的數(shù)據(jù)通信

ECS-700 系統(tǒng)對(duì)裝置工藝參數(shù)進(jìn)行采集與控制，仿真計(jì)算機(jī)根據(jù)裝置運(yùn)行工況和仿真模型進(jìn)行仿真運(yùn)算。 ECS-700 系統(tǒng)與仿真模型之間通過(guò)OPC 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，通信過(guò)程如圖5 所示。

OPC 是OLE（Object Linking and Embedding）for Process Control 的縮寫(xiě)，OPC 是一種技術(shù)規(guī)范，定義了一套工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口，主要基于微軟的OLE/COM（組件對(duì)象模型）和DCOM（分布式組件對(duì)象模型）技術(shù)，其中包括了自動(dòng)化應(yīng)用中需要的一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)［5，6］。 OPC 規(guī)范的應(yīng)用使得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制系統(tǒng)和生產(chǎn)管理軟件之間的互操作性獲得了實(shí)現(xiàn)。

圖5 ECS-700 系統(tǒng)與仿真模型OPC 通信示意圖

為實(shí)現(xiàn)ECS-700 系統(tǒng)與仿真模型之間的OPC 雙向?qū)崟r(shí)通信，使用VC++6.0 開(kāi)發(fā)建立了仿真模型與ECS-700 系統(tǒng)之間通信的接口程序。 接口程序通過(guò)調(diào)用GPRES 平臺(tái)的應(yīng)用程序接口API 函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)它與仿真模型間的數(shù)據(jù)通信。與此同時(shí)， 接口程序和ECS-700 系統(tǒng)之間通過(guò)OPC 進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。

ECS-700 系統(tǒng)支持隨系統(tǒng)軟件而安裝的OPC服務(wù)器和獨(dú)立安裝的OPC 服務(wù)器兩種［7］，這里使用系統(tǒng)軟件自帶的OPC 服務(wù)器SUPCON.SCRTCore。在OPC Client 程序中添加需要連接的OPC Server、OPC 組等設(shè)置。同時(shí)在服務(wù)器上建立一個(gè)I/O COMMON 表，表中按照規(guī)定格式存放仿真模型和ECS-700 系統(tǒng)之間需要交換數(shù)據(jù)的變量、數(shù)據(jù)值以及輸入/輸出方式等。 仿真模型通過(guò)接口程序獲取裝置相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行運(yùn)算，模型運(yùn)算得到的數(shù)據(jù)（如溫度、壓力、流量及閥位等）再通過(guò)OPC 寫(xiě)回ECS-700 系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)仿真模型和ECS-700 系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

5 結(jié)束語(yǔ)

ECS-700 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案滿足了裝置控制和培訓(xùn)教學(xué)的各項(xiàng)要求，裝置開(kāi)車后運(yùn)行平穩(wěn)。 通過(guò)OPC 建立DCS 和仿真模型的通信，采集工藝現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)并送到仿真模型， 模型運(yùn)算的數(shù)據(jù)再通過(guò)OPC 傳送給ECS-700 系統(tǒng)進(jìn)行顯示、控制，模擬了真實(shí)的反應(yīng)過(guò)程， 整個(gè)仿真訓(xùn)練裝置為學(xué)員提供了與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)基本一致的、安全的訓(xùn)練環(huán)境。