CN101995880A - 石化过程异常工况诊断测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石化过程异常工况诊断测试系统，包括虚拟工厂、数据交换中心、仿DCS控制系统、回路操作站、故障诊断软件和安全评价推理功能模块，采用过程仿真软件PSSP或HYSYS对实际生产装置进行实际工艺运行状况的全程模拟，构建虚拟工厂；通过实时数据中心采集来自PSSP或HYSYS的实时数据加以处理，并以可以识别的数据形式传输到故障诊断系统中；通过仿DCS控制系统模拟实际生产装置的DCS集散控制系统，并对虚拟工厂进行操作，能在仿DCS控制系统上观察分析参数的历史趋势、参数的报警记录；通过SDG推理引擎实时诊断工艺的异常，定位异常原因，显示异常传播途径。

Description

石化过程异常工况诊断测试系统

技术领域

本发明涉及对石化生产过程中出现的异常工况进行完备性及准确性诊断的测试系统，是集石化装置过程模拟、异常工况设定、数据分析处理、故障监测与诊断于一体的计算机集成的实验系统。

背景技术

美国Honeywell公司联合十个工业界公司包括了七大石油公司Amoco、British petroleum、Chevron、Exxon、Mobil、Shell和Texaco、两个著名软件公司Gensym与ATR和两所著名大学，普渡大学Purdue与俄亥俄Ohio大学，在美国国家标准和技术院(NIST)立项资助下，开展了“新一代过程控制系统，非正常事件指导和信息系统(AEGIS)”(Abnormal Events Guidance and Information Systems)研究计划，目的在于提前诊断事故先兆赢得数分钟到一小时的挽回机会。该系统特点是运用了多种故障诊断技术、动态仿真技术、定性推理技术和人工智能技术，所开发的故障诊断方法能够在Amoco公司支援的催化裂化(FCCU)流程动态仿真试验系统(V&V)上加以验证。它是国际上第一个实时和大型工业过程故障诊断系统的原型，见图1所示。

然而，由于对该实时故障诊断系统系统进行测试的仿真平台没有采用通用的过程仿真软件，因此，该试验系统只能针对FCCU装置进行故障诊断方法的试验与测试，对于其他生产过程则无能为力。另外，由于该试验系统对故障诊断方法的测试采用了多功能实时专家系统开发平台G2，其推理只能依赖G2的推理引擎，所以可扩展性差。该系统的实时数据管理没有采用实时数据库管理软件，不能方便地与其它应用软件和多种DCS、PLC控制系统通讯，其应用范围受到限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种能够针对所有石化生产过程进行故障诊断的测试系统，采用通用的过程仿真软件PSSP对石化过程进行动态仿真，可以适用于所有的石化生产的仿真，适用范围广泛。

本发明另一个目的是，提供一种采用了拥有自主知识产权的故障诊断软件的测试系统，可以对各种故障方法及模型进行测试与验证，各种方法可以任意组合，可扩展性好。

本发明再一个目的是，提供一种数据管理采用国内领先的实时数据库管理软件StrongDAS的测试平台，能方便地与其它应用软件和多种DCS、PLC控制系统通讯，可以实现硬件在回路及软件在回路仿真试验。

本发明所述的石化过程异常工况诊断测试系统是根据石化生产的特点，借助高速计算机及仿真技术，通过对一个生产装置的工艺、控制方案的模拟，构造与企业实际相符和的试验系统。实验人员能够在该系统上实现工艺的操作优化、控制方案的优化、故障设置及诊断、FSC的组态方案验证及评价设计方案的各方面指标，并提出合理的优化及修改方案。

所述石化过程异常工况诊断测试系统，采用分布式结构，由多台工业控制计算机、高性能PC机和高性能服务器组成千兆局域网，其特征在于，该系统包括虚拟工厂、数据交换中心、仿DCS控制系统、回路操作站、故障诊断软件和安全评价推理功能模块，采用过程仿真软件PSSP或HYSYS对实际生产装置进行实际工艺运行状况的全程模拟，构建虚拟工厂；通过实时数据中心采集来自PSSP或HYSYS的实时数据加以处理，并以可以识别的数据形式传输到故障诊断系统中；通过仿DCS控制系统模拟实际生产装置的DCS集散控制系统，并对虚拟工厂进行操作，能在仿DCS控制系统上观察分析参数的历史趋势、参数的报警记录；通过SDG推理引擎实时诊断工艺的异常，定位异常原因，显示异常传播途径。

