摘要：本文通過(guò)應(yīng)用嵌入第三方軟件所開(kāi)發(fā)組態(tài)軟件自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)以及在催化裂化系統(tǒng)中的應(yīng)用，重點(diǎn)論述了催化裂化自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和界面的開(kāi)發(fā)。通過(guò)系統(tǒng)仿真和實(shí)測(cè)運(yùn)行表明監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便、監(jiān)控效果良好。

前言
催化裂化過(guò)程是石油二次加工過(guò)程中最重要的一環(huán)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)控和管理可以極大地提高企業(yè)自動(dòng)化水平、降低生產(chǎn)成本、增加經(jīng)濟(jì)效益。本催化裂化系統(tǒng)利用北京三維力控科技有限公司的力控組態(tài)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)原理圖如下：


圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.監(jiān)控要求及對(duì)象流程簡(jiǎn)介
系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象為反應(yīng)再生、分餾和吸收穩(wěn)定三大部分。反應(yīng)再生系統(tǒng)主要任務(wù)是把直餾蠟油和其他加工方法所得的重質(zhì)油料在一定的溫度下靠催化劑的作用，使原料油經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)裂解成輕質(zhì)產(chǎn)品。分餾系統(tǒng)則利用各組份揮發(fā)度的不同把從沉降器出來(lái)的混合油氣分離為粗汽油、柴油和富氣等其他產(chǎn)品。吸收穩(wěn)定系統(tǒng)將粗汽油和壓縮富氣進(jìn)一步分離為干氣、液化氣和穩(wěn)定汽油。
監(jiān)控滿足以下要求：
1）信號(hào)采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理
采集標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；對(duì)來(lái)自工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)組態(tài)軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換、預(yù)處理和運(yùn)算。
2）動(dòng)態(tài)顯示
將工藝流程通過(guò)組態(tài)軟件真實(shí)地反映在動(dòng)態(tài)立體流程圖上，顯示各測(cè)量點(diǎn)的參數(shù)變化趨勢(shì)，并使畫(huà)面具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)效果。
3）監(jiān)控操作
完成各工位的參數(shù)設(shè)定，并對(duì)溫度、液位、流量和壓力進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)部分閥門(mén)的自動(dòng)開(kāi)啟、關(guān)閉和流量操作控制。
4）操作畫(huà)面
在操作畫(huà)面上可查詢(xún)各工位點(diǎn)的溫度、液位、流量等實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，并可按要求設(shè)定和打印出實(shí)時(shí)報(bào)表和歷史報(bào)表。
5）系統(tǒng)擴(kuò)展與第三方軟件的結(jié)合
實(shí)現(xiàn)與專(zhuān)家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具CLIPS及MATLAB的集成，以實(shí)現(xiàn)一些常規(guī)控制不易完成的先進(jìn)控制。

2. 系統(tǒng)硬件配置
由一臺(tái)以上的工控機(jī)組成的以太局域網(wǎng)，并配21英寸監(jiān)視器以及報(bào)表和事件打印機(jī)等其他設(shè)備。為提高系統(tǒng)冗余性，配置兩臺(tái)與下位機(jī)通訊的I/O服務(wù)器，一臺(tái)為主服務(wù)器，另一臺(tái)為熱備服務(wù)器。
網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的操作系統(tǒng)為Windows NT Server 2000，在此完成管理級(jí)功能，如局域網(wǎng)的管理任務(wù)、形成管理部門(mén)所需數(shù)據(jù)的記錄報(bào)表、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。系統(tǒng)通過(guò)此服務(wù)器與企業(yè)Intranet及Internet相連，以實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的信息交互。

