流程工业论文：流程工业的设计与运用

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本文作者：钱景辉王斯辉工作单位：南京工业大学

随着计算机技术的不断发展，流程工业过程控制的仿真技术不断进步，但是当前大部分的仿真系统或多或少会存在以下问题：1）由数学模型建立单元操作模块逐步集成形成的过程控制仿真系统，存在着建模困难、运算复杂、模型欠缺稳定性等缺点[4]，对于工艺复杂、计算量巨大的流程工业过程控制模型来说，这种建模方法是不合适的。2）缺乏统一的数据接口与其他软件平台进行数据传递，导致仿真系统集成度低、模块之间缺乏数据交互。3）缺乏数据的有效存储管理，造成大量仿真数据的浪费，数据的利用效率低下。4）缺乏人机交互平台，造成用户的控制操作和数据采集、修改等工作复杂，工作效率低下，对于不熟悉仿真技术的底层操作人员来说，学习新系统、掌握新工艺、熟悉操作流程等内容的过程繁杂。针对流程工业过程控制仿真系统的功能需求和当前存在的问题，本文提出一个流程工业过程控制仿真平台的构架设计[5-6]，如图1所示。流程工业过程控制仿真平台从架构上分为HYSYS流程模拟模块、Honeywell先进控制模块、多层次人机交互模块、数据存储管理模块和通信接口组成。流程模拟采用专用建模软件HYSYS动态模拟平台实现，HYSYS稳态模拟实现的稳态模型作为动态模型的辅助研究模型。HYSYS流程模拟平台由通信接口模块实现与先进控制模块、数据存储管理以及人机交互模块的数据通信。Honeywell先进控制模块主要功能是实现控制理论中的一些算法和策略，通过通信接口实现对被控对象的数据读取，根据设计好的控制策略进行控制。多需求人机交互模块满足两种典型的交互需求，通过底层模块集成的开发技术实现了研发交互模块，通过数据通信接口实现了培训交互模块。数据存储管理模块由实时数据HoneywellPHD和关系数据库Oracle组成，存储的数据作为流程企业的基础数据，对于实际生产运行、成本核算、质量管理、生产调度等业务过程的持续改进具有重要的意义。

