宁夏石化公司化肥装置DCS仿真系统的应用

宁夏石化公司化肥装置DCS仿真系统的应用摘要：本文对宁夏石化公司多年来使用的三套DCS仿真系统的软硬件作了全面介绍，着重阐述了仿真系统的类型、适用性、组成、功能等，以及应用情况。

关键词：DCS仿真系统结构功能适用性组态效果几年来，宁夏石化公司的化肥装置不断进行着扩建和优化改造，生产规模扩大，自动化水平提高，联锁控制更加先进，主控室的表盘设备越来越少，取而代之的是具有高效的实时性、可靠性、可扩充性、使用方便、易于维护，功能更强、更完备的集散控制系统（DCS）及形式多样的控制站和操作站。

新技术对岗位的要求越来越高，只有通过模拟仿真技术的运用才能真实地再现工作场景，可以达到操作人员的技能训练目的。

建立现场装置的控制仿真系统可以使岗位操作人员深入掌握工艺流程和工艺操作过程，可以亲历各种事故状态、反复练习事故处理的应急办法，最终达到具有本能处理突发事件的能力，清醒地对故障进行紧急排除，最大限度地减少、避免事故的发生。

十余年来，宁夏石化公司为对合成氨和尿素装置先后开发建立了三套DCS 仿真系统。

本文针对化肥装置的DCS仿真系统及工艺控制模拟操作上的应用效果进行梳理。

1 化肥装置的ＤＣＳ仿真系统类型及适用性化肥装置DCS仿真系统是在一种功能较为齐全的工业控制软件的基础上开发完成。

被控对象是模拟生产装置而产生出来的，有两种情况，一种是采用仿真技术建立一套“虚拟装置”，所谓“虚拟装置”是一套仿真软件，使得仿DCS与“虚拟装置”连通构成一套完整的设备装置控制体系，即常用的DCS工艺仿真系统。

另一种是采用一套物理装置作为被控对象，仿真控制系统将系统的一部分用数学模型加以描述转达为仿真模型在计算机上实时运行，将被控对象（物理装置）以实物形式接入仿真系统回路，即属于实物仿真。

宁夏石化公司拥有这两类仿真系统。

第一种主要是以软件产品形式表现的仿真系统，DCS控制组态的模式及仿真软件功能与实际现场保持一致，逼真地反映出DCS控制室内进行的一切操作，适于对化工工艺操作人员和技术人员进行仿真培训。

第二种是软件系统与实物设备结合制造出的真正仿实物模拟系统，相当于半实物仿真车间，包括有静设备、动设备、各种阀门以及相关仪表、联锁ESD、仿真DCS操作等，它不进真实物料，用空气、水蒸汽及水代替实际原料，所有现象的变化依靠仿真软件计算而来，实际装置常温、常压，在运行期间也没有太多能耗，能保证安全、环保，是一种高度逼真的仿真环境，重现真实的现场氛围。

主要适于对电气仪表维修及运行的操作人员进行实物安装、修理、调试、测试等训练使用。

2 化肥装置DCS工艺仿真系统(1)97版的DCS工艺仿真系统。

1997年宁夏石化公司（原宁夏化工厂）联合北京东方控制技术有限公司针对第二套化肥装置设计开发建设了DCS仿真系统，并于1998年投入使用。

它由教师站和学员操作站两部分组成，教师站运行模拟化肥生产过程的工艺仿真软件，学员操作站模拟真实DCS（TDC3000GUS）系统的显示、操作和控制功能。

1)硬件配置和仿真软件的结构组成。

硬件系统采用1台微机作为指令台，6台仿DCS操作站做学员操作站。

教师站（上位机）和学员操作站（下位机）使用PC586微机固定安放在仿DCS机柜中模拟现场，其配有以太网络通讯卡、20寸SAMPO CRT、仿DCS专用操作键盘、相关附属设备等。

仿真系统的软件组成：智能操作诊断软件；总体监控软件；通信软件；工艺模型软件；仿DCS软件。

2)基本功能。

该套DCS化肥工艺仿真系统主要针对合成氨装置、尿素装置和锅炉装置进行全流程仿真培训，以主工艺物流的工艺过程和设备的模拟为主，并做事故定性仿真培训，也可对各工段进行独立培训。