3.系統(tǒng)軟件組態(tài)
此部分完成監(jiān)控系統(tǒng)與操作人員間的交互界面，是實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)視、控制、調(diào)度和管理的核心與關(guān)鍵。
人機(jī)界面分為兩部分：用于日常監(jiān)視、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的主界面和用于非日常監(jiān)視信息、各種報(bào)表、趨勢(shì)圖及幫助信息或完成各工藝流程操作的子界面。同時(shí)對(duì)工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)通過(guò)一覽表的形式來(lái)匯總。系統(tǒng)組態(tài)的過(guò)程實(shí)質(zhì)是把組態(tài)顯示界面上的按鈕、報(bào)警以及生產(chǎn)趨勢(shì)圖形等與現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備或儀表建立對(duì)應(yīng)連接，使操作員在操作站通過(guò)系統(tǒng)組態(tài)畫(huà)面上相應(yīng)地控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行設(shè)備和儀表所進(jìn)行操作和監(jiān)視的過(guò)程。
3.1 反再系統(tǒng)組態(tài)
首先完成系統(tǒng)工藝流程，除了動(dòng)態(tài)顯示一些關(guān)鍵工位的工作狀態(tài)外，如閥門(mén)的開(kāi)度等，還顯示其他重要工藝參數(shù)，如原料油進(jìn)料量等。其主畫(huà)面如下：


圖2 反再系統(tǒng)主畫(huà)面

反再系統(tǒng)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(gè)裝置進(jìn)行正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)。因此要對(duì)其中的各關(guān)鍵工位給出各自的控制與監(jiān)視界面，以對(duì)其溫度、流量、壓力分別進(jìn)行監(jiān)控。其中反應(yīng)溫度是控制反應(yīng)深度、產(chǎn)品分布及產(chǎn)品性質(zhì)的重要參數(shù)。而溫度的保證和維持主要是通過(guò)調(diào)節(jié)催化劑流量，即調(diào)節(jié)再生單動(dòng)滑閥開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)單動(dòng)滑閥的開(kāi)度可通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。反應(yīng)壓力則通過(guò)控制氣壓機(jī)輸出氣壓來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。
3.2 分餾系統(tǒng)組態(tài)
分餾系統(tǒng)的首要原則是控制好各段回流和溫度，穩(wěn)住各處液面，合理調(diào)整熱平衡，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作。因此在組態(tài)時(shí)要重點(diǎn)監(jiān)控各段回流溫度、流量。其組態(tài)主畫(huà)面如下圖示：



圖3 分餾主畫(huà)面

對(duì)分餾塔底液位、塔底循環(huán)油漿流量和容201（油氣分離器）液位實(shí)行串級(jí)控制，分餾塔頂溫度采用模糊控制，以保證粗汽油干點(diǎn)的質(zhì)量。當(dāng)運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警并將出現(xiàn)故障的時(shí)間、類(lèi)型、報(bào)警級(jí)別等參數(shù)記錄下來(lái)，如圖4所示：


圖4 報(bào)警記錄

3.3 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)組態(tài)
該部分完成吸收穩(wěn)定總覽圖、報(bào)警圖和數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)表由溫度、壓力、流量、液位和氣壓狀態(tài)等組成。與其他系統(tǒng)一樣，每天的運(yùn)行情況都能自動(dòng)匯總，形成報(bào)表如下圖所示：

圖5 報(bào)表

3.4 控制策略
3.4.1 常規(guī)控制
對(duì)系統(tǒng)中的常規(guī)控制采用組態(tài)軟件力控控制策略生成器中的控制算法功能塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，如PID功能塊，如下圖示：


圖6 PID控制器

控制器根據(jù)設(shè)定值（SV）和過(guò)程測(cè)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(dòng)(MAN)、自動(dòng)（AUT）和串級(jí)（CAS）。
當(dāng)回路處于MAN狀態(tài)時(shí)，SV具有自動(dòng)跟蹤PV功能，以便從MAN切換到AUT狀態(tài)時(shí)，確保切換是無(wú)擾動(dòng)的。在串級(jí)控制回路中，當(dāng)下一級(jí)回路處于AUT狀態(tài)時(shí)，上一級(jí)控制回路具有下一級(jí)控制回路SV自動(dòng)跟蹤功能，以便當(dāng)下一級(jí)控制回路從AUT切換到CAS時(shí)，轉(zhuǎn)換過(guò)程也是無(wú)擾動(dòng)的。其中PID參數(shù)的設(shè)置和整定在屬性框中實(shí)現(xiàn)。
3.4.2 模糊控制
采用模糊控制以求解決常規(guī)控制方法控制效果不理想的場(chǎng)合。將先進(jìn)控制和優(yōu)化控制通過(guò)控件編程接口與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)相連，實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件的第三方軟件融合。
模糊化模塊將一個(gè)精確的輸入變量通過(guò)定義在其論域上的隸屬度函 數(shù)計(jì)算出其屬于各模糊集合的隸屬度，并將其轉(zhuǎn)化成為一個(gè)模糊變量。