所述过程仿真软件运行于仿真服务器，所述仿真服务器是内置四个CPU的高性能服务器，能够进行大规模的工艺对象的数学模型运算，产生与实际的工艺过程相同或相近的过程数据。通过WINDOWS的OLE技术和其他软件镶嵌，形成功能强大集成式工程环境，OLE用户在其基础上能开发自己的单元操作或扩展所需的功能。

所述数据交换中心采用功能强大的实时数据库，是与过程仿真软件中的工艺参数进行实时数据交换的一个数据缓存软件，能够直接读写过程仿真软件中定义的变量。

所述回路操作站用于模拟实际生产装置的可观仪表、可观可控仪表、现场手操阀门或开关量仪表，通过改变按钮的开关状态或者操作触摸按键组中的增加或减少键来改变过程仿真软件中相应仪表的当前值，从而拉偏当前运行案例的工艺状态。

所述仿DCS控制系统由仪表组成、流程图组态、画面组态、仿真键盘和仿DCS操作软件组成。

所述故障诊断软件是应用基于SDG推理引擎的多种故障诊断软件开发的异常工况管理系统，通过数据交换中心接收虚拟工厂的数据，实时判断实际生产装置是否正常，一旦实际生产装置出现异常，会自动推理故障原因和故障传播路径。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，通过对“石化过程异常工况诊断测试系统”研究及测试，该实验系统能够完成石化装置过程动态模拟、异常工况设定、数据分析处理、故障监测与诊断及安全培训等多种任务，由于该系统采用了国内领先的石化过程动态仿真软件PSSP，能够提供仿真度极高的实验测试数据；该系统采用的基于主元分析、神经网络及符号有向图的故障诊断技术是目前国际上最具前途的故障诊断方式的组合；应用该系统可以针对各种复杂的工况进行诊断。

附图说明

图1为现有技术中Dkit实时故障诊断系统平台

图2为实验室系统布置结构功能图

图3为石化过程异常工况诊断测试系统的结构的示意图

图4为V&V试验系统硬件结构的示意图

图5为模拟仪表工作原理的示意图

图6为模拟仪表组态软件的示意图

图7为仿DCS操作软件画面结构的示意图

图8为仿DCS操作软件画面之间调用关系的示意图

图9为定性定量V&V试验系统的实物图

图10为用于复杂流程级系统故障诊断的定性定量V&V试验系统的示意图

具体实施方式

实验室系统结构布置功能如图2所示。该实验室系统工作原理为：应用PSSP或HYSYS对装置进行全流程模拟，构建虚拟工厂。通过实时数据中心，DCS控制系统可以和虚拟工厂进行实时数据交互，在DCS上可以对虚拟工厂进行操作，例如手动控制、自动控制和串级控制，可以在DCS上观察分析参数的历史趋势、参数的报警记录等；通过SDG推理可以实时诊断出哪些变量报警，这些报警是由哪个参数跑偏引起的，以及由故障原因点到故障点的故障传播路径。

利用该实验室可以完成它具有如下功能：能够模拟实际工艺的运行状况(虚拟工厂)；通过实时数据中心可以采集来自PSSP及HYSYS等虚拟工厂的实时数据并加以处理，以可以识别的数据形式传输到故障诊断系统中；通过仿DCS模拟实际装置的DCS集散控制系统；通过SDG推理引擎实时诊断工艺的异常，定位异常原因，显示异常传播路径。该故障诊断试验系统的结构即石化过程异常工况诊断测试系统的结构如图3所示。

其中虚拟工厂过程系统的仿真是以仿真机为工具，用数学模型代替过程系统进行试验和研究。数学模型是依据实际装置提供的数据来建立的，能够产生与实际生产过程相似的行为数据。稳态模型是由代数方程来描述的，动态模型是常微分方程或偏微分方程来描述的。

