石化过程异常工况诊断测试系统的制作方法.docx

石化过程异常工况诊断测试系统的制作方法专利名称：石化过程异常工况诊断测试系统的制作方法技术领域：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 禾口 Texaco、两个著名软件公司 Gensym 与 ATR 禾口 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 (FCXU)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。

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例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50X54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。