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(xiǎn)性問題，通過模擬實(shí)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(jì)了不同的化工單元仿真，提供了儀表計(jì)算、趨勢記錄、報(bào)警提示、故障模擬、考核評價和獨(dú)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(rèn)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(shí)例驗(yàn)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(shí)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(jì)、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(xì)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(diǎn)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(jì)和開發(fā)?；み^程仿真系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在經(jīng)濟(jì)上，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)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(fèi)大量的資本，進(jìn)行化工實(shí)驗(yàn)；在環(huán)境保護(hù)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(dá)，輸入流變量和輸出流變量是物料流在流動過程引起的實(shí)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(jì)算模塊計(jì)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(shí)踐，設(shè)計(jì)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(bào)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(shí)際現(xiàn)場設(shè)備的驅(qū)動，以及OPC設(shè)備驅(qū)動。化工仿真單元設(shè)備是由系統(tǒng)根據(jù)化工生產(chǎn)中實(shí)際的設(shè)備、裝置等進(jìn)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(jì)算

SolSimul系統(tǒng)的儀表層包括各類由系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的常用指示、控制儀表和完成各種計(jì)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(jì)算和控制輸出，實(shí)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(jì)算、算術(shù)計(jì)算、流量計(jì)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(xiàng)目中包含的項(xiàng)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(yùn)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(shí)驗(yàn)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(bào)警畫面主要是對錯誤操作或者不按正確步驟操作的報(bào)警提示。

2.6報(bào)警提示

SolSimul系統(tǒng)中根據(jù)對設(shè)備進(jìn)行操作造成儀表值超限引起的報(bào)警。報(bào)警級別分為普通報(bào)警和緊急報(bào)警。儀表值設(shè)有高報(bào)值，高高報(bào)值，低報(bào)值，低低報(bào)值。在儀表值處于報(bào)警高報(bào)或低報(bào)時就會觸發(fā)普通報(bào)警，當(dāng)儀表值處于高高報(bào)或者低低報(bào)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(jìn)行故障設(shè)定，如設(shè)定儀表的高報(bào)值、高高報(bào)值，低報(bào)值和低低報(bào)值。臨時故障設(shè)定是對設(shè)備進(jìn)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(shí)驗(yàn)成績，主要有步驟分，操作質(zhì)量分，報(bào)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(jìn)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(bào)警分是由于操作失誤引起參數(shù)值超限，則扣除分?jǐn)?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(shí)驗(yàn)說明和考核成績可以指導(dǎo)操作員進(jìn)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(xiàn)

[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(jì)算機(jī)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(jì)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(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1674-6708（2016）155-0099-02