3)应用效果。

DCS仿真系统实质上就是对一个虚拟的生产装置控制过程的模拟，由于工艺反应过程的复杂，过程仿真部分通常是使用简化模型。

用仿真系统对操作人员进行培训，能使操作人员提前熟悉将要操作控制的对象，节省资源，提高培训效果，缩短了培训时间。

(2)09版的DCS工艺仿真系统（升级改造）。

第二套化肥装置随着生产需要不断进行改造和扩建，设备装置上的工艺流程与原设计有很大的改变，97年开发的仿真系统与现场装置上的工艺流程不吻合、配套，已不能满足培训需求。

2008年初开始针对第二套化肥装置中合成氨和尿素的工艺流程再一次进行组态并研发DCS仿真系统，于2009年5月正式投入使用。

此套工艺仿真系统除了具有97版的仿真系统功能外，在配置和功能方面都有很大的提高。

它运用仿真数学模型，不受约束地模拟实际装置物理化学特性，全工况动态实时模拟装置的开车、停车、正常运行调控、紧急停车和事故处理，危险工况和事故状态由仿真模型模拟。

?仿DCS界面与实际生产DCS界面一致，显出一个真实化肥生产操作控制模式、方法与环境。

1)硬件环境。

DCS仿真系统的硬件采取普通微机作为教师指令台（上位机），仿DCS操作站作为学员站（下位机）。

上、下位机经网络通讯联接具有如下特点：①网络通信系统基于标准以太网协议（TCP/IP）；②网络上设有设置专项服务器，教师站（上位机）负责系统的调度和管理，学员站（下位机）为学员操作站，担负运算模型的职能，使DCS仿真系统和模型之间的数据交换在本机实现减轻网络通讯负荷。

2)工艺仿真系统软件（见图1所示）。

仿真系统软件组成：①教师站管理软件；②通讯软件支持软件③模型运行管理软件；④仿DCS软件；⑤技能鉴定系统软件。

主要模块软件功能如下：教师站管理软件具有网络自检、时标设定、培训项目设定、快门设定和重演、程序冻结、成绩统计、师生交流、授权、响应时间等功能。

技能操作考核系统完成程序过程中的变量跟踪、判断、记忆及综合评定出各项成绩，并给出评分信息。

3)仿DCS操作站软件及界面的组成。

①主要由组态工具软件和控制运动软件组成组态工具软件的具体功能：过程点和算法组态、标准画面组态、流程图组态和键盘组态。

控制运动软件的功能是管理、调度仿DCS软件各部分，实现动态实时数据库的数据存取和管理，PID 响应时间<1.0S，各类标准画面的显示、操作，流程图画面和显示操作，键盘操作管理，各种算法的实现以及通讯的协调配置。

实现了仿DCS系统的显示、操作功能。

②操作界面内容包括：总貌画面、单元画面、控制组画面、流程画面、趋势画面、报警画面等等。

4)仿真系统模型软件组态开发的特点。

采用的方法是基于物料、能量动态平衡及化学反应速度、汽液相平衡及分离速度的模块化的半机理动态数学模型，尽量避免迭代嵌套，采用简化的物性数据计算和参数反推计算建立动态模型，其机理性强，适用范围广，精度高。

5)培训功效。

基于第一套仿真系统使用中积累经验及升级后的DCS仿真系统培训功能增强，不断拓展了仿真培训的领域。

①通过对仿真过程的动态模拟组态，分析现场生产中可能出现和事故状态，在仿真培训中提高操作人员事故预见性能力。

②为了提高操作工精细操作意识和加强质量控制要求，可组织装置上的技术人员通过对仿真系统的模拟运行，检验了工况，优化仿真系统的运行模式，优化仿真系统运行状态设置，优化操作规程，从而提高了岗位操作人员精细操作意识。

