應用力控監控組態軟件實現催化裂化系統的自動監控

摘要：本文通過應用嵌入第三方軟件所開發組態軟件自動監控系統以及在催化裂化系統中的應用，重點論述了催化裂化自動監控系統的結構、功能和界面的開發。通過系統仿真和實測運行表明監控系統運行穩定、操作方便、監控效果良好。

前言

　　催化裂化過程是石油二次加工過程中最重要的一環，實現整個過程的自動監控和管理可以極大地提高企業自動化水平、降低生產成本、增加經濟效益。本催化裂化系統利用北京三維力控科技有限公司的力控組態軟件進行二次開發，系統組成結構原理圖如下：

圖1 系統結構圖

　　1.監控要求及對象流程簡介

　　系統的監控對象為反應再生、分餾和吸收穩定三大部分。反應再生系統主要任務是把直餾蠟油和其他加工方法所得的重質油料在一定的溫度下靠催化劑的作用，使原料油經過一系列化學反應裂解成輕質產品。分餾系統則利用各組份揮發度的不同把從沉降器出來的混合油氣分離為粗汽油、柴油和富氣等其他產品。吸收穩定系統將粗汽油和壓縮富氣進一步分離為干氣、液化氣和穩定汽油。

　　監控滿足以下要求：

　　1）信號采集和數據預處理

　　采集標準信號；對來自工業現場的非標準信號數據通過組態軟件進行轉換、預處理和運算。

　　2）動態顯示

　　將工藝流程通過組態軟件真實地反映在動態立體流程圖上，顯示各測量點的參數變化趨勢，并使畫面具有實時、動態效果。

　　3）監控操作

　　完成各工位的參數設定，并對溫度、液位、流量和壓力進行自動監測，實現部分閥門的自動開啟、關閉和流量操作控制。

　　4）操作畫面

　　在操作畫面上可查詢各工位點的溫度、液位、流量等實時和歷史數據，并可按要求設定和打印出實時報表和歷史報表。

　　5）系統擴展與第三方軟件的結合

　　實現與專家系統開發工具CLIPS及MATLAB的集成，以實現一些常規控制不易完成的先進控制。

　　2. 系統硬件配置

　　由一臺以上的工控機組成的以太局域網，并配21英寸監視器以及報表和事件打印機等其他設備。為提高系統冗余性，配置兩臺與下位機通訊的I/O服務器，一臺為主服務器，另一臺為熱備服務器。

　　網絡服務器的操作系統為Windows NT Server 2000，在此完成管理級功能，如局域網的管理任務、形成管理部門所需數據的記錄報表、統計報表等。系統通過此服務器與企業Intranet及Internet相連，以實現與其他系統的信息交互。

　　3.系統軟件組態

　　此部分完成監控系統與操作人員間的交互界面，是實現對整個系統的監視、控制、調度和管理的核心與關鍵。

　　人機界面分為兩部分：用于日常監視、系統參數設置的主界面和用于非日常監視信息、各種報表、趨勢　　圖及幫助信息或完成各工藝流程操作的子界面。同時對工藝參數、設備運行參數通過一覽表的形式來匯總。系統組態的過程實質是把組態顯示界面上的按鈕、報警以及生產趨勢圖形等與現場執行設備或儀表建立對應連接，使操作員在操作站通過系統組態畫面上相應地控制對象實現對現場的執行設備和儀表所進行操作和監視的過程。

　　3.1 反再系統組態

　　首先完成系統工藝流程，除了動態顯示一些關鍵工位的工作狀態外，如閥門的開度等，還顯示其他重要工藝參數，如原料油進料量等。其主畫面如下：

圖2 反再系統主畫面

　　反再系統涉及三大平衡：物料平衡、熱量平衡和壓力平衡。這三大平衡是整個裝置進行正常生產的基礎。因此要對其中的各關鍵工位給出各自的控制與監視界面，以對其溫度、流量、壓力分別進行監控。其中反應溫度是控制反應深度、產品分布及產品性質的重要參數。而溫度的保證和維持主要是通過調節催化劑流量，即調節再生單動滑閥開度來實現。對單動滑閥的開度可通過手動或自動調節實現。反應壓力則通過控制氣壓機輸出氣壓來實現控制的。

　　3.2 分餾系統組態

　　分餾系統的首要原則是控制好各段回流和溫度，穩住各處液面，合理調整熱平衡，實現平穩操作。因此在組態時要重點監控各段回流溫度、流量。其組態主畫面如下圖示：

圖3 分餾主畫面

對分餾塔底液位、塔底循環油漿流量和容201（油氣分離器）液位實行串級控制，分餾塔頂溫度采用模糊控制，以保證粗汽油干點的質量。當運行過程出現故障時，系統自動報警并將出現故障的時間、類型、報警級別等參數記錄下來，如圖4所示：

