芳烃吸附分离装置吸附塔控制系统的仿真培训系统开发

杨仁建，李愿来

(中国石化石油化工科学研究院，北京 100083)

二甲苯是一种重要的有机化工原料，随着全球聚酯需求量的迅猛增长，对二甲苯需求量也日益扩大，不断提高对二甲苯产量势在必行。将对二甲苯从混合二甲苯分离是制备对二甲苯的主要方法，目前对二甲苯分离主要有结晶法和吸附分离2种方法，现有芳烃联合装置多采用后者。

吸附分离技术涉及吸附剂、工艺流程、专用设备、模拟移动床控制系统(以下简称控制系统)等多方面，其中控制系统是核心技术之一。控制系统的主要作用是控制吸附塔的各股进出物料按照工艺要求在给定的时间进出特定的吸附剂床层、准确控制吸附塔各股进出物料及循环物料流量并保证吸附塔压力稳定。某研究院开发了一套功能完善、数字化及智能化程度高、具有自主知识产权的模拟移动床控制系统，由于专用控制系统操作复杂，智能化程度高，人工干预少，对于装置操作人员来说开停车过程和故障处理内容的学习一般较难，也无法在短期培训中学习到不同工况下的操作及各种异常情况的判断处理等技能，因此需要仿真系统进行离线培训。在该情况下，针对吸附分离模拟移动床工艺，开发出1套以计算机软硬件为基础的吸附塔控制系统的仿真培训系统，通过动态数学模型和步进逻辑算法，设计并模拟出与吸附分离塔控制系统相似的环境，仿真培训系统为操作技术人员提供了一个近似于真实控制系统的操作环境和操作工况，可以模拟实际生产过程中可能产生的各种故障，提高了操作工应对各种事故的能力，对企业的安全生产、稳定运行及提升产品质量具有重要意义。

以双塔吸附分离装置的吸附塔控制系统为对象，设计开发了该控制系统的全工况仿真培训系统，给出了仿真培训系统的软硬件架构、数学模型建立、仿真功能模块和控制算法模块开发及仿真结果，并利用过程仿真平台实现了专有控制系统的复现和模拟。

1 仿真培训系统架构设计

模拟移动床吸附塔控制系统的仿真培训系统采用性能稳定、技术先进的硬件平台，保证了仿真培训系统的顺畅稳定运行。采用西门子PCS7系统编程，实现吸附塔专有控制系统的顺控逻辑、工艺计算、容错处理、区域转换控制、变量自切换及A/B阀切换等功能，并完成PLC操作站人机交互，保证与工业现场应用完全一致。利用VS.NET编程，开发仿真系统控制台软件，包括培训模块、现场操作模块、监控操作模块、控制模块、通信模块等，通信协议采用OPC技术，通信周期最短为0.1 s。采用先进/复杂控制理念，制订方案并实现了具有可操作性的控制参数调整后控制系统跟踪模拟。

整个仿真培训系统构架如图1所示，由仿真模型服务器、教师指令台(教员管理站)、PLC操作站及现场操作员站构成。

1)仿真模型服务器是仿真模拟系统核心计算机。用于工程师针对客户化的模型开发，动态仿真工艺模型的运行。仿真服务器要求有强大的数据运算能力和良好的稳定性，一般采用高性能的计算机。为简化系统结构和方便系统维护，该服务器可同时作为模型开发的工程师站。

图1 仿真培训系统构架示意

2)教师指令台(教员管理站)的主要作用是控制仿真程序的运行。教员可以在培训过程中调用显示画面，装载启停模型，增加过程干扰、故障及执行其他任务。教员管理站功能主要包括： 设定培训场景，对仿真系统进行初始化，实现仿真程序的内容选项(开工、停工、正常操作及事故处理)，步进时间设定，工况冻结等设置和控制操作。

3)现场操作站用于完成远程操作功能，包括模拟装置配合培训必要的现场阀门及其他手动设施，如非PLC控制或现场设备、SIS联锁/旁路功能。该站的显示画面还可以模拟硬件操作面板，操作员可以在该站图形界面上通过鼠标完成辅助操作台的功能。对于该项目，现场站功能在PLC操作站上实现。

4)仿真系统PLC操作站作为学员培训操作站，重现实际工厂PLC的全部功能，因此所有的PLC控制、安全保护、报警功能将被完全仿真和模拟。

2 专有控制系统仿真软件及组态功能的实现

2.1 数学模型开发

1)程控阀数学模型及步进逻辑。对于双塔吸附分离系统，共有192台程控阀，同一时间仅有8台程控阀处于打开状态，下一个步进时间同时按顺控逻辑要求打开各自下一床层的另外8台程控阀，关闭上一个步进的8台程控阀。程序动作时，会触发程序内部的阀门动作计时器，该计时器记录从动作指令发出到阀门回讯器返回正常信号之间的时间。程控阀步进运动可概括为： 一个指令，一个位置，一段时间，其数学模型可以用开(关)指令、开(关)到位、开(关)用时及步进时间和上下床层位置等来描述。根据不同管径程控阀的具体情况，参数数值可以修改。

2)物料流量数学模型开发。控制系统涉及吸附塔物料流量共计18路，物料流量属于快速变化的工艺参数，时间常数较小，其动态数学模型可以用一阶惯性环节描述，传递函数如式(1)所示：

F(s)=K1/(1+T1s)

(1)