应用流程模拟软件进行过程系统的模拟仿真在故障诊断中具有无法替代的作用，具体来说，主要是因为：

1、过程系统是大型工业系统，流程复杂，投资巨大且生产连续性强，从经济利益及安全的角度讲，不允许在现场进行与故障操作相关的试验，要想研究某一操作对生产过程可能造成的影响，必须借助于仿真手段；

2、采用动态的模拟仿真可以研究根本不允许的试验，如超极限运行等，利用仿真不会造成任何的损失，是最环保，最安全的试验方法；

3、仿真试验是由数学模型来构建的，可以方便的在模型上进行任意修改；

4、系统仿真试验具有经济、安全、不受气象条件、场地和环境限制。同一系统可以支持许多不同流程的试验，是一种节省人力、物力和财力的最有效的方法。

目前该仿真试验系统的虚拟工厂采用的是东方仿真公司的PSSP动态模拟软件，该软件将时间变量引入系统，即系统内部的性质随时间而变。它将稳态系统、控制理论、动态化工及热力学模型，动态数据处理有机地结合起来，通过求解常微分方程组来进行动态模拟。采用WINDOWS C++编程，面向对象、组件式结构。通过WINDOWS的OLE技术和其他软件镶嵌，形成功能强大集成式工程环境。可以方便的和其他软件交换。通过组态软件组态工艺流程，包括仪表组态、控制画面组态和流程画面组态。组态好的工艺流程通过TCP/IP协议从数据中心读取PSSP模型中的参数数据，并显示在流程图上。通过DCS键盘操控工艺过程，包括监视和控制。仿DCS控制部分参照实际DCS控制，分为仪表组态、控制分组、报警确认和趋势分析等。通过改变控制回路的控制方式来模拟实际生产的手动、自动和串级控制，调整后的数据通过数据中心返回到虚拟工厂，来影响工艺状态。

数据中心是采用功能强大的实时数据库，与PSSP模型中的工艺参数进行实时交换数据的一个数据缓存软件。它直接读写PSSP软件中中定义的变量。

故障诊断系统通过SDG推理引擎实时诊断工艺的异常，定位异常原因，显示异常传播路径。

由于石化工业的高危险性，故障诊断方法和故障诊断系统的研究试验不允许在工厂进行，因此动态仿真技术已广泛应用于故障识别、故障诊断方法和系统的V&V中，并且在故障分析、故障识别和故障诊断过程的多环节、多层次发挥重要效能，可以说离开动态仿真技术几乎无法进行故障诊断方法和系统的研究与开发。

1、硬件系统结构

V&V试验系统的硬件结构如图4所示，系统采用分布式结构，由多台工业控制计算机、高性能PC机和高性能服务器组成千兆局域网。包括虚拟工厂、数据交换中心、仿DCS控制系统、回路操作站、故障诊断、安全评价推理功能模块。

1)虚拟工厂

虚拟工厂是实际工业过程的一个“影子”。它是试验系统的核心。虚拟工厂运行于仿真服务器，通过高速网络与系统内的其它部分连接，完成数据交互。

仿真服务器是内置四个CPU的高性能服务器，可以进行大规模的工艺对象的数学模型运算，产生与实际的工艺过程相同或相近的过程数据。

虚拟工厂选用Aspentech公司HYSYS.Plant作为动态建模工具。HYSYS具有如下特点：①它将时间变量引入系统，即系统内部的性质随时间而变。将稳态系统、控制理论、动态化工及热力学模型，动态数据处理有机地结合起来，通过求解常微分方程组来进行动态模拟。②该软件采用WINDOWS C++编程，面向对象、组件式结构。③它的动态和稳态为一体，共享同一个目标，稳态转换成动态十分简单。④可以通过WINDOWS的OLE技术和其他软件镶嵌，形成功能强大集成式工程环境。⑤通过OLE用户在可以HYSYS的基础上开发自己的单元操作或扩展所需的功能。

