丁園，徐啟，計龍龍，易輝，俞輝，薄翠梅

（南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京 211816）

0 引言

當今世界信息通信技術(shù)與制造技術(shù)、新能源技術(shù)等交叉融合［1-2］，制造業(yè)作為創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的主戰(zhàn)場，發(fā)展智能制造是扭轉(zhuǎn)制造業(yè)低質(zhì)低效的關(guān)鍵所在［3］，流程工業(yè)智能制造在其中具有極其重要的地位［4-5］。目前處于不同發(fā)展階段的化工企業(yè)欠缺熟悉危險化工生產(chǎn)工藝的自動化類工程技術(shù)和研發(fā)人員。典型的化工生產(chǎn)過程多涉及高危險、高消耗等安全問題，一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸、毒氣泄漏等重大事故，將造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。

在傳統(tǒng)工業(yè)自動化專業(yè)高等教育中，過程控制工程作為其核心專業(yè)課程，內(nèi)容包含大量典型化工生產(chǎn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計等工程專業(yè)知識、工程實踐和實驗創(chuàng)新等內(nèi)容［6］。由于化工生產(chǎn)場所大都涉及高?；驑O端環(huán)境，出于安全和環(huán)境的限制，目前國內(nèi)部分高?，F(xiàn)有的物理實驗環(huán)境相對單一，控制方案多為PID 控制、串級控制、比值控制等，較少涉及復(fù)雜多變量系統(tǒng)，學(xué)生難以體會典型化工反應(yīng)與精餾分離過程的強非線性、強耦合、大時滯等復(fù)雜動態(tài)特性，也無法實質(zhì)性地進行控制系統(tǒng)工程設(shè)計和多回路PID 控制器參數(shù)整定，難以真正開展綜合性、設(shè)計性、自主創(chuàng)新性實驗。在生產(chǎn)實踐環(huán)節(jié)，由于化工生產(chǎn)的高危性、高成本與安全性，不允許學(xué)生親自動手操作DCS 控制系統(tǒng)，實習(xí)停留在只看不動的感性認識學(xué)習(xí)上，嚴重制約了學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)，很難培養(yǎng)出具有化工過程智能化特色的自動化專業(yè)工程創(chuàng)新類人才。

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)逐步應(yīng)用于教育教學(xué)實踐［7］，近年來許多高校建立了國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，將物理被控對象通過虛擬仿真技術(shù)進行虛擬化，以共享方式大大提升實驗教學(xué)與實踐資源，為學(xué)生提供開放式、創(chuàng)新性的實踐教學(xué)環(huán)境［8］。目前，國內(nèi)高校多采用基于Simulink［9］、LabVIEW［10］、力控［11］、WINCC［12］等軟件，開發(fā)了面向不同對象的虛擬過程控制仿真系統(tǒng)。陸文捷等［13］將數(shù)值仿真軟件Matlab 與虛擬現(xiàn)實場景設(shè)計軟件Unity3D結(jié)合開發(fā)了由界面層、數(shù)據(jù)層及模型層構(gòu)成的三維虛擬重介質(zhì)選煤過程控制仿真平臺，實現(xiàn)工業(yè)過程的三維實時動態(tài)仿真［14-15］。胡春鶴等［16］借助于虛擬化工廠Factory I／O 軟件平臺提供的多種虛擬工廠組件，搭建過程控制交互式虛擬實驗系統(tǒng)與評價體系。

針對目前反應(yīng)精餾過程控制系統(tǒng)實驗存在的做不出、想不出、設(shè)不出、培不出等問題，本文基于嚴格的反應(yīng)精餾過程動力學(xué)模型和工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，采用數(shù)字孿生技術(shù)針對A+B→C 理想物系和醋酸甲酯水解反應(yīng)精餾生產(chǎn)對象，模擬不同工藝條件下的生產(chǎn)場景，建立完備的復(fù)雜控制虛擬仿真系統(tǒng)，使高危險、不可及或不可逆的反應(yīng)精餾操作與控制實驗課程與自動化系統(tǒng)實習(xí)可在校內(nèi)安全地進行，既讓學(xué)生學(xué)到了實踐中應(yīng)該掌握的技術(shù)，又保護了實踐期間的人身安全。

1 反應(yīng)精餾過程控制虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)

反應(yīng)精餾生產(chǎn)工藝是典型的高溫高壓、易燃易爆化工過程，本文以此為對象，依照“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的原則，開發(fā)了反應(yīng)精餾過程控制虛擬仿真系統(tǒng)。堅持“以學(xué)生為中心、以能力達成為目標、培養(yǎng)學(xué)生大工程觀”的教學(xué)理念，真實模擬生產(chǎn)過程，利用數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)可視化工藝操作、儀表選型、控制設(shè)計、數(shù)據(jù)報表、自動評分、安全聯(lián)鎖等模塊化設(shè)計。

本虛擬仿真系統(tǒng)采用“模+感+控+智”多層次、多維度架構(gòu)。如圖1 所示，將反應(yīng)精餾化工危險工藝過程機理模型、五大傳感檢測儀表合理選型、復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計與整定、工業(yè)過程智能APP設(shè)計等專業(yè)內(nèi)容有機整合，達到從基礎(chǔ)理論到實際應(yīng)用高效結(jié)合，使學(xué)生的知識廣度和能力深度得到提高，塑造學(xué)生的工程設(shè)計能力。

