宋曙光，劉 毅，張全新

（1.華北石化公司 儀電運(yùn)行部，河北 任丘 062552；2.華北油田公司 通訊處，河北 任丘 062552）

0 引言

目前華北石化公司S Zorb裝置正常生產(chǎn)時(shí)由DCS、LMS、SIS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，出現(xiàn)緊急情況時(shí)實(shí)施聯(lián)鎖控制。但對(duì)于異常工況的提前預(yù)警以及優(yōu)化操作上仍然存在以下優(yōu)化提升的空間：

1）降低 S Zorb裝置在脫硫過(guò)程中伴隨著較大的辛烷值損失。

2）目前吸附劑循環(huán)速率、吸附劑載硫量、硫差、吸附劑活性、循環(huán)氫純度等沒(méi)有量化的在線顯示參數(shù)。

3）吸附劑循環(huán)周期較長(zhǎng)，反應(yīng)器、再生器、還原器、閉鎖料斗，以及多個(gè)接收器、進(jìn)料罐的料位控制復(fù)雜、調(diào)節(jié)滯后時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致人工操作負(fù)荷大，操作波動(dòng)也較大。

4）S Zorb裝置存在多種影響長(zhǎng)周期運(yùn)行、危險(xiǎn)的異常工況，需要操作人員及時(shí)判斷異常原因，采取正確的措施以盡快恢復(fù)正常操作，保證裝置安全運(yùn)行。

5）閉鎖料斗系統(tǒng)中使用了包括分析儀、壓力、溫度、流量等20多個(gè)儀表。關(guān)鍵控制回路由于工藝變化或調(diào)節(jié)閥的問(wèn)題等會(huì)引起控制性能下降或參數(shù)震蕩等問(wèn)題，造成潛在的操作安全隱患。

通過(guò)調(diào)研與研究，決定實(shí)施S Zorb裝置智能化操作優(yōu)化與管理系統(tǒng)項(xiàng)目，由北京賽普泰克技術(shù)有限公司承擔(dān)系統(tǒng)研發(fā)。經(jīng)過(guò)各方面努力，S Zorb裝置于2017年2月9日舉行開(kāi)工會(huì)進(jìn)行研發(fā)，2017年10月27日投用使用，2018年3月12日現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收成功。

1 項(xiàng)目智能模擬系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.1 主要功能設(shè)計(jì)

工藝模擬方面采用動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)對(duì)工藝流程進(jìn)行機(jī)理建模，DCS控制系統(tǒng)模擬則是在工藝模型開(kāi)發(fā)平臺(tái)上根據(jù)設(shè)計(jì)的控制方案使用DCS模擬控制模塊直接開(kāi)發(fā)控制模型并與工藝點(diǎn)連接，操作站也是根據(jù)DCS操作站界面開(kāi)發(fā)的模擬操作站，這種模式也能很好地模擬裝置的開(kāi)停車(chē)及緊急工況操作動(dòng)態(tài)響應(yīng)，滿足對(duì)操作工的培訓(xùn)要求及其它操作設(shè)計(jì)和優(yōu)化功能要求。

工藝模型和控制模型在同一個(gè)平臺(tái)軟件中開(kāi)發(fā)完成并安裝在服務(wù)器上運(yùn)行，通過(guò)工程師站軟件進(jìn)行模型修改和維護(hù)。DCS模擬操作站模擬真實(shí)DCS操作站界面及操作功能，寫(xiě)入并顯示控制模型中對(duì)應(yīng)的變化參數(shù)，操作對(duì)裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

管理站（或教員站）上安裝了操作管理系統(tǒng)；對(duì)于學(xué)員來(lái)說(shuō)，它能提供培訓(xùn)和考核兩種模式，能夠提供學(xué)員自學(xué)操作指導(dǎo)功能，幫助分析操作失誤，并給出合理的科學(xué)評(píng)價(jià)，幫助學(xué)員總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，提高培訓(xùn)效率和質(zhì)量；對(duì)于教員來(lái)說(shuō)，主要在于能夠很方便地啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，布置培訓(xùn)或考試場(chǎng)景，同時(shí)還能對(duì)學(xué)員的培訓(xùn)和考核情況自動(dòng)匯總分析功能，便于教員很方便地掌握所有學(xué)員平時(shí)的培訓(xùn)頻率和深度，安排合理的培訓(xùn)方案。

本技術(shù)方案允許將所有軟件，包括智能模型、DCS模擬操作站，F(xiàn)OD現(xiàn)場(chǎng)操作站以及操作管理系統(tǒng)，安裝在同一臺(tái)學(xué)員站電腦上，這樣學(xué)員可以在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，無(wú)需任何網(wǎng)絡(luò)連接就可一鍵啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立的操作培訓(xùn)和考核。

