1计算机集成监控系统的设计及工业应用

计算机集成监控系统的设计

计算机集成监控系统的设计及工业应用

吴雪峰 栾振华 梁 军

(浙江大学信息学院控制系，浙江省杭州市，邮编310027)

摘 要：以Unipol工艺流化床聚乙烯生产装置为应用背景，研究了计算机集成监控系统构架和系统设计问题。首先，分析了聚乙烯生产装置计算机集成控制系统的主要技术内容；其次，给出了系统的总体结构；然后，进行了实时数据库和界面接口的设计，并充分考虑控制系统的可扩展性；最后，给出了实时数据库实现中的相关各技术方面。系统已经成功应用于工业现场。

关键词：聚乙烯; 计算机控制；实时数据库; 数据接口技术; OPC;

中图分类号：TP273,TP18 文献标识码：A 文章编号：

Design and industrial application of integrated computer

control and monitoring system

WU Xuefeng LUAN Zhenhua LIANG Jun

(Department of Control Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027)

Abstract：Under the background of the Unipol polyethylene reactor, this paper studies the framework and implementation of computer integrated control system for the process equipment. First, the functions of computer integrated control system for propylene polymerization process are analysed. Then the total system framework and software structure of computer control system are designed based on the full consideration of extension of the developed system. Finally, the detail design of real-time database, user interface and data interchange are discussed. The system developed in this paper had been used in an industrial propylene device.

Key words：polyethylene; computer integrated control system; real-time database; data interchange and interface; OPC

0 引言

现代工业生产日益朝着大型化、复杂化方向发展，常规的DCS控制系统越来越凸现其局限性，以先进控制、操作优化、故障诊断等为代表的高级生产监控方法很难通过DCS进行实施。因此，在DCS基础上进行计算机集成监控系统的再设计及其工业现场实施成为近十年来工业企业尤其是石油化工企业生产装置改造的重要工作[1][2]。

在生产装置中通过计算机集成监控系统完成过程模型计算、复杂控制算法运行、操作指导和生产监控功能能显著提高装置的安全性和操作效率。文[1]以环管聚丙烯生产装置为应用背景，研究了计算机集成控制系统构架和系统设计问题，给出了系统的总体结构，进行了实时数据库和界面接口的设计，并充分考虑控制系统的可扩展性。文[2]从工艺机理出发，建立了芳烃歧化反应过程宏观反应热软测量模型和反应一分馏系统状态空间模型，应用预测控制策略，建立了先进控制系统，使装置运行平稳性得到了改善。文[3]针对中药生产过程基金项目：教育部博士点基金（20050335018）；国家自然科学基金（60574047）；国家863计划（2007AA04Z168） 作者简介：吴雪峰（1984—），男，在读硕士研究生

通信联系人：梁军，教授，博士生导师，E-mail：jliang@

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提出了一种鲁棒性强、易于实施的迭代学习控制算法，自动控制提取工段中每个设备的动作并检测其状态，使控制输出按预定达到最优值，取得理想的控制精度，提高了提取率，稳定了产品质量。文[4]介绍了某企业延迟焦化装置先进控制器的控制策略、控制器主要模型的选取思路、主要变量的选取，以及先进控制系统的运行效果。实际生产运行结果证明，控制器性能良好，完全达到了预期的增强装置的抗干扰能力、提高目的产品收率和降低能耗的控制目标。借鉴这些研究经验，本文结合某厂140kt/a聚乙烯生产装置的计算机控制系统改造项目，研究开发了一套计算机集成监控系统，给出了系统的总体构架设计，讨论了过程的实时监控、系统数据交换与接口设计以及实时数据库构造等实施内容。该系统已经在生产现场成功投运和应用。

1 Unipol气相流化床聚乙烯工艺流程

国内某企业聚乙烯生产过程采用Unipol气相流化床聚合工艺，利用流化床的良好混合特性，高效催化剂干粉经过计量后连续喷入床内，进行乙烯的非均相（共）聚合，聚合物产品通过出料装置批量放出，以保持流化床高度恒定。含有单体、共聚单体以及其他组分的循环气体首先进入反应器底部的混合室，经预混合后再通过特殊设计的气体分布板进入流化床层。聚合物/催化剂粉体一边悬浮流化，进行聚合反应（单程转化率为1－2％），一边将聚合热传递给流化气体并带出反应器。离开反应器的较高温度气体经过压缩、热交换和补充原

