CN101430555A - 一种聚乙烯生产过程的多功能运行监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚乙烯生产过程的多功能运行监控方法，该方法依托Internet网络连结的三层体系结构实现：本发明在实施、应用上具有组网简单和升级、互连、更新、维护方便的优点，设备选型通用、标准。本发明解决了当前聚乙烯生产装置缺乏全方位运行监控手段的问题和DCS系统无法直接实现各种先进监控技术的缺陷，并且就体系结构和设备选型而言，可方便地推广应用于其它类型的工业装置。
Description
技术领域
本发明涉及石油化工领域的聚乙烯生产技术，特别地，涉及一种聚乙烯生产过程的多功能运行监控方法。
背景技术
近二十年来，中国石油化学工业得到突飞猛进的发展。以处于石油化工生产链末端的合成树脂为例，到2007年底，合成树脂生产规模居世界第二位，需求规模居世界第一位，成为名副其实的世界生产大国、消费大国、进口大国，其中聚乙烯树脂占到合成树脂总量的5成左右。因此，聚乙烯生产过程和装置是石油化工企业中最普遍和最重要的装置之一。
聚乙烯树脂的生产工艺有许多种，但不管何种工艺，其生产运行和设备操作都是通过集散控制系统(DCS)实现的。针对于几乎全部的石油化工生产装置，DCS系统能够实现数据采集、工艺流程显示、过程趋势显示、基础控制系统组态、逻辑控制、回路控制和历史数据存储等功能，成为直到上世纪末石油化工行业的首选主控设备，其装机也涵盖了超过95％的国内聚乙烯生产过程。
随着信息技术和自动化技术的发展和日益走向工业应用，聚乙烯生产过程开始追求节能降耗、安全平稳、排产灵活、操作最优、质量卡边的运行操作模式，由此而产生的工艺建模技术、先进控制技术、故障诊断技术、专家系统技术、动态优化技术、牌号切换技术、质量控制技术等各种先进监控技术为上述需求提供了可能。然而，由于DCS系统本身在使用目的上的不同和功能设计上的限制，由各种先进监控技术所生成的专用控制模块基本上无法直接嵌入到DCS系统中加以实施。因此，很久以来研究者们就在探讨、设计一种以DCS为基础、能够直接安装在DCS之上的上位机系统来实现上述各种先进监控技术。迄今为止，已经有几种基于不同技术原理的方案见诸报道，但在功能上都存在这样或那样的不足。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种聚乙烯生产过程的多功能运行监控方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种聚乙烯生产过程的多功能运行监控方法，该方法首先组装监控系统，安装操作系统：并在OPC接口机中安装监控系统与DCS的数据接口软件；打通OPC接口机与DCS的数据链路；数据库服务器中安装实时数据库和数据库通讯接口模块；打通实时数据库与OPC接口机的数据链路；实时数据库建库；组态监控画面；数据库服务器中安装先进监控功能模块，操作站、监视站中安装人一机交互模块；检查整个监控系统的数据连通情况和整个监控系统先进监控功能模块的运行情况；在线采集聚乙烯装置的操作运行数据：DCS系统在线采集聚乙烯装置的操作运行数据，并通过OPC接口机传送至数据库服务器；分析采集的操作运行数据，调试模型参数、控制参数和优化参数；确定模型参数、控制参数和优化参数；调用先进控制系统对生产过程进行监控，对生产过程进行监控的过程中实时优化模型和控制策略；并对生产产品的品质监控及装置运行的安全维护。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(1)本发明的方法解决了现存DCS系统无法直接实现各种先进监控技术的缺陷，为聚乙烯生产装置提供了一种新型的、集成多种技术的多功能运行监控方法。本发明的方法不仅可应用于聚乙烯生产过程，也可应用于其它以DCS系统作为主控设备的工业生产过程。
(2)所选用的硬件设备全部为市场上常见的通用标准设备，不仅现场实施方便，而且备品备件容易，避免了专用设备价位高、供货不及时或自组装设备可靠性差、通用性差的缺点，为设备更换、系统升级带来便利。
(3)采用机理分析和数据分析相结合的混合建模方式，既区别于单纯的机理建模又不同于单纯的数据建模；机理建模部分包括聚合动力学模型、能量平衡模型、质量平衡模型、相平衡模型和专用物性数据集，数据建模部分采用多元统计理论与技术和大量的现场运行数据。