本方案中，利用華北石化現(xiàn)有的15個(gè)軟件許可，可以同時(shí)在15臺(tái)學(xué)員站電腦上同時(shí)啟動(dòng)15個(gè)模擬裝置，滿足15人同時(shí)獨(dú)立培訓(xùn)和考核要求：既能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)學(xué)員站連接同一個(gè)工藝裝置模型操作，達(dá)到多人協(xié)同操作培訓(xùn)目的；也能夠?qū)崿F(xiàn)多人競(jìng)爭(zhēng)性的相互完全獨(dú)立的培訓(xùn)與考核操作；還能實(shí)現(xiàn)多組協(xié)同操作地競(jìng)爭(zhēng)性培訓(xùn)與考核。另外，還將使用已有的工程師站許可，對(duì)模型及其它操作站軟件都能進(jìn)行長(zhǎng)期的修改和維護(hù)。

1.2 仿真功能模塊設(shè)計(jì)

1）DCS與LMS系統(tǒng)模擬

◆ iSIM軟件能夠提供如下實(shí)際DCS系統(tǒng)的控制模型算法：Emerson DeltaV

◆ LMS

iSIM軟件中使用真實(shí)的DCS控制模型算法，能更好地模擬該類(lèi)DCS系統(tǒng)控制工程，結(jié)合嚴(yán)格的過(guò)程工藝模型，將使整個(gè)iSIM軟件能更真實(shí)地反映被模擬工藝對(duì)象的過(guò)程特性。

本次項(xiàng)目采用原廠家的LMS模擬軟件對(duì)LMS系統(tǒng)的順控、聯(lián)鎖、操作站等進(jìn)行模擬。

2）模擬操作站

iSIM開(kāi)發(fā)的智能模擬工廠是根據(jù)實(shí)際裝置情況開(kāi)發(fā)的，裝置模型包括兩部分：工藝模型和控制模型，分別對(duì)應(yīng)于工藝設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)裝置和中控控制服務(wù)器中的控制組態(tài)軟件模塊。在該智能模擬工廠中，實(shí)際裝置的現(xiàn)場(chǎng)、DCS及LMS系統(tǒng)對(duì)應(yīng)各個(gè)模擬操作站：現(xiàn)場(chǎng)站、DCS站及其它控制模擬站，這些操作站界面也是圖形化模塊化組態(tài)，維護(hù)簡(jiǎn)便。

2 技術(shù)方案研究與應(yīng)用

2.1 研究?jī)?nèi)容

1）開(kāi)發(fā)針對(duì)華北石化SZORB裝置的反應(yīng)器/再生器/閉鎖料斗動(dòng)態(tài)模型，基于該模型建立在線的軟儀表系統(tǒng)，為操作人員提供實(shí)時(shí)的操作指導(dǎo)；該模型還可以用在現(xiàn)有問(wèn)題的分析，裝置改造方案的驗(yàn)證，操作人員的培訓(xùn)，以及用于操作優(yōu)化與管理系統(tǒng)/異常診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證。

2）基于動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，完善并開(kāi)發(fā)SZORB裝置的操作規(guī)程包括：操作卡、作業(yè)卡、巡檢等，并開(kāi)發(fā)SZORB裝置的操作規(guī)程管理系統(tǒng)。

3）開(kāi)發(fā)基于在線模型的操作優(yōu)化與管理系統(tǒng)，減少汽油產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)，通過(guò)優(yōu)化模塊降低辛烷值損失。

4）對(duì)于可能造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格，引起裝置非計(jì)劃停車(chē)的工藝/設(shè)備/儀表故障，建立原因診斷分析系統(tǒng)。對(duì)于關(guān)鍵的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，建立降低風(fēng)險(xiǎn)的屏障管理系統(tǒng)，輔助裝置操作人員減少產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)，及時(shí)保證相關(guān)儀表設(shè)備的正常運(yùn)行，減少非計(jì)劃停車(chē)。

5）控制回路優(yōu)化：全面改進(jìn)控制回路的設(shè)計(jì)、優(yōu)化控制回路參數(shù)、提升控制回路的投用率。

6）通過(guò)本次項(xiàng)目的智能動(dòng)態(tài)模型、操作規(guī)程管理、異常預(yù)警管理、控制回路優(yōu)化以及先進(jìn)控制與操作優(yōu)化等系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化裝置，實(shí)施生產(chǎn)操作安全環(huán)境下的“黑屏”操作，提升操作效率與安全生產(chǎn)水平，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 主要研究成果及達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