流程工业过程控制仿真平台的实现

HYSYS流程模拟模块采用流程模拟软件HYSYS作为开发平台，对流程工业过程控制系统被控对象进行稳态模拟和动态建模。专用建模软件HYSYS集成了各种化工单元程序库、物性计算程序包和解算方法库，具有极高的精度和准确性，动态模拟是它的优势。同时HYSYS提供了大量的图形化单元模型和简单的输入输出界面，使得用户对模型的搭建、参数设定、数据查看、校正因子调整等操作方便快捷。建立模型时，根据实际的工艺流程，完成流程图的建立。将现场调研得到的各装置设备参数、从过程历史数据库采集的过程操作参数和通过LIMS数据库获得的原料产品分析数据作为整个流程的输入参数，完成模型建立。启动模型计算便可获得模型计算得到的各装置物流、能量流的相关结果数据。HYSYS具有多种和其他软件进行数据交互的通信接口，为上位机的数据采集提供了基础，保证了底层数据向上集成，提高了数据的利用率。HYSYS模型的装置设备参数、操作过程参数、产品分析参数等相对稳定的静态数据和模拟计算过程中产生的物料流参数、能量流参数、校正因子调整计算结果等大量的仿真数据通过通信接口与先进控制模块、人机交互模块、数据存储管理模块进行数据交互，被集成到仿真平台的各个部分，作为该仿真平台实验开发和功能应用的数据源。先进控制模块仿真平台中的先进控制模块，利用流程模拟技术获得较为完备的数据，实现控制理论中一些算法，并进行分析，获得最佳控制方案，这样会更贴近于实际生产过程，采用这种跟工业现场相似的系统结构有助于研究系统故障、动态监控、纯滞后等问题。先进控制模块采用两种实现形式，一种是集成在流程模拟平台动态模型中的控制模块，一种是由Honeywell先进控制模块实现的控制模块。Honey-well先进控制模块由实时数据库HoneywellPHD通过OPCSERVER对流程模拟模块进行数据采集，作为它的数据源，这样PHD中的大量数据就可以用来实现控制算法研究实验。由于在工程应用中涉及到PID控制和预测控制比较多，因此本文只着眼于这两种控制理论。仿真平台使用HYSYS流程模拟平台中都集成的控制单元，对运行已经达到稳态的装置模型添加PID控制器，设定相关PID参数，进行PID控制的模拟，获得模拟结果。在Honeywell平台上实现了预测控制，将模拟模型的输入输出数据文件导入到HoneywellPDS，以导入的数据文件中的数据为基础，实现模型辨识和预测控制。人机交互模块（1）研发交互系统流程工业过程控制仿真系统的一项重要功能是用于对实际流程的研发试验，对应于这一功能，一个用于对工艺流程以及控制策略等科研试验的交互系统是必备的。研发交互模块提供一个专门用于大量参数分析以及调整的交互系统。AspenSimulationWorkbook（ASW）是Aspen公司提供人性化人机界面的软件，它能够把HYSYS的模型和Excel连接起来，还提供把模型数据和工业现场采集的数据做交互的功能。本系统通过ASW和VBA编程完成研发交互模块的设计。这样，建模者可以通过Excel来展示自己的模型，使得非专业人员也可以对模型进行操作。（2）培训交互模块流程工业过程控制仿真系统的另一项功能是操作培训。人机交互平台提供的培训交互系统能够让操作人员尽快熟悉新工艺、新的控制策略，学习故障维护、设备操作等内容。仿真平台的培训交互系统采用B/S结构，技术开发的web页面为前台展示界面，利用OPC接口和COM接口与HYSYS流程模拟模块进行数据交互，一方面可以获得底层模型的仿真数据，对模型的输入数据进行各种设置、启动或停止模型的运行，另一方面学习掌握过程控制系统的相关工艺流程、设备参数、过程操作参数等内容。企业人员可以通过不同权限的用户名和密码进入该系统，在浏览器上直观地观察和操作HYSYS模拟计算和学习各项培训内容。数据存储管理模块数据存储管理模块是过程控制企业信息化的基础数据平台。使用数据存储管理是进行控制系统监控、系统先进控制和优化控制的基础，并为企业的生产管理和调度、数据分析、决策支持提供实时数据服务和多种数据管理功能。数据存储管理模块由实时数据库HoneywellPHD和关系数据库SQLServer组成。实时数据库Honeywell压缩和存储过程控制系统产生的大量过程历史数据，这些数据的有效利用对企业综合生产效率的提高有着很大作用。关系数据库Oracle在仿真平台中起到了数据存储和信息管理功能，通过内部建立关系表存储流程模拟系统中物性数据、装置设备参数、原料产品数据等，这些数据作为人机界面WEB展示和其他扩展应用程序的数据源。通信接口流程工业过程控制仿真平台各个模块都是由不同的软件技术实现的，所以该平台通过使用多种计算机接口技术完成了这些软件之间的数据通信，实现了仿真平台的数据高度集成和模块间数据交互。如图2所示为该平台通信接口的具体实现方法，其中HoneywellPHD是先进控制模块和实时数据库的数据载体，Oracle是关系数据库的数据载体，Ex-cel和分别是人机交互模块中研发交互系统和培训交互系统的数据载体。采用VisualC++提供的一套基于模版C++类库的ATL（ActiveTemplateLibrary）方式，实现了一个基于HYSYS的OPCSERVER，在HoneywellPHD和中分别调用其集成的OPC接口可以对OPCSERVER进行数据读取，完成与HYSYS数据交互。研发交互模块采用HYSYS提供的ASW接口，通过VBA编程实现与MicrosoftExcel的连接和数据读写。培训交互模块中通过在其开发环境中添加HYSYS的COM组件引用，由HYSYS2006.5TypeLibrary中提供的一系列对象和方法完成与HYSYS数据的交互。同时通过接口技术读取和修改关系数据库Oracle中以表形式存储的相关数据。HoneywellPHD采集的数据存储到关系数据库Oracle是通过PHD提供的API函数库，采用C#开发的一个服务安装到服务器实现的。