料后以较低的温度重新循环进入反应器。工艺流程如图1所示。

图1 气相流化床聚乙烯工艺流程

Fig.1 An industrial gas-phase polyethylene FBR reactor

2 计算机集成监控系统总体结构设计

系统采用四层体系结构，最底层为常规控制层，使用美国Honeywell公司的TDC3000 DCS实现。第二层是数据层，现场采集的数据、DCS系统以及工艺计算和控制的数据写入挂接在这一层的实时数据库。实时数据库系统使用OSI公司的PI数据库，实时数据库是整个体系结构的核心，通过它实现全系统的数据交换。第三层是工艺计算与控制层，以聚乙烯流化床气相聚合反应过程为核心，实现了各类工艺计算、产率计算与催化剂进料计算、配方管理与配方切换、树脂性质预测与更新计算。第四层是用户界面层，提供反映生产现场的实时信

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息，客户计算机可通过网络直接使用系统。同时提供丰富的数据访问工具，如实时动态流程

画面、实时曲线、历史曲线和数据查询、统计、分析等。总体结构如图2

所示。

图2 聚乙烯装置计算机集成监控系统总体结构

Fig.2 Structure design of computer control system for PE polymerization process

基于图2结构，该计算机监控系统实现了如下功能：露点温度计算、产率计算、流量补偿计算、树脂性质的预测计算、配方管理与配方切换、硅胶活化控制、反应物浓度比计算、循环气中反应物的分压计算，等等，目的是通过精确的树脂性质预测和计算来提高树脂的质量，从而减少树脂次品；计算一批重要工艺参数用于在线的操作指导；提高生产装置的整体操作水平和生产效率；大大降低操作过程中的盲目性，减少误操作，降低事故发生率。 3系统硬件与软件配置

如图2所示的系统设备通过Internet网络连结，与DCS进行数据交互的数据接口设备通过DCS数据电缆与DCS系统连结。根据不同类型的DCS系统，该设备可以有不同选型。有些类型的DCS，该设备是直接集成在DCS的工程师站中，而另外一些类型的DCS，该设备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类型的不同选用该设备。作为整个系统的核心，系统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。在线分析系统实际上作为监控工作站，系统中所有人－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，监控工作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。

为实现监控功能，在不同的设备中按需求设置了相关的系统软件和应用软件，其中，系统软件全部采用Windows 2000或XP，以便维护。与DCS的数据接口设备中配置OPC Server作为应用软件，其获得取决于采用何种DCS。系统服务器中配置各类自主开发的工艺计算控制软件包和实时数据库，监控工作站中配置自主开发的或商品化的界面操作软件。 4 实时数据库应用

本系统中，采用美国OSI公司开发的基于C/S、B/S结构的PI实时数据库系统（Plant

Information System）作为底层控制网络与上层管理信息系统连接的桥梁[5]。PI在工厂信息集成中扮演着特殊和重要的角色。它适用于电力、石油、化工、冶金、造纸、制药、水处理、食品饮料、通讯等各种行业，广泛应用于企业的生产过程优化、生产过程数据的自动采集、存贮、监视[6]。作为大型实时数据库和历史数据库，在线存贮每个工艺过程点的多年数据，提供清晰、精确的操作画面，监控当前的生产工艺过程，追溯和分析过去的生产工艺过程。

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PI实时数据库是一个模块化软件系统，主要分为客户端模块和服务器端模块。

4.1 实时数据库的设计与应用

4.1.1 实时数据库点的建立与配置

实时数据库系统中由于数据量巨大，数据源的数据必须通过严格的数据处理程序才能进入Snapshot和历史库。

图3 PI数据库的数据处理过程

Fig.3 data processing procedure of PI

如图3所示，来自DCS、PLC的数据先要经过PI NET或API节点中的接口程序进行异常报告（Exception Reporting），只有当数据变化程度超过节点预先设定好的异常偏差时，该数据才会被认为是值得收集的而被传送，有些数据可能还要经过一个优先排序过滤器进行过滤筛选。这样既能大大减少实时事件传输时的网络流量，又可减轻系统处理事件的负担。然后数据会流向两个方向，其一是作为最新事件以快照形式保存在主存中，以便用户能够快捷地访问和处理近期事件；另一个流向是存储归档，在归档之前事件要经过压缩，压缩要进行压缩处理。只有通过压缩处理(双旋转门)的数据才能进入历史库。

4.1.2 PI实时数据库中点的属性

PI系统的大多数据来自系统接口的数据采集，其他数据一般都来自实验室或其他应用程序。每个点都有大约50个属性，这些属性规定了该怎样采集和存储该点的数据。对这些属性合理配置，使其既能保证数据存储的有效性又能保证快速检索数据是设计PI系统的关键。点及其属性由PI子系统存储在点数据库中。

4.1.3 PI实时数据库点的建立

实时数据库提供了将实时数据库中的点导入和导出的工具，在建点时，可根据不同需要选择不同建点工具。PI数据库提供了PI PointBuilder和PI-SMT两种建点工具，前者只能逐个建点，后者主要是通过Excel加载宏来实现，在Excel中嵌入PI-SMT软件能够将Excel中的点配置文件导入数据库或者将数据库中的文件导出到Excel。通过PI-SMT依次将模拟量、开关量、计算量导入数据库。