式中：K1——比例系数；T1——时间常数；s——拉氏变换算子。

将式(1)所述模型离散化后，得到差分模型，用于程序中的模型计算。

3)吸附塔压力数学模型。吸附塔为全液相密闭系统，流量变化会造成压力的波动，涉及的压力包括吸附塔1塔底压力、吸附塔2塔底压力，根据压力系统的特性，其动态数学模型可以简化用积分环节描述如式(2)所示：

p(s)=K2/(T2s)

(2)

式中：K2——比例系数；T2——时间常数。

将式(2)所述模型离散化后，得到差分模型，用于程序中的模型计算。

2.2 仿真管理功能开发

在完成吸附塔控制系统流程图组态、数据库点组态、顺控逻辑、容错处理、区域转换功能以及控制回路组态基础上，完善对吸附塔控制系统培训管理功能开发。

1)操作模式(停止/运行)。在教师指令台(教员管理站)上，教员可以根据需要随时以“停止命令”使仿真模型暂停运行，以“运行仿真模型”命令恢复仿真运行。

2)仿真工况选择。仿真系统允许教员根据培训需要选择“冷态开车”、“正常操作/事故处理”或“稳态停车”三种工况。

3)可变的仿真步进时间。教员可以根据不同的工况选择所希望的仿真步进时间，由此可以加速程控阀周期性步进的速度，提高仿真效率。

4)PCS7人机界面与OTS仿真通信接口。基于WINCC开发的控制系统上位机系统、虚拟PLC的下位机系统以及培训系统之间通过OPC连接，完成相互之间的数据通信和指令传输。可以设定OPC Server的IP地址、选定WINCC的OPC Server；可以分别设定与PLC通信的数字量和模拟量的通信周期。

5)故障设置及事故注入。仿真系统预置了常规故障，例如不同物料程控阀开/关或开/关超时故障、吸附塔泄漏失压或循环流量低低联锁及硬件报警等。在仿真过程中，教员可以随时导入预置的故障，如程控阀开超时故障设置如图2所示。

图2 程控阀开超时故障设置示意

6)操作评分功能开发。学员的操作培训有2种方式： 不运行评分系统的操作训练和运行评分系统的操作考核。通过评分系统的运行可以自动考核学员，采用了模糊综合评判算法对操作过程和操作结果进行评价，给出相应的分数和操作意见。

2.3 控制功能模块开发

仿真系统的控制功能模块包括： PID控制、变量测量故障自诊断及主副表切换、关键回路A/B阀在线切换、自学习智能区域转换及联锁停车等功能。所有控制功能模块的开发采用西门子SCL语言编程和WINCC界面组态，实现了仿真系统的PLC操作站人机交互。

区域转换功能是该系统中最核心和复杂的模块，其基本原理： 控制系统首先学习并记录每路流量控制阀在特定工作区域的阀位值，在下一循环中，当系统进行到同一区域时，区域转换将目前阀位设定到上一循环中该区域的记录阀位。区域转换的关键技术包括： 阀位开度数值的数据处理、阀位超调量OPx的选择、OPx的持续时间、区域转换自学习算法启动时间、算法启动后程控阀出现故障的容错处理机制等。

区域转换技术实现了设定点改变时过程变量的快速跟踪、保持了切换期间的稳定性，提高了产品收率并保证了产品纯度。

3 仿真结果

为了保证仿真系统的应用效果，该系统与工业现场应用的操作界面、控制方案、联锁逻辑和系统组态完全相同，充分保证了仿真培训的临场感和一致性。操作员在主控室的操作站上进行的实际操作都可以在仿真系统上得到重现，实现了PLC常规控制及复杂控制策略的参数调整和方案探讨。下面给出几组仿真系统运行结果。

1)压送回路区域切换参数调整及运行效果。从A塔底到B塔顶的管路中流量由A塔底的压力进行控制，称为压送回路。操作人员在仿真系统上进行压送回路参数调整训练，通过仿真结果对比，全面掌握在线参数调整及优化技能。压送回路参数调整后响应曲线如图3所示，压送回路四个大区切换运行趋势效果如图4所示。

图4 压送回路四个大区切换运行趋势示意

2)吸附塔泄漏事故造成联锁停车。在教师指令台(教员管理站)注入吸附塔泄漏事故，吸附塔压力逐渐降低，低于联锁值后联锁触发并动作，导致装置停车。该事故仿真验证了联锁逻辑和执行动作的正确性，并有效训练了故障处理恢复正常后操作人员对联锁系统复位、投用的技能。

4 结束语

仿真培训系统开发成功后，在该院智能控制实验室进行了长达3个月的操作测试并顺利交付给用户使用。仿真培训系统运行测试结果表明： 该系统各功能模块齐备，吸附塔控制系统仿真界面操作与实际控制系统主控操作一致，能够逼真模拟实际生产装置的开工、停工、正常运行、在线参数调整和异常工况事故处理的过程及动态响应。该系统不仅可以用来进行PID控制回路整定训练、区域转换智能控制算法的评估和训练，还可以满足工艺工程师、控制工程师进行报警管理、工艺方案、控制策略等方面的探讨，加深对工艺过程的理解；积累工艺操作和故障诊断经验，提高处理紧急状况或异常工况的能力。同时在异常工况处理中需要用到的手动阀、泵启停、辅助开关等都进行了建模和处理，便于培训时进行仿真操作。除此之外，该系统还实现了吸附分离单元的虚拟试车，完成了系统从冷态测试、热态调试、正常操作、事故处理、联锁触发、复位重启、正常停车等全工况全时段模拟，可以充分高效地完成控制算法验证、方案优化、事故联锁检查处理等功能，指导、助力控制系统开发，大幅缩短了专有控制系统的开发进程并降低了系统开发风险。