应用案例

以某炼油厂加氢裂化装置为例，展示本仿真平台的应用情况。该流程中，原料油首先在精制器和裂化器进行反应，经过高低压分离器，进入硫化氢汽提塔，然后再经过分馏塔分馏出轻石脑油、柴油、尾油等产品，如图3所示在HYSYS工程中配置好流体包、物性数据包、热力学方法等[7]，按照加氢裂化工艺流程对反应器部分和分馏器部分的操作单元工艺参数和物流参数等进行设置，对反应模块与分馏模块集总进行转换[8-9]，完成初步的建模。可以通过基于ASW的研发交互模块人机界面，在Excel上导航界面进入数据输入界面，查看导入的数据（如图4所示为Excel输入界面上硫化氢汽提塔装置的部分输入变量值），或手动修改数据。所有子装置的设备参数、操作过程参数和进料参数输入完整后，启动加氢裂化的全流程模拟进行计算。同样，查看模拟结果的时候也不必在HYSYS的操作界面上完成，而是可以直接在研发交互模块人机界面Excel上通过导航页的方式查看相关模拟结果，如图5所示为Excel研发交互模块中查看到的产品柴油和尾油的相关指标。加氢裂化仿真平台预测控制的仿真实验在Honeywell先进控制平台上实现。通过OPCSERVER将数据存储在PHD中，这样PHD中的大量数据就可以用来实现研究实验。将Honeywell采集到的输入输出数据文件导入到HoneywellPDS中，从导入的数据文件辨识出系统模型。根据模型的系统函数建立控制器，设定控制参数和控制变量的上下限后，启动控制器，系统预测出变量值，对模型进行预测控制，如图6所示为该仿真平台上开发的预测控制实验的系统函数和预测控制效果。该仿真平台开发的培训交互平台，可以使流程工业企业员工远程使用浏览器进入流程工业过程控制仿真系统的培训操作平台，学习工艺流程、故障维护等知识，启动、操作加氢裂化流程模拟、查询模拟结果数据等[10]，图7所示为查询到的加氢裂化流程硫化氢汽提塔和分馏器相关的模拟数据。

采用VC、VB、COM组件、、数据库等多种计算机技术实现的流程工业过程控制仿真平台集被控对象建模、流程模拟，数据集成、先进控制、数据存储管理、人机交互等内容于一体，量表维护工时。2.4采集器的软件实现采用领先的电力线载波通讯技术实现与集中器的通讯，PLC单相模块在电力线路不好的情况下互为中继传送数据，降低成本，实现通讯距离的有效增加；以MBus总线方式与超声波热量表通讯，超声波热量表带有MBus总线接口，支持采集器对MBus总线的自动组网功能，超声波热量表接入MBus总线即可被识别，不需要采集器或上位机再输入热量表地址信息，即可自动投入使用。同时，该功能还大大降低了MBus总线上增减或调换热量表所需要的技术难度和工作量；采用工业级集成电路及智能化监控措施，性能稳定安全可靠；采用大容量FLASH，便于备份重要数据，加上CRC校验，存储的数据更加安全可靠；采用嵌入式Linux操作系统，使用户操作更加方便，系统可扩展性更强；使用看门狗技术，防止出现死机故障。3综合测试按照图1所示把集抄系统搭建好，即户用热量表—Mbus—门栋采集器—PLC—小区集中器—GPRS/Internet—供热管理中心服务器。在服务器的热计量收费管理系统上进行各种操作来测试系统功能。主要操作如下：（1）设置集中器号，逐级下载采集器列表、表号列表。（2）点抄某一块热量表的数据，轮抄集中器下所有表的数据或某一时间段的历史数据，并在服务器上依次显示。（3）读采集器、集中器状态字，查看是否存在异常，如MBFus短路，PLC通信是否正常等。综合分析热量表状态字、供回水温度、瞬时和累计流量等信息，智能判定热量表故障。（4）广播校时。整个系统时间一致，利于定时抄表和管理。（5）系统自组网功能的测试。增加采集器数量、热量表数量，更换热量表，删除热量表，即可被系统自动识别；加大集中器和采集器之间的距离，通信正常。以上功能已经通过了反复测试，证明该系统可实际应用。4结语本文主要介绍了一种基于复合通信方式（MBus/PLC/GPRS/Internet）的热计量信息远程传输系统。介绍了该系统的结构，集中器和采集器的软硬件设计，电力载波的自组网功能，以及MBus总线的即插即用功能。反复的功能测试说明该系统能够及时准确以及低成本地实现热计量信息的远程传输。