制氧機(jī)組仿真操作平臺(tái)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

1、<p>　　制氧機(jī)組仿真操作平臺(tái)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用</p><p>　　摘 要：簡(jiǎn)單介紹制氧機(jī)組基本配置情況以及制氧機(jī)組的工藝流程，闡述了仿真操作平臺(tái)的開(kāi)發(fā)初衷，詳細(xì)介紹了仿真平臺(tái)的仿真對(duì)象及仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)每個(gè)仿真模塊的仿真內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。該仿真平臺(tái)作為一種新型培訓(xùn)工具具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：制氧機(jī)；仿真平臺(tái)；生產(chǎn)操作；設(shè)計(jì)算法；培訓(xùn) <

2、;/p><p><b>　　1 概述 </b></p><p>　　江西銅業(yè)集團(tuán)貴溪冶煉廠是當(dāng)今最先進(jìn)的閃速煉銅工藝工廠，截至目前已形成年產(chǎn)100萬(wàn)噸銅的綜合生產(chǎn)能力。隨著銅生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)張，貴冶先后投入建成4套低溫分離原理制氧機(jī)組，為主工藝提供生產(chǎn)所需的氧氣和氮?dú)?，設(shè)計(jì)氧氣總產(chǎn)量為51500Nm3/h。其中5#制氧機(jī)組是2007年隨廠新30萬(wàn)噸銅冶煉工程的建設(shè)而投入生產(chǎn)，

3、其工藝流程較其他機(jī)組復(fù)雜，操作難度較大，不但可以生產(chǎn) </p><p>　　18000Nm3/h低壓氧氣，而且可以生產(chǎn)7000Nm3/h的中壓氧氣。 </p><p><b>　　2 仿真平臺(tái) </b></p><p><b>　　2.1 仿真對(duì)象 </b></p><p>　　低溫分離制氧機(jī)組包含

4、有空壓機(jī)系統(tǒng)、預(yù)冷系統(tǒng)、分子篩系統(tǒng)、換熱器系統(tǒng)、膨脹機(jī)系統(tǒng)、分餾塔系統(tǒng)、氬系統(tǒng)、儲(chǔ)槽系統(tǒng)及循環(huán)水系統(tǒng)等9個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)前后緊密關(guān)聯(lián)，相互影響。 </p><p>　　正常生產(chǎn)時(shí)，員工要監(jiān)控各環(huán)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，及時(shí)對(duì)異常參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證制氧機(jī)組生產(chǎn)穩(wěn)定。每次機(jī)組開(kāi)機(jī)，都要對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)的閥門(mén)位置和參數(shù)進(jìn)行檢查確認(rèn)，確定都在正確位置后，才能進(jìn)行正常開(kāi)機(jī)操作；同樣，在制氧機(jī)組計(jì)劃停機(jī)或緊急停機(jī)后，也要對(duì)各子系統(tǒng)的閥門(mén)

5、位置和參數(shù)進(jìn)行檢查，以確保停機(jī)后設(shè)備安全。開(kāi)停機(jī)過(guò)程中要兼顧前后工序主要參數(shù)變化，以免造成不必要停機(jī)或設(shè)備故障。計(jì)劃性開(kāi)停機(jī)或突發(fā)故障停機(jī)，都需要員工具備熟練的應(yīng)急操作技能，才能保證其順利完成。 </p><p>　　該平臺(tái)仿真的對(duì)象確定為模擬制氧機(jī)開(kāi)停機(jī)操作，以5#制氧機(jī)的操作為模型，其內(nèi)容包含4個(gè)方面：開(kāi)機(jī)前檢查確認(rèn)操作；開(kāi)機(jī)操作；停機(jī)操作；停機(jī)后的檢查確認(rèn)操作。 </p><p>　