2.2.1 智能模擬系統(tǒng)完成情況及技術(shù)成果

智能模擬系統(tǒng)于2017年9月上旬在北京賽普泰克技術(shù)有限公司進(jìn)行了FAT驗(yàn)收測(cè)試工作，2017年9月下旬在中國(guó)石油華北石化分公司培訓(xùn)中心進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收測(cè)試。期間培訓(xùn)測(cè)試人員對(duì)模擬系統(tǒng)提出了很多修改建議，賽普泰克系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員對(duì)其進(jìn)行了逐一修改。目前，已經(jīng)部署在SZORB裝置外操室和培訓(xùn)中心機(jī)器，供裝置操作人員使用。

圖1 啟動(dòng)訓(xùn)練方案選擇Fig.1 Starting training program selection

圖2 消項(xiàng)卡消項(xiàng)操作Fig.2 Elimination card elimination operation

智能模擬系統(tǒng)模擬范圍包括了實(shí)際DCS站、現(xiàn)場(chǎng)FOD站、LMS系統(tǒng)、SIS系統(tǒng)、閉鎖料斗系統(tǒng)，另外對(duì)裝置技術(shù)人員比較關(guān)注的反應(yīng)系統(tǒng)以及再生系統(tǒng)的吸附劑循環(huán)量以及閉鎖料斗循環(huán)等進(jìn)行了詳細(xì)模擬。

智能模擬系統(tǒng)自投用以來(lái)顯著提高了操作人員對(duì)工藝系統(tǒng)的理解，同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)驗(yàn)證，裝置操作卡的編寫(xiě)起到了指導(dǎo)性的作用。

2.2.2 S Zorb裝置的先進(jìn)操作規(guī)程管理系統(tǒng)完成情況及技術(shù)成果

操作規(guī)程管理系統(tǒng)分為在線管理系統(tǒng)和離線管理系統(tǒng)。在線管理系統(tǒng)已經(jīng)部署在服務(wù)器上，技術(shù)人員可以通過(guò)該管理系統(tǒng)進(jìn)行人員管理（注冊(cè)，權(quán)限，所屬部門(mén)，崗位）以及操作卡的操作（導(dǎo)入、導(dǎo)出，編輯，執(zhí)行以及統(tǒng)計(jì)分析）功能。

智能模擬系統(tǒng)同時(shí)也使用到了操作規(guī)程管理系統(tǒng)的離線功能。在此離線版本中，裝置技術(shù)人員也可以進(jìn)行人員管理以及操作卡的導(dǎo)入，導(dǎo)出，及分析統(tǒng)計(jì)功能。培訓(xùn)人員則可以使用該管理系統(tǒng)進(jìn)行銷(xiāo)項(xiàng)操作，操作評(píng)定、分析。

圖3 原料硫含量趨勢(shì)對(duì)比圖Fig.3 Comparison chart of sulfur content trend of raw materials

圖4 產(chǎn)品硫含量趨勢(shì)對(duì)比圖Fig.4 Comparison chart of sulfur content trend of products

2.2.3 在線模型及預(yù)警系統(tǒng)完成情況及技術(shù)成果

在線模型及預(yù)警系統(tǒng)自開(kāi)發(fā)完成并投用以后，在線模型一直在進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，預(yù)警系統(tǒng)也在正常運(yùn)行。對(duì)于在線模型的計(jì)算值，引入了相應(yīng)的實(shí)際值與其做對(duì)比，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，計(jì)算值還是比較接近實(shí)際值的，從而為操作員提供一定的參考價(jià)值。具體情況如圖3、圖4所示。

1）原料硫和產(chǎn)品硫分析結(jié)果

圖3和圖4取自2017年9月4日至2017年9月23日現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。由圖3和圖4對(duì)比圖可以看出，模型計(jì)算值比分析儀更接近化驗(yàn)值，且對(duì)于AI5201出現(xiàn)的突增或者突降的情況，模型計(jì)算值的變化則比較平穩(wěn)。

2）待生劑載和再生劑載硫分析結(jié)果

3）藏量分析結(jié)果

4）循環(huán)量和循環(huán)速率分析結(jié)果

5）循環(huán)氫分析結(jié)果

6）高效人機(jī)界面HMI

對(duì)于硫含量、吸附劑載硫量及吸附劑循環(huán)量等在線模型的計(jì)算值，設(shè)計(jì)了高效人機(jī)界面。

7）預(yù)警樹(shù)狀圖

圖5 預(yù)警樹(shù)狀圖Fig.5 Early warning tree diagram

表1 操作負(fù)荷對(duì)比Table 1 Operating load comparison

針對(duì)S Zorb裝置的關(guān)鍵儀表、步續(xù)及工藝變量等所設(shè)計(jì)的預(yù)警，為了更直觀地查看，將其展示在AEDM的樹(shù)狀圖中。當(dāng)有預(yù)警報(bào)出時(shí)，可以查看預(yù)警詳情，并通過(guò)歷史數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，確定工藝過(guò)程是否異常，從而抑制異常工況的發(fā)生，減少事故的出現(xiàn)。

