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摘要：本文通過應用嵌入第三方軟件所開發(fā)組態(tài)軟件自動監(jiān)控系統(tǒng)以及在催化裂化系統(tǒng)中的應用，重點論述了催化裂化自動監(jiān)控系統(tǒng)的結構、功能和界面的開發(fā)。通過系統(tǒng)仿真和實測運行表明監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作方便、監(jiān)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(huán)，實現(xiàn)整個過程的自動監(jiān)控和管理可以極大地提高企業(yè)自動化水平、降低生產成本、增加經濟效益。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)軟件進行二次開發(fā)，系統(tǒng)組成結構原理圖如下：
圖1 系統(tǒng)結構圖
1.監(jiān)控要求及對象流程簡介
系統(tǒng)的監(jiān)控對象為反應再生、分餾和吸收穩(wěn)定三大部分。反應再生系統(tǒng)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(tǒng)則利用各組份揮發(fā)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(wěn)定系統(tǒng)將粗汽油和壓縮富氣進一步分離為干氣、液化氣和穩(wěn)定汽油。
監(jiān)控滿足以下要求：
1）信號采集和數(shù)據(jù)預處理
采集標準信號；對來自工業(yè)現(xiàn)場的非標準信號數(shù)據(jù)通過組態(tài)軟件進行轉換、預處理和運算。
2）動態(tài)顯示
將工藝流程通過組態(tài)軟件真實地反映在動態(tài)立體流程圖上，顯示各測量點的參數(shù)變化趨勢，并使畫面具有實時、動態(tài)效果。
3）監(jiān)控操作
完成各工位的參數(shù)設定，并對溫度、液位、流量和壓力進行自動監(jiān)測，實現(xiàn)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(shù)據(jù)，并可按要求設定和打印出實時報表和歷史報表。
5）系統(tǒng)擴展與第三方軟件的結合
實現(xiàn)與專家系統(tǒng)開發(fā)工具CLIPS及MATLAB的集成，以實現(xiàn)一些常規(guī)控制不易完成的先進控制。
2. 系統(tǒng)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(jiān)視器以及報表和事件打印機等其他設備。為提高系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)的記錄報表、統(tǒng)計報表等。系統(tǒng)通過此服務器與企業(yè)Intranet及Internet相連，以實現(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，是實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)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(jiān)視、系統(tǒng)參數(shù)設置的主界面和用于非日常監(jiān)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(shù)、設備運行參數(shù)通過一覽表的形式來匯總。系統(tǒng)組態(tài)的過程實質是把組態(tài)顯示界面上的按鈕、報警以及生產趨勢圖形等與現(xiàn)場執(zhí)行設備或儀表建立對應連接，使操作員在操作站通過系統(tǒng)組態(tài)畫面上相應地控制對象實現(xiàn)對現(xiàn)場的執(zhí)行設備和儀表所進行操作和監(jiān)視的過程。
3.1 反再系統(tǒng)組態(tài)
首先完成系統(tǒng)工藝流程，除了動態(tài)顯示一些關鍵工位的工作狀態(tài)外，如閥門的開度等，還顯示其他重要工藝參數(shù)，如原料油進料量等。其主畫面如下：
圖2 反再系統(tǒng)主畫面
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(jiān)視界面，以對其溫度、流量、壓力分別進行監(jiān)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(shù)。而溫度的保證和維持主要是通過調節(jié)催化劑流量，即調節(jié)再生單動滑閥開度來實現(xiàn)。對單動滑閥的開度可通過手動或自動調節(jié)實現(xiàn)。反應壓力則通過控制氣壓機輸出氣壓來實現(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，合理調整熱平衡，實現(xiàn)平穩(wěn)操作。因此在組態(tài)時要重點監(jiān)控各段回流溫度、流量。其組態(tài)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(huán)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(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動報警并將出現(xiàn)故障的時間、類型、報警級別等參數(shù)記錄下來，如圖4所示：
圖4 報警記錄
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(guī)控制
對系統(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實現(xiàn)，如PID功能塊，如下圖示：
圖6 PID控制器
控制器根據(jù)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(tài)時，SV具有自動跟蹤PV功能，以便從MAN切換到AUT狀態(tài)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(tài)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(shù)的設置和整定在屬性框中實現(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合。將先進控制和優(yōu)化控制通過控件編程接口與實時數(shù)據(jù)庫相連，實現(xiàn)組態(tài)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(shù)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(shù)采用三角形函數(shù)。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(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫組成。模糊規(guī)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(tǒng)
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(jù)統(tǒng)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(fā)的非計劃停工有重要的現(xiàn)實意義。運用本組態(tài)力控軟件的DBCOM接口，將由CLIPS軟件所開發(fā)的故障診斷專家系統(tǒng)也作為第三方軟件嵌入到組態(tài)軟件中。
專家系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用知識庫中的規(guī)則、程序和模型對監(jiān)測數(shù)據(jù)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(fā)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(tài)軟件系統(tǒng)進行二次開發(fā)的自動監(jiān)控系統(tǒng)已在實際生產中進行了測試，目前在催化裂化生產中監(jiān)控系統(tǒng)主要通過監(jiān)視氣壓機、主分機、取熱器等關鍵設備及各系統(tǒng)的運行工況來實現(xiàn)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(tǒng)應用的普及使得管控一體化的實現(xiàn)成為可能，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的生產數(shù)據(jù)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(xiàn)了遠程監(jiān)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(shù)取出來，然后按企業(yè)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(jù)需要定時打印班組核算表，并利用數(shù)據(jù)庫把相關參數(shù)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(xiàn)優(yōu)化物料平衡，減少庫存和中間儲存，另一方面可實現(xiàn)全廠實時、準確、全面系統(tǒng)化的信息系統(tǒng)，為高層領導決策提供支持。
4. 結束語
我們所開發(fā)的嵌入第三方軟件技術的組態(tài)軟件自動控制系統(tǒng)，通過調試和測試運行表明：整體系統(tǒng)操作簡便，人機界面友好，運行穩(wěn)定，智能性強，監(jiān)控程序功能完善，綜合性強，預警功能突出，監(jiān)控效果良好，遠程監(jiān)控能力強，是一套理想的、確保裝置的安全、生產的穩(wěn)定和系統(tǒng)的長周期運行的自動監(jiān)控系統(tǒng)。
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