6、　2.2 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu) </p><p>　　本仿真項(xiàng)目開(kāi)發(fā)總體分為四部分內(nèi)容：一是基礎(chǔ)仿真，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，包括仿真操作所需的I/O點(diǎn)、操作畫(huà)面、趨勢(shì)畫(huà)面等，要與實(shí)際操作站上一致；二是數(shù)據(jù)仿真，涉及平臺(tái)運(yùn)行所需的所有參數(shù)的數(shù)據(jù)仿真，實(shí)現(xiàn)在不同狀態(tài)條件下，參數(shù)數(shù)據(jù)能對(duì)應(yīng)變化顯示，如操作某臺(tái)閥門(mén)，其關(guān)聯(lián)的流量參數(shù)會(huì)相應(yīng)變化；三是過(guò)程控制仿真，編制制氧機(jī)聯(lián)鎖控制程序，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)聯(lián)鎖控制模擬；四是操作評(píng)分仿真，依據(jù)員工操

7、作情況給出對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)。 </p><p><b>　　3 基礎(chǔ)仿真 </b></p><p>　　基礎(chǔ)仿真根據(jù)生產(chǎn)監(jiān)控要求建立仿真平臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，包括建立I/O點(diǎn)、繪制操作畫(huà)面及增加趨勢(shì)顯示等，為后期的數(shù)據(jù)仿真、過(guò)程控制仿真做鋪墊。另外，還需建立中間變量（內(nèi)部開(kāi)關(guān)），作為程序控制及過(guò)程報(bào)警所用。 </p><p>　　有些制氧機(jī)的操作需要在在生

8、產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，如設(shè)備的開(kāi)停及現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)等，通過(guò)增加對(duì)應(yīng)設(shè)備或閥門(mén)的內(nèi)部開(kāi)關(guān)（虛擬現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)），并在仿真畫(huà)面上對(duì)應(yīng)位置增加控制按鈕，實(shí)現(xiàn)仿真現(xiàn)場(chǎng)操作。 </p><p><b>　　4 數(shù)據(jù)仿真 </b></p><p>　　在建立好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)之后，依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)仿真計(jì)算功能建立I/O點(diǎn)數(shù)據(jù)仿真，實(shí)現(xiàn)操作畫(huà)面數(shù)據(jù)顯示功能。圖1是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)仿真的計(jì)算程序模板，圖中C

9、ALCU是CS3000內(nèi)部通用計(jì)算塊，它是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)仿真的核心，用戶可以通過(guò)功能塊支持的編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，進(jìn)行邏輯運(yùn)算和計(jì)算操作；RAMP是斜坡塊，它是數(shù)據(jù)仿真效果的修飾工具，可以讓數(shù)據(jù)變化更接近真實(shí)情況，其功能是將輸入數(shù)據(jù)用斜坡特性（一定變化速度）增加或減少輸出到后續(xù)功能塊；PVI是指示塊，將來(lái)自其他模塊的輸入信號(hào)作為測(cè)量值（PV）進(jìn)行顯示，用于只進(jìn)行測(cè)量值顯示的時(shí)候；PID是調(diào)節(jié)塊，將輸入信號(hào)作為測(cè)量值（PV）和設(shè)定值（SV）進(jìn)行偏差

10、計(jì)算，再進(jìn)行比例、積分、微分的控制動(dòng)作，一般用于定值控制以及跟蹤控制等時(shí)候。 </p><p>　　根據(jù)I/O點(diǎn)參數(shù)所關(guān)聯(lián)對(duì)象的不同，數(shù)據(jù)仿真大致可分為三類。 </p><p>　　4.1 兩位式仿真 </p><p>　　此類仿真數(shù)據(jù)一般只有兩種數(shù)據(jù)狀態(tài)，如預(yù)冷系統(tǒng)水泵等設(shè)備運(yùn)行信號(hào)只跟設(shè)備開(kāi)停狀態(tài)有關(guān)，設(shè)備開(kāi)時(shí)為“1”，設(shè)備停時(shí)為“0”；空壓機(jī)油壓參數(shù)，可以看成

11、只跟輔助油泵或空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，運(yùn)行時(shí)為正常油壓2.54bar，停止時(shí)為0bar。 </p><p>　　4.2 線性關(guān)系仿真 </p><p>　　此類仿真數(shù)據(jù)一般為單回路控制的參數(shù)數(shù)據(jù)。如空冷塔冷卻水流量顯示，當(dāng)冷卻水泵開(kāi)啟之后，流量的大小主要跟流量調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度有關(guān)，可以看成與閥門(mén)開(kāi)度（或?qū)?yīng)PID模塊MV值）成線性關(guān)系，線性系數(shù)可以參考實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)。 </p>&