③DCS仿真系统已实现不同工种、不同班次人员的混合培训。

④根据实战要求，充分利用仿真系统的联机功能，组织合成氨和尿素车间各工段岗位上操作人员进行全流程开车、停车和事故处理等项目的各种竞赛，为仿真系统应用进一步融入生产进行了拓展。

3 化肥装置?DCS实物仿真系统为了能使电气仪表维护及运行人员得到和工艺操作人员一样的培训效果，宁夏石化公司于2007年5月31日成功研发出一套具有实物装置的DCS仿真系统，经过了近四个月的试运行，性能稳定，达到了预期的目的，具备了培训条件。

此套仿真系统包括第二套化肥装置的Honeywell公司的TPS（DCS）仿真控制系统和第一套化肥装置的工艺仿真控制系统。

它不但满足DCS组态培训的要求，还实现了工艺过程中的动态仿真，是一套实用的、成功的仿真系统。

它采用缩小型全流程、精致的设备框架系统、管路、手动阀门、控制阀门、测控传感器系统等，具有实际装置的全部空间几何三维分布实体概念；采用先进测控电子技术成果，现场总线和电子操作器等专有设备，所有操作点都可以全量程手动或自动调整，具有真实的操作力度和动态响应，所有动设备都处于空转低负荷运行状态。

因此运行能耗很低，设备磨损小寿命长，不需要任何物料，节省费用、时间和人力，没有腐蚀、污染和环境保护问题。

(1)硬件配置与组成见图2所示。

1)霍尼威尔DCS仿真部分：由2台TPS操作站，1台HPM处理器，1套模拟输入、输出卡，2套LCN网，2套UCN网及电缆连接器，底板，接口模块，集线器，仪表柜等。

2)安全栅部分：2套报警设定器，2套输出输入安全栅，2套温度变送器，2套电源开关，2台继电器，1台电源变换器等。

3)”现场”设备检测、控制仪表仿真部分：2台仿真压力容器罐，2台给水泵，2台仿真压力容器罐液位调节阀，1台仿真压力容器罐中上部温度热偶，仿真压力容器罐出、入口流量调节阀及定位器，1台机级振动位移模拟电机，1台电气控制配电箱，1台仿真压力容器罐底部温度热阻，1台仿真压力容器罐压力变送器，1台仿真压力容器罐入口流量金属浮子流计量计，1台仿真压力器罐液位差变送器等。

4)3500仿真系统的硬件组成：显示屏，电源模块，框架接口模块，键相模块，振动位移模块，继电器模块，通讯模块，显示接口模块，振动前置器，位移前置器，延伸电缆，探头，机组振动位移模拟电机等。

5)GE90-30、CENTUM-CS3000组态应用和西门子SIMA TIC组态应用仿真系统的硬件组成：显示屏，双冗余电源背板，电源模块，CPU，RTU MASTER，数字量输入、输出，热阻输入，电流/电压模拟量输入输出，仿真操作站等。

(2)软件系统的结构组成。

1)霍尼威尔DCS控制仿真系统；2)3500仿真系统；3)GE90-30仿真系统；4)CENTUM-CS3000组态应用仿真系统；5)西门子SIMA TIC组态应用仿真系统；(3)基本功能、技术水平。

此仿真培训能完整模拟出Honeywell公司DCS系统的功能，能模拟实现四大化工参数: 流量、液位、压力、温度的测量和控制，系统运行自如，流畅，无频繁的死机现象或软硬件故障。

可以模拟实现温度、压力、液位、流量四大工艺参数的测量；可以构成常规自控系统和串级、分程、纯滞后等复杂控制系统；可以实现调节阀、变送器的在线调试和故障处理技术培训；可以实现机泵的自启动功能；可以实现模拟联锁保护功能；可以实现大机组振动、位移、转速仿真功能等。

3)仿工艺操作运行对象。

工艺参数类型齐全；控制参数类型齐全；可实现的控制方案齐全；可以灵活组合，实现从简单到复杂的工艺对象。

(4)应用效果。

电气仪表操作和技术人员在这套仿真系统上成功地进行阶段性的实际操作训练，并实现了对仪表运行维修等工种的操作技能水平的测评，在技能培训和考核中取到良好的效果。