化工單元仿真及化工過程仿真系統(tǒng)

史文濤沈陽化工大學(xué)，遼寧沈陽　110142

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化工單元仿真及化工過程仿真系統(tǒng)

史文濤
沈陽化工大學(xué)，遼寧沈陽110142

摘要化工過程仿真系統(tǒng)解決了化工生產(chǎn)過程中存在著的高度復(fù)雜性和危險性問題，通過模擬實際化工生產(chǎn)的工況提高了操作人員的操作水平和處理突發(fā)狀況的能力。系統(tǒng)設(shè)計了不同的化工單元仿真，提供了儀表計算、趨勢記錄、報警提示、故障模擬、考核評價和獨特流程控制過程等圖形化功能，提高了可操作性和交互性，使操作人員能夠更直觀的認識和掌握操作過程。在化工過程仿真系統(tǒng)中建立換熱器單元的傳熱實例驗證化工單元仿真及化工過程仿真系統(tǒng)的高效性。

關(guān)鍵詞化工過程仿真；仿真軟件；化工生產(chǎn)

化工過程仿真系統(tǒng)從實際使用來看，主要有兩大類，一類用于工業(yè)上化工過程的開發(fā)和設(shè)計、具體工藝的研究和選擇、以及用來測試過程控制儀表的復(fù)雜控制系統(tǒng)的精細化仿真，另一類是用于培訓(xùn)各類操作人員，提高他們各自技能的教學(xué)仿真開發(fā)[1]。本文重點討論后者，包括化工單元仿真和化工過程仿真系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。化工過程仿真系統(tǒng)的優(yōu)點在經(jīng)濟上，使用計算機進行化工仿真，只要具備知識和能力，就能開發(fā)出來，不用耗費大量的資本，進行化工實驗；在環(huán)境保護上，避免了化工過程中有毒物質(zhì)對環(huán)境的污染和對人體的損害；在人力上，減少了工人或?qū)W生搭建化工過程模型，只需相應(yīng)專家使用電腦開發(fā)化工過程仿真系統(tǒng)，就可以很好的培訓(xùn)和指導(dǎo)工人或?qū)W生[2]。

1　化工單元仿真

1.1化工單元設(shè)備仿真模型

化工單元是化學(xué)工藝流程仿真模擬的最小單元，將其抽象封裝成一個基本化工模塊。在化工生產(chǎn)工藝流程中，物料流流經(jīng)的單元設(shè)備時，將設(shè)備當(dāng)做一個過程模型，其中涉及到設(shè)備屬性，物性數(shù)據(jù)，輸入流變量，輸出流變量。設(shè)備屬性是設(shè)備的基本特征屬性，物性數(shù)據(jù)是流的表達，輸入流變量和輸出流變量是物料流在流動過程引起的實時變化數(shù)據(jù)。

1.2化工單元設(shè)備仿真的特性

1）通信特性：物料經(jīng)過某個單元設(shè)備或者儀表的時候，產(chǎn)生了電子信號，通過通信通道這些信號傳遞給端子，形成輸出輸入信號。在信號傳遞過程中有3種傳遞方式：緩沖，同步，異步。

2）屬性特性：每個單元設(shè)備、儀表或者物料流都有自己的屬性。

3）物化特性：物料經(jīng)過單元設(shè)備會發(fā)生物理或者化學(xué)的變化，這些變化使單元設(shè)備、儀表或物料流的某些屬性發(fā)生了變化，同時通過相應(yīng)計算模塊計算出變化的屬性的值。

4）功能特性：單元設(shè)備的功能以及相關(guān)屬性的表示的意義。每一個單元設(shè)備都有不同的功能特性，使用條件等等。

2　化工過程仿真系統(tǒng)

在化工過程研究分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合多個化工過程的實踐，設(shè)計開發(fā)了一套化工過程仿真系統(tǒng)SolSimul。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SolSimul系統(tǒng)主要分為現(xiàn)場站和操作站?，F(xiàn)場站主要是用來采集設(shè)備數(shù)據(jù)。操作站是用來顯示和操作對應(yīng)的現(xiàn)場設(shè)備，見圖1。物理層主要是設(shè)備的底層驅(qū)動，通道層有IO設(shè)備接口和端子，用來傳遞信號，儀表層主要是儀表和處理模塊，在這里顯示端子從底層獲取的信號數(shù)據(jù)，界面層主要有流程圖畫面，控制組畫面，趨勢圖畫面，總貌畫面，報警畫面。

2.2物理設(shè)備

SolSimul系統(tǒng)的物理層包括化工仿真單元設(shè)備（IO驅(qū)動）、各類通信驅(qū)動、用于可以鏈接實際現(xiàn)場設(shè)備的驅(qū)動，以及OPC設(shè)備驅(qū)動?；し抡鎲卧O(shè)備是由系統(tǒng)根據(jù)化工生產(chǎn)中實際的設(shè)備、裝置等進行仿真，這些單元設(shè)備又被稱為軟設(shè)備。主要包括各類閥，泵，管道，罐，換熱器，蒸發(fā)器，分離器，精餾塔等。