2)回路操作站

回路操作站用于模拟实际生产装置的可观仪表、可观可控仪表、现场手操阀门、开关量仪表。模拟仪表部分由液晶显示、按钮和触摸按键以及驱动它们的相关电子线路板和负责与通讯接口通讯的驱动程序组成。模拟仪表可以显示相应HYSYS中仪表的当前值，通过改变按钮的开关状态或者操作触摸按键组中的增加或减少键来改变HYSYS中相应仪表的当前值，从而拉偏HYSYS中当前运行案例的工艺状态。

图5为模拟仪表的工作原理，模拟量模拟部分由50×54的液晶以及驱动液晶的电子线路板、改变模拟量值的增加、快增、减少、快减的4个触摸按键组成的触摸按键组、以及负责按键组和液晶与驱动程序通讯的电子线路板组成。电子线路板上装有定义该模拟量模拟部分地址的5位拨码开关、负责与驱动程序通讯的通讯接口、电源部分。电源部分由一个24V的恒压源提供。液晶用于显示模拟量的位号和当前值，触摸按键组用于改变模拟量的值，每按下一次增加或减少键，模拟量的值变化量为量程的1％，每按下一次快增或快减键，模拟量的值变化量为量程的5％。每个模拟量模拟部分代表实际工艺中的一个模拟量，可以根据所要模拟的实际工艺的具体情况，确定模拟量模拟部分的数目。

开关量模拟部分由50×54的液晶以及驱动液晶的电子线路板、改变开关量状态的按钮以及负责按钮和液晶与驱动程序通讯的电子线路板组成。电子线路板上装有定义该开关量模拟部分地址的5位拨码开关、负责与驱动程序通讯的通讯接口、电源部分。电源部分由一个24V的恒压源提供。液晶用于显示开关量的位号和当前的开关状态。每个开关量模拟部分代表实际工艺中的一个开关量，可以根据所要模拟的实际工艺的具体情况，确定开关量模拟部分的数目。

通讯部分负责把驱动程序取得的HYSYS中工艺参数的数据传送给相应的开关量模拟和模拟量模拟部分。通讯部分包括485通讯接口和相应的通讯线路。每个开关量模拟和模拟量模拟通过2根485通讯线挂接在485通讯线路上，485通讯接口根据它们的设定的地址把相应数据传送给不同的开关量和模拟量。485通讯接口卡件安装在驱动程序所在的计算机上

模拟仪表组态部分用于设定和开关量模拟以及模拟量模拟对应的HYSYS中的工艺参数。由图6可知，左边部分对应开关量模拟仪表，右边部分对应模拟量组态仪表。图中编号对应开关量或模拟量模拟部分的拨码开关地址，对应HYSYS DataBook中HYSYS变量位置。

驱动程序根据模拟仪表组态的结果，把从数据交换接口中读取的HYSYS数据通过485通讯部分传递给相应的模拟仪表，同时把模拟仪表改变后的值回传给数据交换接口。

3)仿DCS控制系统

仿DCS控制用于模拟石化装置的DCS操作控制环境，它能够真实的模拟DCS的外部环境，操作员键盘的外观及功能，工艺流程画面的显示、操作、动画、切换方法，系统合过程参数报警和真实DCS一样，操作员感觉和实际装置的操作环境一样。

仿DCS控制由仪表组态、流程图组态、画面组态和仿真键盘和仿DCS操作软件组成。

仪表组态软件定义DCS操作界面上出现的所有仪表以及阀门，包括指示类仪表(PV)、手操器仪表(MV)、两位开关类仪表(SW)、PID控制仪表。其中指示类仪表代表需要监视的工艺变量，手操类仪表代表实际生产装置的现场阀门，实际生产中，手操阀门既不可观，又不可控，在本系统中，引入手操阀门，主要是用它的开关以及开大开小，来拉偏HYSYS工艺过程，制造事故。两位仪表用于代表实际生产装置的开关变量，例如泵、电磁阀等，PID控制仪表代表实际装置上的可控可观仪表，可以应用控制仪表调整工艺过程，使工艺过程从一个状态过渡到另一个状态。