4.2 组态界面开发

完善的实时数据库系统应具有丰富的客户端应用，其中最重要的应用客户端就是图形化的组态工具界面。

PI提供了组态界面编辑软件PI-ProcessBook。PI-ProcessBook 是PI实时数据库系统在客户端部分的一个应用软件，它在PC机上组态工艺流程画面、显示实时和历史生产数据。利用PI-ProcessBook可以以装置为单位来组织各种工艺流程画面。在PI-ProcessBook中可以显示各种工艺流程画面的静态和动态信息，在一台PC机上组态的画面可以拷贝到其它PC机上使用，能够避免重复组态工作。在PI-ProcessBook中可以利用Visual Basic for Applications开发自己有特殊需求的应用。 在参照工艺流程的基础上，本系统开发普通过程组态界面，描述了全部过程的设备运行状况，用于对设备运行状况进行实时监控；开发关键过程监控界面，对等重点过程进行了详细描述，展示了实时数据和关键性的计算数据，用于对产品质量等过程进行实时监控；开发计算结果展示界面，用于技术人员详细的研究当前的产品；开发了实验值输入界面，用于实验室人员输入实验室检测数据，通过与计算值的比较，得到实验值与计算值的比较图，可以

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纠正计算值误差或者实验值失误。图4为一个在ProcessBook中开发的界面监控图。

图4 PI-ProcessBook开发的界面图

Fig.4 development interface of PI-ProcessBook

4.3实时数据库的数据接口

如图5所示，工业过程的数据经过测量仪表，传递给DCS或者PLC或者FCS系统。DCS、PLC、FCS系统直接连接实时数据库Server，或者通过接口机连接到实时数据库Server，将数据传递到实时数据库Server存储和处理。管理软件、应用程序、实时数据库Client从Server检索数据，利用数据进行计算和分析后将数据写回Server，完成数据交换。可以发现，实时数据库的接口包括Server与DCS等控制系统的接口，Client与Server的接口，应用程序与Server的接口，管理软件与Server的接口等多个方面。

图5 实时数据库的数据流图 Fig.5 data flow chart in database

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5 结论

在聚乙烯生产装置中采用本系统，可提高工艺控制水平，提高树脂的质量，减少树脂次品；实现数据共享，与其它相关数据应用系统进行数据连接；生产调度人员能够对影响原材料用量的过程以及对水、电、汽、风等用量的监测和分析，及时发现问题，提醒相关岗位进行调整，平衡物料供应，减少装置的能耗和物耗，提高经济效益。本文集成多个领域的技术研究、开发并实现了聚乙烯装置计算机集成监控系统，提高了装置的自动化水平。本系统已经成功应用于某石化公司生产现场。图6是其中的主操作界面。

图6 系统主界面

Fig.6 System home page

[参考文献] (References)

[1] 王昕，王文庆，荚亮，等. Spheripol聚丙烯装置的计算机集控系统设计与实现[J]. 浙江大学学报（工学版），2007，41（8）：1255-1259,1340

WANG Xin, WANG Wenqing, JIA Liang, et al. Design and development of computer integrated control system for Spheripol propylene polymerization unit[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2007, 41(8): 1255-1259,1340

[2] 施大鹏，于波，黄德先，等. 芳烃歧化装置先进控制系统的设计[J]. 炼油技术与工程，2007，37（7）：29－32

SHI Dapeng, YU Bo, HUANG Dexian, et al. Design of advanced process control system for aromatics disproportionation unit[J]. Petroleum Refinery Engineering, 2007,37(7):29-32

[3] 黄挚雄，罗安，黎群辉. 迭代学习控制算法在中药生产过程提取工段的应用[J]. 仪器仪表学报，2007，28（8）：1434－1439

HUANG Zhixiong, LUO An, LI Qunhui. Applications of iterative learning control algorithm in extracting procedure of Chinese traditional medicine production[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2007,28(8):1434-1439

[4] 刘立忠，曾蓟. 先进控制系统在焦化装置的应用[J]. 炼油技术与工程，2006，36（9）：53－57 LIU Lizhong, ZENG Ji. Application of advanced process control in delayed coking unit[J]. 2006,36(9):53-57

[5] 匡杨. PI实时数据库系统的结构、管理及其应用[J]. 石化技术, 2003, 10:35-38

计算机集成监控系统的设计

KUANG Yang. Structure of PI real-time database system and its application[J]. Petrochemical Tech. 2003, 10:35-38

[6].王树青等. 先进控制技术及应用[M]. 北京:化学工业出版社，2001

Wang Shuqing, ea al. Advanced Control Tech and its application[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2001

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xwh4.html