2.3數(shù)據(jù)通道

SolSimul系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信主要通過IO設(shè)備接口和端子。IO設(shè)備接口是從物理層設(shè)備定期收集數(shù)據(jù)或?qū)崟r響應(yīng)物理事件并將數(shù)據(jù)傳遞通過端子提交給上層儀表，或通過端子接收上層儀表輸出數(shù)據(jù)傳遞給相關(guān)的物理設(shè)備。端子主要起到信號轉(zhuǎn)化和隔離作用，也便于系統(tǒng)組態(tài)，其的讀寫方式有緩沖，同步，異步。

2.4儀表計算

SolSimul系統(tǒng)的儀表層包括各類由系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的常用指示、控制儀表和完成各種計算功能的模塊，這些儀表和模塊又稱軟儀表。在軟設(shè)備組成的化工過程仿真流程基礎(chǔ)上，SolSimul系統(tǒng)通過軟儀表的檢測、計算和控制輸出，實現(xiàn)化工過程仿真。軟儀表包括各類模擬量指示、PID控制、開關(guān)量、邏輯計算、算術(shù)計算、流量計數(shù)器、脈沖以及用戶自定義儀表等。

2.5用戶界面

SolSimul系統(tǒng)中總貌畫面主要是用來顯示和操作流程項目中包含的項目名稱，控制組，趨勢圖，需要操作的儀表和開關(guān)等，便于整體工況監(jiān)控及快速頁面切換?？刂平M畫面主要是用來監(jiān)視、控制一組相關(guān)工位儀表的運行狀態(tài)等。趨勢圖畫面是用來顯示各化工過程參數(shù)數(shù)據(jù)隨時間變化的曲線，生動形象的向用戶直觀展示。流程圖畫面顯示了實驗中化工工藝流程圖包括現(xiàn)場圖和DCS圖，主要操作有設(shè)置設(shè)備屬性值，改變屬性參數(shù)。報警畫面主要是對錯誤操作或者不按正確步驟操作的報警提示。

2.6報警提示

SolSimul系統(tǒng)中根據(jù)對設(shè)備進行操作造成儀表值超限引起的報警。報警級別分為普通報警和緊急報警。儀表值設(shè)有高報值，高高報值，低報值，低低報值。在儀表值處于報警高報或低報時就會觸發(fā)普通報警，當(dāng)儀表值處于高高報或者低低報時就屬于緊急情況，設(shè)備已經(jīng)處于高危情況，十分緊急。

2.7故障設(shè)置

SolSimul系統(tǒng)中化工故障主要分為兩種：臨時故障設(shè)定和通用故障設(shè)定。通用故障的設(shè)定是對所有仿真裝置的任意操作和顯示進行故障設(shè)定，如設(shè)定儀表的高報值、高高報值，低報值和低低報值。臨時故障設(shè)定是對設(shè)備進行突然變化導(dǎo)致的故障，訓(xùn)練用戶的緊急情況的處理能力。

2.8考核評價

SolSimul系統(tǒng)中考核評價是系統(tǒng)可以自動評價用戶仿真實驗成績，主要有步驟分，操作質(zhì)量分，報警分。步驟分是根據(jù)操作指導(dǎo)設(shè)定，是否根據(jù)步驟的順序進行操作的。操作質(zhì)量分是操作指導(dǎo)的參數(shù)值是否與用戶操作一致，相差多少。報警分是由于操作失誤引起參數(shù)值超限，則扣除分數(shù)。

3　結(jié)論

化工過程仿真系統(tǒng)解決了化工生產(chǎn)過程中的復(fù)雜性，讓操作員安全的操作和了解到各種工況下的正確操作，提高了操作員的操作水平和處理特殊狀況的能力，具體的實驗說明和考核成績可以指導(dǎo)操作員進行操作，了解操作的正確性。SolSimul系統(tǒng)提供了多種通用單元設(shè)備模型，用來組態(tài)工藝流程圖，也可以自主開發(fā)特殊的設(shè)備模型，簡單的操作界面和多方面的顯示界面，提高了操作性和交互性。

參考文獻

[1]楊霞，呂瑋，王朋輝，等.基于Aspen Dynamics氯乙烯精餾過程的動態(tài)模擬及應(yīng)用[J].計算機與應(yīng)用化學(xué)，2015 （9）.

[2]王雙劍.化工系統(tǒng)圖形化建模仿真平臺的設(shè)計與開發(fā)[D].北京：北京化工大學(xué)，2012.

[3]Tan Minggao，Yuan Shouqi，Liu Houlin， et al. Numerical Research on Performance Prediction for Centrifugal Pumps[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2010，23（1）：21-26.

[4]Zhang Zheming，Zhou Ling，Agarwal Ramesh. Transient Simulations of Spouted Fluidized Bed for Coal-direct Chemical Looping Combustion[J]. Energy&fuels， 2014，28：1548-1560.

中圖分類號TP399

文獻標(biāo)識碼A

文章編號1674-6708（2016）155-0099-02