流程图组态主要是设定已经组态的仪表在工艺流程图上的显示位置。把需要显示仪表信息的背景图通过“画面选择”按钮调入到一个具有屏幕坐标显示的可视区域。然后选择要在该背景图上显示的仪表，定义仪表的显示位置和鼠标可操作区域，并定义仪表的显示颜色。

画面组态主要利用仪表组态和流程图组态的信息，进行报警组态、趋势组态以及定义仿真键盘的功能键。

仿真键盘是从外形到功能上模拟Honeywell TDC-3000的控制键盘，它通过键盘接口卡和DCS操作软件进行通讯。通过画面组态，划分键盘的功能区。便于操作员操作。

当画面组态设置完成以后，把仪表组态信息、流程图组态信息和画面组态信息拷贝到DCS操作软件所在的目录，然后就可以运行DCS操作软件了。

仿DCS操作软件由系统菜单画面、总貌画面、流程图画面、趋势组画面、单元趋势画面、控制组画面、细目画面、报警灯屏画面和单元报警画面组成。他们的结构关系如图7所示。

以上所述九个画面可以通过仿真键盘按键和鼠标点击(或者触摸屏)来进行切换，其中系统菜单画面可以切换到其他八个画面中任意画面，而其他画面的切换关系如图8所示。

4)故障诊断软件

故障诊断软件是前面所述的，应用基于SDG的多种故障诊断方法开发的异常工况管理系统，它通过数据中心接收虚拟工厂数据，实时判断装置是否正常，一旦装置出现异常，会自动推理故障原因和故障传播路径。

5)安全评价软件

安全评价软件是依托国家“863”高科技研究项目“大型石化生产过程安全评估(2003AA412310)”所开发的HAZOP(Hazard and Operability Study，危险与可操作性分析)自动分析软件系统。用于接收故障诊断软件的推理结果，并验证推理结果的正确性。

V&V试验系统实物见图9。

2、工作系统原理

本发明中的V&V试验系统工作原理见图10。

用虚拟工厂模拟实际生产装置，用仿DCS模拟实际DCS，用操作回路操作站的方法，改变虚拟工厂中参数的数据，模拟干扰，用故障诊断软件诊断故障原因和传播路径，用安全评价软件校验和验证故障诊断结果的准确性，从而实现验证故障诊断软件中模型的正确性。

SDG故障诊断所用模型与SDG HAZOP分析所用模型本质上是一致的，只是二者推理方向不同，故可采用SDG-HAZOP平台对SDG故障诊断模型进行检验。由于SDG模型所能表达的潜在“危险剧情”可能是天文数字，靠人工检查是有限的，不完备的，甚至是无能为力的。特别是在复杂SDG模型的检查中，人工检查会出现大量失误。因此，采用计算机超高速推理的SDG-HAZOP平台，是实施SDG模型检验的理想手段。运用SDG-HAZOP平台检验SDG模型，实质上是检验SDG模型能否产生设计者预想的诊断结果。而SDG-HAZOP在判断危险传播路径时，不考虑偏离是否超越阈值，而是只要出现偏离就判断是否继续传播，因此可以探索到所有潜在的、可能的“相容通路”。这种推理机制能够保证检查的完备性。

如图10所示，该系统具体的实施方法是将所研究的SDG定性定量复杂故障诊断方法包括算法和模型输入定性和定量V&V试验系统中的在线实时故障诊断系统原型中。为了原型成果向工业系统复制，原型可以与工业DCS直接通信。V&V试验系统与SDG-HAZOP平台互联能够完成SDG模型和故障诊断算法的定性试验。如果不能通过定性试验，则重新研究或修改原模型和算法直到通过定性V&V。

Claims (9)

1.一种石化过程异常工况诊断测试系统，采用分布式结构，由多台工业控制计算机、高性能PC机和高性能服务器组成千兆局域网，其特征在于，该系统包括虚拟工厂、数据交换中心、仿DCS控制系统、回路操作站、故障诊断软件和安全评价推理功能模块，采用过程仿真软件PSSP或HYSYS对实际生产装置进行实际工艺运行状况的全程模拟，构建虚拟工厂；通过实时数据中心采集来自PSSP或HYSYS的实时数据加以处理，并以可以识别的数据形式传输到故障诊断系统中；通过仿DCS控制系统模拟实际生产装置的DCS集散控制系统，并对虚拟工厂进行操作，能在仿DCS控制系统上观察分析参数的历史趋势、参数的报警记录；通过SDG推理引擎实时诊断工艺的异常，定位异常原因，显示异常传播途径。