(4)本发明的方法突破了传统的单一设备故障诊断概念，把关键变量评估、设备维护计划管理和应急预案管理等纳入到同一个功能框架下，完善了聚乙烯装置运行的安全监控能力。
附图说明
图1为聚乙烯生产过程多功能运行监控系统的网络结构示意图。
具体实施方式
本发明的聚乙烯生产过程多功能运行监控方法依托Internet网络连结的三层体系结构实现，如图1所示。监控系统由OPC接口机、数据库服务器、操作站组和监视站组构成，其相互连接关系为：OPC接口机连接于生产现场的DCS系统，为数据库服务器提供生产过程数据，数据库服务器从OPC接口机中取得数据，操作站组和监视站组则通过工业以太网连接到数据库服务器，可读取数据库服务器中数据并进行处理。OPC接口机是本发明中与DCS进行数据交互的数据接口设备，它通过DCS数据电缆与DCS系统连结。根据不同类型的DCS系统，OPC接口机可以有不同选型。有些类型的DCS，OPC接口机是直接集成在DCS的工程师站中，而另外一些类型的DCS，OPC接口机往往是一台单独的运行设备。在实际实施方案设计中，可以按照所要连结的DCS类型的不同选用OPC接口机。作为本发明的核心，大部分先进监控技术通过数据库服务器实现。通常，数据库服务器是一台高性能的、达到防爆防尘标准网络服务器，如惠普服务器、戴尔服务器等。操作站、监控站等等是最上层的监控工作站，本方法中所有人—机交互操作和信息显示都在这些监控工作站中实现，并且可以视聚乙烯生产过程的流程规模不同和现场技术人员运行操作习惯设置一台或多台。通常，操作站、监视站的选型为达到防爆防尘标准的工业控制计算机，最好配置触摸屏。
本发明提出的聚乙烯生产过程多功能运行监控方法集成在上述硬件设备中。OPC接口机中配置与DCS的数据接口，以实现与DCS的双向数据通讯。数据库服务器中包含四个主要的功能模块：先进监控功能模块、实时数据库模块、数据库通讯接口模块和人—机交互操作模块。其中，先进监控功能模块是整个监控系统的核心而实时数据库模块是整个监控系统的信息流枢纽。先进监控功能模块中实现聚乙烯生产过程的工艺建模技术、先进控制技术、故障诊断技术、专家系统技术、动态优化技术、牌号切换技术、质量控制技术等各种先进监控技术。实时数据库模块采用成熟的工业实时数据库，如Aspen Tech的Infoplus.21、Oil System的PI、Honeywell的PHD等，具体选择往往取决于使用者对某个产品的熟悉程度或日后维护的方便性。数据库通讯接口模块负责实时数据库与OPC接口机之间的数据通讯。人—机交互操作模块主要实现监控系统的所有人—机交互操作和信息显示，即可采用通用的Web浏览器技术开发，也可以选用成熟的组态界面软件(如Intellution的FIX、Wonderware的InTouch、SIMATIC的WinCC)，还可以选用数据库中自带的配套组件(如Infoplus.21的Process Explore、PI的Process Book)。
本发明提出的聚乙烯生产过程多功能运行监控方法，其技术核心体现在数据库服务器的先进监控功能模块中，涵盖聚乙烯生产过程运行、操作、计量、计划调度、安全维护、产品质量各个生产环节的多种先进监控功能。本模块根据其功能又划分为4个子系统：聚乙烯过程模型化系统、聚乙烯过程先进控制系统、过程最优化系统、装置安全维护系统。其中，聚乙烯过程模型化子系统包含l11项功能：熔融指数模型(功能1，计算反应器当前的产品质量指标熔融指数，包括瞬时值和平均值)、流量补偿计算模型(功能2，对部分流量检测值进行压力补偿计算)、密度模型(功能3，计算反应器当前的产品质量指标密度，包括瞬时值和平均值)、反应器流化气速计算模型(功能4，计算反应器内反应气体流化速度的当前值，一般，为保持正常反应状态，流化气速应处于一个合适的范围之内)、产率计算模型(功能5，计算反应器当前产率，为改变负荷时的产率控制提供支持)、反应器转化率计算模型(功能6，计算表征反应器运行效率的重要指标反应转化率，为反应器操作优化提供决策支持)、露点计算模型(功能7，反应器冷凝操作模式下计算极限进料温度和冷凝分率，保持反应器安全操作状态)、反应器安全操作温度模型(功能8，计算反应器内部最大的安全操作温度)、催化剂加料速度计算模型(功能9，计算当前