8）長(zhǎng)周期運(yùn)行管理

針對(duì)S Zorb裝置，根據(jù)國(guó)際HMI標(biāo)準(zhǔn)ISA-101.01以及報(bào)警規(guī)范的要求，從長(zhǎng)期需要監(jiān)控的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)周期運(yùn)行管理的HMI。用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)換熱器E101和過(guò)濾器ME101的運(yùn)行情況。并將閉鎖料斗關(guān)鍵閥門(mén)、壓縮機(jī)相關(guān)變量和聯(lián)鎖相關(guān)變量，分別匯總在一起，以便整體了解它們的運(yùn)行情況。

2.2.4 優(yōu)化操作與管理系統(tǒng)完成情況及技術(shù)成果

優(yōu)化操作與管理系統(tǒng)自從開(kāi)發(fā)完成并系統(tǒng)投用以后，R102料位控制器，氫油比控制器以及穩(wěn)定塔控制器一直在投用并取得了很好的效果。

圖6 長(zhǎng)周期管理HMIFig.6 Long cycle management HMI

表2 關(guān)鍵變量標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比Table 2 Comparison of standard deviations of key variables

先進(jìn)控制系統(tǒng)的成功投用為S Zorb裝置帶來(lái)了巨大的改善，顯著地降低了操作工的操作負(fù)荷，減小了裝置關(guān)鍵變量測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，減小了產(chǎn)品硫質(zhì)量指標(biāo)的波動(dòng)范圍，降低了產(chǎn)品的辛烷值損失。

1）操作負(fù)荷削減情況

2）關(guān)鍵變量標(biāo)準(zhǔn)偏差削減情況

3）辛烷值損失對(duì)比情況

圖7是自2017年6月起至2018年1月期間的辛烷值損失趨勢(shì)圖，紅線部分代表投用了先進(jìn)控制系統(tǒng)之后的辛烷值損失趨勢(shì)圖，從圖中可以看出，投用了先進(jìn)控制系統(tǒng)以后，產(chǎn)品汽油的辛烷值損失相比較于投用前有了明顯的改善且辛烷值有了明顯的繼續(xù)下降的趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化操作與管理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行以后，產(chǎn)品辛烷值損失均值相較于投用前降低了0.02以上。

2.2.5 回路統(tǒng)計(jì)監(jiān)控與診斷管理完成情況及技術(shù)成果

圖7 辛烷值損失趨勢(shì)圖Fig.7 Trend chart of octane loss

AEDM_LOOP軟件能夠?qū) Zorb裝置所有PID控制回路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并給出實(shí)時(shí)的回路評(píng)價(jià)，回路總覽界面能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)S Zorb裝置所有PID控制回路進(jìn)行監(jiān)控并將S Zorb裝置所有PID控制回路信息統(tǒng)一顯示出來(lái)，同時(shí)給出當(dāng)前PID控制回路的運(yùn)行質(zhì)量信息以便工藝員及操作工進(jìn)行參考。

3 經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益

1）完成了項(xiàng)目中裝置對(duì)智能系統(tǒng)提出的各項(xiàng)要求。

2）減少汽油產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)20%以上，卡邊操作使產(chǎn)品汽油的硫含量更接近指標(biāo)10ppm，產(chǎn)品硫控制器投用前產(chǎn)品硫標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.13，投用后標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.46，產(chǎn)品硫波動(dòng)減小幅度為31%。

3）降低辛烷值損失0.02以上。

4）基本回路投用率為100%，優(yōu)化控制系統(tǒng)投用率95%以上。

5）減輕操作負(fù)荷，優(yōu)化控制投用后，操作員操作負(fù)荷降低75.63%。

6）裝置運(yùn)行更加穩(wěn)定，吸附劑品質(zhì)良好，吸附劑耗量有所降低。

7）裝置優(yōu)化控制投用后，未發(fā)生過(guò)非計(jì)劃停工。

4 結(jié)束語(yǔ)

裝置操作人員經(jīng)過(guò)近半年的培訓(xùn)、測(cè)試以及后期使用，已經(jīng)熟練掌握了本系統(tǒng)的操作方法。智能模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的投用效果體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

1）能夠?qū)?shí)際DCS控制方案進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)工藝優(yōu)化改造提供驗(yàn)證基礎(chǔ)。

2）通過(guò)智能模擬系統(tǒng)進(jìn)行PID整定的訓(xùn)練，有助于實(shí)際裝置操作過(guò)程中的調(diào)節(jié)控制。

3）有助于開(kāi)發(fā)新的操作卡并對(duì)其可行性進(jìn)行驗(yàn)證操作。

4）有助于提高裝置操作人員應(yīng)對(duì)突發(fā)事故的響應(yīng)速度。