12、lt;p>　　4.3 非線性關(guān)系仿真 </p><p>　　此類仿真數(shù)據(jù)受前后工序影響較大，而且受多種設(shè)備或閥門(mén)狀態(tài)控制。在進(jìn)行此類數(shù)據(jù)仿真計(jì)算時(shí)，就要考慮各環(huán)節(jié)對(duì)該數(shù)據(jù)影響所占的比例以及影響效果的正負(fù)方向。如空壓機(jī)出口壓力參數(shù)，受空壓機(jī)開(kāi)停狀態(tài)、入口導(dǎo)葉開(kāi)度、防喘振放空閥開(kāi)度、后續(xù)工序有無(wú)投入等多因素影響。入口導(dǎo)葉對(duì)空壓機(jī)出口壓力是正影響，導(dǎo)葉開(kāi)度越大，出口壓力應(yīng)該越大；防喘振放空閥對(duì)出口壓力是負(fù)影響，放

13、空閥開(kāi)度越大，出口壓力越小。各環(huán)節(jié)影響所占的比例有多大，要根據(jù)實(shí)際參數(shù)運(yùn)行情況尋找規(guī)律。 </p><p><b>　　5 過(guò)程控制仿真 </b></p><p>　　生產(chǎn)過(guò)程控制的作用是確保生產(chǎn)過(guò)程處于受控狀態(tài)，對(duì)影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素進(jìn)行監(jiān)控，保證生產(chǎn)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。仿真平臺(tái)內(nèi)的過(guò)程控制仿真主要體現(xiàn)在編制與實(shí)際DCS內(nèi)部相同的聯(lián)鎖控制程序，用以監(jiān)督仿真操作過(guò)程。 &l

14、t;/p><p>　　制氧機(jī)組安全運(yùn)行的重要保護(hù)程序主要有：空壓機(jī)停車邏輯、預(yù)冷停車邏輯、分子篩程序、膨脹機(jī)停車邏輯、儲(chǔ)槽邏輯等。當(dāng)發(fā)生誤操作或參數(shù)調(diào)整不到位時(shí)，平臺(tái)能夠根據(jù)對(duì)應(yīng)聯(lián)鎖條件觸發(fā)聯(lián)鎖跳機(jī)，保護(hù)設(shè)備安全，過(guò)程控制仿真的監(jiān)督能讓員工更好地理解制氧機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)的作用。 </p><p><b>　　6 操作評(píng)分仿真 </b></p><p>

15、　　將仿真過(guò)操作程中一些必要的操作步驟納入到考核的范疇，評(píng)判員工對(duì)制氧機(jī)操作的掌握程度，再根據(jù)得分情況對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的鞏固培訓(xùn)。 </p><p>　　制氧機(jī)操作必須按順序進(jìn)行，其中開(kāi)機(jī)前檢查確認(rèn)操作總共有96項(xiàng)，開(kāi)機(jī)操作總共有7大項(xiàng)，停機(jī)操作總共有8大項(xiàng)，停機(jī)后檢查確認(rèn)操作總共有78項(xiàng)。依據(jù)仿真操作順序有無(wú)顛倒或操作有無(wú)遺漏等情況，設(shè)計(jì)評(píng)分算法，統(tǒng)計(jì)出員工每步操作的完成率，并給出對(duì)應(yīng)的得分。 </p>

16、<p><b>　　7 結(jié)束語(yǔ) </b></p><p>　　作為一種新型的培訓(xùn)工具，5#制氧機(jī)仿真平臺(tái)利用理論結(jié)合實(shí)際的方式對(duì)員工進(jìn)行培訓(xùn)，效率更高。其一方面能夠讓員工離線仿真制氧機(jī)的開(kāi)停機(jī)操作，提高實(shí)際操作技能及對(duì)制氧機(jī)認(rèn)知的高度；另一方面，員工可以在該平臺(tái)上測(cè)試聯(lián)鎖程序，理解制氧機(jī)的重要參數(shù)的意義。通過(guò)這套制氧機(jī)的仿真平臺(tái)，可以縮短員工掌握制氧操作技能的時(shí)間。</p