产率目标下催化剂的进料量和平稳进料速度，并用于产率控制的内回路被控变量)、反应器校正物位模型(功能10，计算反应器内部当前反应产物的累计量，应保持在一定范围内以保障反应过程的长期稳定操作)、流程模拟计算模型(功能1，为聚乙烯生产过程提供的一套在线流程模拟专用模型，包括聚合动力学模型、能量平衡模型、质量平衡模型、相平衡模型和专用物性数据集)；聚乙烯过程先进控制子系统包括9项功能：反应器温度控制(功能12，聚乙烯生产过程的主要被控变量)、硅胶活化控制(功能13，催化剂配置的间歇控制过程，包括硅胶活化器的温度曲线精确控制和流化气流量跟踪控制)、熔融指数控制(功能14，聚乙烯生产过程两个最主要的产品质量控制指标之一，受多个过程变量影响且作为控制指标的熔融指数不可在线测量，具有典型的多变量非线性控制特征)、氢气乙烯比值控制(功能15，是影响熔融指数的最主要可操作变量，作为熔融指数控制的内回路施加控制作用)、密度控制(功能16，聚乙烯生产过程两个最主要的产品质量控制指标之一，受多个过程变量影响且作为控制指标的密度不可在线测量，具有典型的多变量非线性控制特征)、丁烯乙烯比值控制(功能17，是影响密度的最主要可操作变量，作为密度控制的内回路施加控制作用)、产率控制(功能18，表征聚乙烯过程生产负荷的主要变量，当需要调整生产负荷时可借助产率控制，操作变量一般是催化剂进料量)、己烯乙烯比值控制(功能19，与丁烯乙烯比作用相似，在某些产品牌号下工具单体采用己烯而非丁烯)、催化剂加料速度控制(功能20，控制催化剂进料量进而控制产率的主要手段，一般通过调节催化剂进料泵的转速实现)；过程最优化子系统包括7项功能：动态最优设定点求解(功能21，对工艺设计确定的若干稳态工作点，根据当前生产工况和生产目标进行动态再求解，确保装置生产在最优状态，如反应器温度、压力、产率等等)、配方管理及维护(功能22，对装置众多的产品配方进行管理及维护，如增加配方、删除配方、修改配方等)、牌号最优切换策略(功能23，进行牌号切换前求解并确定实施牌号切换的最优操控策略，如操作变量的变化顺序、演变曲线、变化幅度、目标值等)、最优排产与调度(功能24，多牌号单生产线生产的排产与调度方案、多牌号多生产线生产的排产与调度方案)、过渡态最优控制策略(功能25，主要是指牌号切换、装置开车、装置停车、负荷大幅度变化、部分设备故障这几种情况下的过渡态控制策略)、最优质量分析与决策(功能26，以产品熔融指数和密度作为质量指标，根据一个生产周期内的产品质量分析情况，对全流程操作进行优化改进和决策支持)、在线流程模拟(功能27，借助流程模拟模型进行关键生产单元的模拟计算和预测分析，帮助现场技术人员作出决策)；装置安全维护子系统包括6项功能：关键设备故障诊断(功能28，对装置的关键设备如反应器、精馏塔、压缩机、造粒机等进行故障检测与诊断)、关键变量平稳性评估(功能29，对聚乙烯装置运行的关键位号、关键指标操作进行平稳性评价与考核)、过程运行品质在线监控(功能30，运用多元统计理论建立装置运行品质的总体评价模型，并进行在线监控，考察诸如平稳性、优化性、操控裕度、状态演变趋势、潜在故障、装置监控程度等等)、设备维护计划管理(功能31，对装置总体和各主要设备的小修、中修、大修，对备品备件、维护人力安排，对开、停车计划等进行管理和协调)、安全操作温度控制(功能32，按照最大安全温度模型计算结果，对反应器操作温度实时安全约束)、安全运行应急预案管理(功能33，对装置紧急状态下的应急预案进行管理)。
下面根据附图和实施例详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
本发明的聚乙烯生产过程的多功能运行监控方法，包括以下步骤：
第一步：进行网络布线及三层网络连通，安装操作系统
按照图1所示进行布线及网络连通；在前述的OPC接口机、数据库服务器、操作站、监视站等设备上，都需安装操作系统，如Windows2000/XP。
第二步：OPC接口机中安装监控系统与DCS的数据接口软件
在OPC接口机中安装与配置监控系统与DCS的数据接口软件是打通数据链路的最重要的一步。本案例中选用Honeywell TPS的OPC Server作为接口软件
第三步：打通OPC接口机与DCS的数据链路