圖7 控制器屬性

以偏差為例其論域上定義了{(lán)負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}七個(gè)模糊子集f(Zi)。隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)。知識(shí)庫(kù)包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和所要求的控制目標(biāo)，由數(shù)據(jù)庫(kù)和模糊控制規(guī)則庫(kù)組成。模糊規(guī)則推理由一系列的“IF …THEN…”型的模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成。.精確化采用最大隸屬度法：利用加權(quán)平均法




3.4.3 關(guān)鍵設(shè)備故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)
催化裂化設(shè)備是煉油廠的核心效益設(shè)備，工藝裝置復(fù)雜，操作條件繁多。據(jù)統(tǒng)計(jì)由各種故障引起的非計(jì)劃停工，占效益流失的70%以上。因此 ，研究如何預(yù)防和減少設(shè)備與工藝操作故障引發(fā)的非計(jì)劃停工有重要的現(xiàn)實(shí)意義。運(yùn)用本組態(tài)力控軟件的DBCOM接口，將由CLIPS軟件所開(kāi)發(fā)的故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)也作為第三方軟件嵌入到組態(tài)軟件中。
專(zhuān)家系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則、程序和模型對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和推理，尋找和判斷這些故障趨勢(shì)，并能較快的診斷出問(wèn)題，進(jìn)行信息提示、險(xiǎn)情預(yù)報(bào)或報(bào)警，并提前采取正確措施以防止故障的發(fā)生，從而減小經(jīng)濟(jì)損失。
我們應(yīng)用嵌入了第三方軟件方法對(duì)組態(tài)軟件系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)已在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行了測(cè)試，目前在催化裂化生產(chǎn)中監(jiān)控系統(tǒng)主要通過(guò)監(jiān)視氣壓機(jī)、主分機(jī)、取熱器等關(guān)鍵設(shè)備及各系統(tǒng)的運(yùn)行工況來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)催化裂化的故障診斷，并取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。
3.5 班組核算及網(wǎng)絡(luò)通訊
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的普及使得管控一體化的實(shí)現(xiàn)成為可能，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)直接參與核算，消除了繁瑣的人工計(jì)算過(guò)程和工作強(qiáng)度，提高了管理水平，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理功能。目前國(guó)內(nèi)普遍采用的經(jīng)濟(jì)管理方式是班組核算制。它把實(shí)際生產(chǎn)中的有關(guān)參數(shù)取出來(lái)，然后按企業(yè)確定的核算公式進(jìn)行計(jì)算，從而得到班組一定時(shí)間內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益及各崗位的費(fèi)用支出，用戶可以根據(jù)需要定時(shí)打印班組核算表，并利用數(shù)據(jù)庫(kù)把相關(guān)參數(shù)保存起來(lái)，也可以通過(guò)WEB服務(wù)器上傳。
應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息管理技術(shù)一方面可提高生產(chǎn)過(guò)程的生產(chǎn)效率和管理水平，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化物料平衡，減少庫(kù)存和中間儲(chǔ)存，另一方面可實(shí)現(xiàn)全廠實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面系統(tǒng)化的信息系統(tǒng)，為高層領(lǐng)導(dǎo)決策提供支持。

4. 結(jié)束語(yǔ)
我們所開(kāi)發(fā)的嵌入第三方軟件技術(shù)的組態(tài)軟件自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)試和測(cè)試運(yùn)行表明：整體系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，人機(jī)界面友好，運(yùn)行穩(wěn)定，智能性強(qiáng)，監(jiān)控程序功能完善，綜合性強(qiáng)，預(yù)警功能突出，監(jiān)控效果良好，遠(yuǎn)程監(jiān)控能力強(qiáng)，是一套理想的、確保裝置的安全、生產(chǎn)的穩(wěn)定和系統(tǒng)的長(zhǎng)周期運(yùn)行的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。