2.如权利要求1所述的石化过程异常工况诊断测试系统，其特征在于，所述过程仿真软件运行于仿真服务器，通过高速网络与系统内的其他部分连接，将时间变量引入测试系统，使测试系统内部的性质随时间而变，并将稳态系统、控制理论、动态化工及热力学模型的动态数据处理有机地结合起来，通过求解常微分方程组来进行动态模拟；所述仿真服务器是内置四个CPU的高性能服务器，能够进行大规模的工艺对象的数学模型运算，产生与实际的工艺过程相同或相近的过程数据。

3.如权利要求2所述的石化过程异常工况诊断测试系统，其特征在于，所述过程仿真软件通过WINDOWS的OLE技术和其他软件镶嵌，形成功能强大集成式工程环境，OLE用户在其基础上能开发自己的单元操作或扩展所需的功能。

4.如权利要求1所述的石化过程异常工况诊断测试系统，其特征在于，所述数据交换中心采用功能强大的实时数据库，是与过程仿真软件中的工艺参数进行实时数据交换的一个数据缓存软件，能够直接读写过程仿真软件中定义的变量。

5.如权利要求1所述的石化过程异常工况诊断测试系统，其特征在于，所述回路操作站用于模拟实际生产装置的可观仪表、可观可控仪表、现场手操阀门或开关量仪表；模拟仪表的部分由液晶显示、按钮和触摸按键以及驱动它们的相关电子线路板和负责与通讯接口通讯的驱动程序组成，显示相应的过程仿真软件中仪表的当前值，通过改变按钮的开关状态或者操作触摸按键组中的增加或减少键来改变过程仿真软件中相应仪表的当前值，从而拉偏当前运行案例的工艺状态。

6.如权利要求5所述的石化过程异常工况诊断测试系统，其特征在于，所述模拟仪表的部分分为模拟量模拟部分和开关量模拟部分；

所述模拟量模拟部分由50×54的液晶以及驱动液晶的电子线路板、改变模拟量值的增加、快增、减少、快减的4个触摸按键组成的触摸按键组、以及负责按键组和液晶与驱动程序通讯的电子线路板组成，电子线路板上装有定义该模拟量模拟部分地址的5位拨码开关、负责与驱动程序通讯的通讯接口、电源部分；

所述开关量模拟部分由50×54的液晶以及驱动液晶的电子线路板、改变开关量状态的按钮以及负责按钮和液晶与驱动程序通讯的电子线路板组成，电子线路板上装有定义该开关量模拟部分地址的5位拨码开关、负责与驱动程序通讯的通讯接口、电源部分。

7.如权利要求1所述的石化过程异常工况诊断测试系统，其特征在于，所述仿DCS控制系统由仪表组成、流程图组态、画面组态、仿真键盘和仿DCS操作软件组成。

8.如权利要求7所述的石化过程异常工况诊断测试系统，其特征在于，所述仪表组态的软件包括指示类仪表、手操器仪表、两位开关类仪表、PID控制仪表，其中，指示类仪表代表需要监视的工艺变量；手操类仪表代表实际生产装置的现场阀门，用其开关以及开大开小，来拉偏HYSYS工艺过程，制造事故；两位开关类仪表用于代表实际生产装置的开关变量；PID控制仪表代表实际装置上的可控可观仪表，用于调整工艺过程，使工艺过程从一个状态过渡到另一个状态。

9.如权利要求1所述的石化过程异常工况诊断测试系统，其特征在于，所述故障诊断软件是应用基于SDG推理引擎的多种故障诊断软件开发的异常工况管理系统，通过数据交换中心接收虚拟工厂的数据，实时判断实际生产装置是否正常，一旦实际生产装置出现异常，会自动推理故障原因和故障传播路径。

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