在DCS上通过在线组态设置一个虚拟测试点，利用一些商品化的OPC测试工具对该虚拟测试点进行双向的读、写测试。如果读、写都成功，则进行下一步；否则，返回上一步对数据接口软件重新安装或设置，直到数据链路打通为止。
第四步：数据库服务器中安装实时数据库和数据库通讯接口模块
本案例中使用的是Aspen Tech的Infoplus.21实时数据库系统及其配套的接口CIM-IO。
第五步：打通实时数据库与OPC接口机的数据链路
按照第三步中OPC Server的配置结果对实时数据库的CIM-IO进行配置，观察数据库中点的通讯情况并运用数据库自带的通讯测试工具进行测试，直到数据库与OPC接口机连通为止。
第六步：实时数据库建库
根据聚乙烯装置的DCS检测位点和控制位点的设置，分别建立检测点子库和控制点子库；根据先进监控功能模块的功能设计，分别建立模型计算点子库和安全监控点子库。另外，还要给予配方管理、设备维护计划、应急预案等的信息和数据必要的库空间。
第七步：组态监控画面
本案例中的人—机交互操作模块采用数据库配套的Process Explore，该组件的安装已经在第四步完成，剩下的工作是根据工艺流程和功能设计进行监控画面组态。
第八步：数据库服务器中安装先进监控功能模块
在数据库服务器中安装先进监控功能模块，包括模块中33种功能的全部或部分(可选)。安装完毕后修改配置文件，填入数据库的逻辑名和数据库、历史库安装路径等信息，重启即可。
第九步：操作站、监视站中安装人—机交互模块
在操作站、监视站中重做第四步的安装工作，只不过选项仅仅为AspenProcess Explorer一项。安装完毕后重启，并检查操作站、监视站与数据库服务器的数据连通状态。
第十步：检查整个监控系统的数据连通情况
将第七步完成的监控画面拷贝到操作站、监视站中合适的目录下，启动其中任一个具有现场检测点的画面，如果随着装置的运行在操作站、监视站看到的检测点变化准确无误，则表明从DCS历经OPC接口机、数据库服务器，再到操作站、监视站，数据的“读”通道是畅通的。同理，启动其中任一个具有现场控制点的画面(前提是这个控制点允许进行写入试验，如果装置正常运行过程中不允许在任何一个控制点上做试验，则可在DCS中建立虚拟测试点，如第三步)，如果在操作站、监视站上写入的数据能够在DCS上准确无误地显示，则表明从操作站、监视站，历经数据库服务器、OPC接口机，再到DCS，数据的“写”通道是畅通的。如果数据的任一走向或双向不通，则需进一步检查上述几步的安装和设置，以确保双向畅通。
第十一步：检查整个监控系统先进监控功能模块的运行情况
为监视和管理整个先进监控功能模块的运行，特别设置了监控系统运行任务管理器。运用该管理器，既可以在线查看每个功能任务的运行状态是否正常，也可以随时停止、暂停、重启任一功能任务的运行。
第十一步：在线采集聚乙烯装置的操作运行数据
一般，每个牌号的正常运行数据需连续48小时以上(数据库采集周期10～30秒可设，下同)并保存在数据库中；不同牌号的切换操作数据需至少一个完整的切换周期(常规牌号约6～10小时不等，并且遍历所有惯常切换顺序装置的开车过程运行数据(持续约15小时以上)保存在数据库中；装置的正常停车过程运行数据(持续约20小时以上)保存在数据库中。
每个牌号的运行数据由现场DCS系统通过OPC接口机传送至数据库服务器储存，数据库服务器可以将数据采集工作分期、分批进行，即事先规划好数据采集的类型、工艺特征、采集周期、工艺点统计等等，但采集时间表不定，实际运行中碰到哪种类型就采集哪种类型，直到所有规划的数据集齐全为止
第十二步：分析采集的操作运行数据，调试模型参数、控制参数和优化参数
根据上一步采集的操作运行数据，调用聚乙烯过程模型化子系统提取采集到的各项数据，这个子系统为聚乙烯生产过程提供的一套在线流程模拟专用模型以及生产过程中需要用到的各种其它模型，主要包括熔融指数模型、产率计算模型、反应器安全操作温度模型、催化剂加料速度计算模型、流程模拟计算模型。数据进入模型化子系统后，系统将根据对每一批数据的分析结果结合系统原有的模型对其进行调整，使模型与实际工况更加匹配。
该子系统通过对多批数据的分析和处理，多次调试并确定模型参数、控制参数，直到满足使用要求和精度为止。此项工作可视数据采集的具体情况，分期、分批进行。
第十三步：确定模型参数、控制参数和优化参数