圖4 報警記錄

　　3.3 吸收穩定系統組態

　　該部分完成吸收穩定總覽圖、報警圖和數據表。數據表由溫度、壓力、流量、液位和氣壓狀態等組成。與其他系統一樣，每天的運行情況都能自動匯總，形成報表如下圖所示：

圖5 報表

　　3.4 控制策略

　　3.4.1 常規控制

　　對系統中的常規控制采用組態軟件力控控制策略生成器中的控制算法功能塊來實現，如PID功能塊，如下圖示：

圖6 PID控制器

　　控制器根據設定值（SV）和過程測量值（PV）的偏差完成PID（比例積分微分）算法，其中OP為PID輸出，控制回路可以采用三種控制方法：手動(MAN)、自動（AUT）和串級（CAS）。

　　當回路處于MAN狀態時，SV具有自動跟蹤PV功能，以便從MAN切換到AUT狀態時，確保切換是無擾動的。在串級控制回路中，當下一級回路處于AUT狀態時，上一級控制回路具有下一級控制回路SV自動跟蹤功能，以便當下一級控制回路從AUT切換到CAS時，轉換過程也是無擾動的。其中PID參數的設置和整定在屬性框中實現。

　　3.4.2 模糊控制

　　采用模糊控制以求解決常規控制方法控制效果不理想的場合。將先進控制和優化控制通過控件編程接口與實時數據庫相連，實現組態軟件的第三方軟件融合。

　　模糊化模塊將一個精確的輸入變量通過定義在其論域上的隸屬度函 數計算出其屬于各模糊集合的隸屬度，并將其轉化成為一個模糊變量。

圖7 控制器屬性

　　以偏差為例其論域上定義了{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}七個模糊子集f(Zi)。隸屬度函數采用三角形函數。知識庫包含了具體應用領域中的知識和所要求的控制目標，由數據庫和模糊控制規則庫組成。模糊規則推理由一系列的“IF …THEN…”型的模糊條件語句構成。.精確化采用最大隸屬度法：利用加權平均法

　　3.4.3 關鍵設備故障診斷專家系統

　　催化裂化設備是煉油廠的核心效益設備，工藝裝置復雜，操作條件繁多。據統計由各種故障引起的非計劃停工，占效益流失的70%以上。因此 ，研究如何預防和減少設備與工藝操作故障引發的非計劃停工有重要的現實意義。運用本組態力控軟件的DBCOM接口，將由CLIPS軟件所開發的故障診斷專家系統也作為第三方軟件嵌入到組態軟件中。

　　專家系統根據現場監測數據，利用知識庫中的規則、程序和模型對監測數據進行分析和推理，尋找和判斷這些故障趨勢，并能較快的診斷出問題，進行信息提示、險情預報或報警，并提前采取正確措施以防止故障的發生，從而減小經濟損失。

　　我們應用嵌入了第三方軟件方法對組態軟件系統進行二次開發的自動監控系統已在實際生產中進行了測試，目前在催化裂化生產中監控系統主要通過監視氣壓機、主分機、取熱器等關鍵設備及各系統的運行工況來實現對催化裂化的故障診斷，并取得了良好的實驗效果。

　　3.5 班組核算及網絡通訊

　　計算機控制系統應用的普及使得管控一體化的實現成為可能，利用數據采集系統得到的生產數據直接參與核算，消除了繁瑣的人工計算過程和工作強度，提高了管理水平，實現了遠程監控與管理功能。目前國內普遍采用的經濟管理方式是班組核算制。它把實際生產中的有關參數取出來，然后按企業確定的核算公式進行計算，從而得到班組一定時間內的經濟效益及各崗位的費用支出，用戶可以根據需要定時打印班組核算表，并利用數據庫把相關參數保存起來，也可以通過WEB服務器上傳。

　　應用網絡技術和信息管理技術一方面可提高生產過程的生產效率和管理水平，實現優化物料平衡，減少庫存和中間儲存，另一方面可實現全廠實時、準確、全面系統化的信息系統，為高層領導決策提供支持。

　　4. 結束語

　　我們所開發的嵌入第三方軟件技術的組態軟件自動控制系統，通過調試和測試運行表明：整體系統操作簡便，人機界面友好，運行穩定，智能性強，監控程序功能完善，綜合性強，預警功能突出，監控效果良好，遠程監控能力強，是一套理想的、確保裝置的安全、生產的穩定和系統的長周期運行的自動監控系統。