根据上一步模型化子系统调试的所得的一些模型参数、控制参数和优化参数，全面观察和分析整个监控系统先进监控功能运用这些参数的运行效果，参照模型计算结果与实际的偏差以及根据模型进行控制的效率高低，从中选取一组最佳的模型参数、控制参数和优化参数，按照该最佳选择更新系统，确认该模型的参数。至此，监控模型及其参数被确定。
第十四步：调用先进控制系统对生产过程进行监控
先进控制系统控制功能包括：反应器温度控制、硅胶活化控制、熔融指数控制、氢气乙烯比值控制、密度控制、丁烯乙烯比值控制、产率控制、己烯乙烯比值控制、催化剂加料速度控制。
反应器温度控制是聚乙烯生产过程的主要被控变量，系统通过对生产装置冷却系统的控制来调整反应器内的温度；熔融指数和密度控制控制作为聚乙烯生产过程两个最主要的产品质量控制指标，均不可在线测量，需要依赖乙烯过程模型化子系统所建立的模型来间接测量及控制；氢气乙烯比值控制和丁烯乙烯比值控制则是影响熔融指数和密度的最主要可操作变量，通过调节两个分别提气体的控制阀来实现比值控制；产率控制是表征聚乙烯过程生产负荷的主要变量，系统通过控制催化剂的进料量来控制产品的产率。
此功能涉及了聚乙烯生产需要控制的多各方面。本系统的控制也要依赖聚乙烯过程模型化子系统所建立的模型。
第十五步：对生产过程进行监控的过程中实时优化模型和控制策略
过程最优化子系统的运行可以确保装置生产在最优状态。系统中动态最优设定点求解通过对工艺设计确定的若干稳态工作点，根据当前生产工况和生产目标进行动态再求解，确保装置生产点的最优化；在生产装置进行牌号切换或者装置开、停车时，系统提供最优切换策略，对操作变量的变化顺序、演变曲线、变化幅度、目标值进行计算控制，找到切换的最优路径；最优质量分析与决策，以产品熔融指数和密度作为质量指标，根据一个生产周期内的产品质量分析情况，对全流程操作进行优化改进和决策支持；当现场人员需要对生产装置的运行状态进行调整或者优化时，本子系统提供的在线流程模拟功能可以借助流程模拟模型进行关键生产单元的模拟计算和预测分析，帮助现场技术人员作出决策；
第十六步：对生产产品的品质监控及装置运行的安全维护
利用装置安全维护子系统可以对聚乙烯装置运行的关键位号、关键指标操作进行平稳性评价与考核，以及运用多元统计理论建立装置运行品质的总体评价模型平稳性、优化性、操控裕度、状态演变趋势、潜在故障、装置监控程度等。遇到紧急情况是该系统能保证实施预定的紧急预案，保证生产安全。
Claims (1)
1.一种聚乙烯生产过程的多功能运行监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)组装监控系统，安装操作系统：监控系统主要由OPC接口机、数据库服务器、操作站组和监视站组组成。OPC接口机与生产现场的DCS系统相连，，数据库服务器与OPC接口机相连，操作站组和监视站组通过工业以太网连接与数据库服务器相连。各设备安装操作系统，并在OPC接口机中安装监控系统与DCS的数据接口软件。
(2)打通OPC接口机与DCS的数据链路。
(3)数据库服务器中安装实时数据库和数据库通讯接口模块。
(4)打通实时数据库与OPC接口机的数据链路。
(5)实时数据库建库。
(6)组态监控画面。
(7)数据库服务器中安装先进监控功能模块，操作站、监视站中安装人—机交互模块。
(8)检查整个监控系统的数据连通情况和整个监控系统先进监控功能模块的运行情况。
(9)在线采集聚乙烯装置的操作运行数据：DCS系统在线采集聚乙烯装置的操作运行数据，并通过OPC接口机传送至数据库服务器。
(10)分析采集的操作运行数据，调试模型参数、控制参数和优化参数。
(11)确定模型参数、控制参数和优化参数。
(12)监控站组调用先进控制系统对生产过程进行监控，对生产过程进行监控的过程中实时优化模型和控制策略。监控站组监控生产产品的品质及装置安全运行。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CNA2008101631496A CN101430555A (zh) | 2008-12-18 | 2008-12-18 | 一种聚乙烯生产过程的多功能运行监控方法 |
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Open date: 20090513 |