圖1 虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 用戶界面

通過該界面與虛擬仿真系統(tǒng)進行交互，主要包括三維虛擬仿真模型和對應(yīng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。前者采用Unity3D創(chuàng)建系統(tǒng)控件和系統(tǒng)UI 界面，包含設(shè)備仿真模型、控制器、工廠模型、虛擬環(huán)境等，以網(wǎng)頁組件的形式通過工業(yè)操作系統(tǒng)嵌入本虛擬仿真系統(tǒng)，可以第一視角直觀了解生產(chǎn)工藝流程和運行狀態(tài)，具有很強的交互性。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫用于存儲三維虛擬仿真工藝模型的相關(guān)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建API接口供外部調(diào)用。

1.2 實驗?zāi)Ｐ湍K

包含模擬反應(yīng)精餾全過程的動態(tài)模型和實驗對象實例。通過分析反應(yīng)精餾工藝過程，動力學(xué)模型和精餾塔CESH模型，由Matlab 建立反應(yīng)精餾過程的數(shù)學(xué)模型；依據(jù)該數(shù)學(xué)模型，通過工業(yè)操作系統(tǒng)大數(shù)據(jù)模塊獲得全過程動態(tài)模型，其輸入從實驗對象實例的對象屬性中獲取數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)交互模塊

作為連接三維虛擬仿真模型和實驗?zāi)Ｐ湍K的橋梁，以三維虛擬仿真工藝模型控制器為例，其輸出結(jié)果通過數(shù)據(jù)交互模塊保存在實驗對象實例的對象屬性中，動態(tài)模型提取對象屬性中的閥門開度作為輸入，通過反應(yīng)精餾過程的數(shù)學(xué)模型進行周期性計算，將計算得到的溫度、流量再傳遞到實驗對象的對象屬性中，并通過授權(quán)指令中攜帶的接口參數(shù)將溫度、流量變化反向傳輸?shù)饺S虛擬仿真工藝模型。通過將動態(tài)模型孿生數(shù)據(jù)映射到三維虛擬仿真模型，實現(xiàn)三維虛擬可視化與動態(tài)模型的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。

2 反應(yīng)精餾過程控制虛擬仿真系統(tǒng)功能

反應(yīng)精餾過程控制虛擬仿真系統(tǒng)，基于嚴格的反應(yīng)精餾過程動力學(xué)模型和工業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)，將復(fù)雜動態(tài)控制、工業(yè)智能化與動態(tài)流程模擬相融合，采用數(shù)字孿生、互聯(lián)網(wǎng)+、智能制造領(lǐng)域多項新進技術(shù)，模擬不同工藝條件下的生產(chǎn)場景，分別由課前預(yù)習(xí)、簡單控制、復(fù)雜控制、性能評價4 個模塊組成，涵蓋了典型流程工業(yè)中反應(yīng)精餾過程模型、儀表選型、動態(tài)特性測試、PID控制器設(shè)計、參數(shù)整定、多回路控制系統(tǒng)、SIS 系統(tǒng)、Web管控系統(tǒng)設(shè)計等知識點，如圖2 所示。各環(huán)節(jié)之間層層遞進，推動學(xué)生在深度理解反應(yīng)精餾工藝基礎(chǔ)上，形成一種立體式多學(xué)科融合的化工自動化實踐教學(xué)，解決了針對危險工藝難以開展過程控制及其自動化綜合實踐教學(xué)。

圖2 虛擬仿真系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 反應(yīng)精餾過程機理模型

通過分析過程內(nèi)部機理，運用動量守恒、熱量守恒、質(zhì)量守恒及反應(yīng)動力學(xué)原理描述整個過程，建立過程的模型結(jié)構(gòu)和內(nèi)在聯(lián)系，利用數(shù)學(xué)和控制論原理求解得到過程模型的表達式。

2.2 反應(yīng)精餾過程儀器儀表選型

熟悉并掌握儀表本身和生產(chǎn)過程的流體特性知識，從性能要求、安裝要求、流體特性、環(huán)境區(qū)域和經(jīng)濟等方面來考慮反應(yīng)精餾過程儀器儀表的選型。

2.3 過程動態(tài)特性測試分析

根據(jù)反應(yīng)精餾過程中的化學(xué)與物理機理，基于物料平衡、能量平衡與過程動力學(xué)等方程，描述過程輸入與輸出之間的動態(tài)特性模型，并分析其穩(wěn)定性。

2.4 反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)

對反應(yīng)精餾過程中的溫度進行PID 控制設(shè)計，它適用于容量滯后大、負荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的場合，通過對溫度控制，盡快達到穩(wěn)定。

2.5 PID控制參數(shù)整定方法

反饋控制系統(tǒng)動態(tài)系統(tǒng)主要依賴于控制器參數(shù)整定，分別給出經(jīng)驗整定法、衰減比例法、臨界曲線法、響應(yīng)曲線法等PID控制器參數(shù)整定方法，科學(xué)、合理整定控制器比例、積分和微分3 大參數(shù)，提高系統(tǒng)動態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性，使系統(tǒng)達到控制指標要求。

2.6 多回路復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計與整定

反應(yīng)精餾過程具有多變量、非線性、大時滯等復(fù)雜特性，根據(jù)控制目標，進行被控變量、操作變量合理配對，設(shè)計多回路復(fù)雜控制系統(tǒng)，選擇控制器正反作用，通過過程特性測試計算獲取PID 控制器參數(shù)初始值，按照多回路優(yōu)先級分步驟整定多回路PID 參數(shù)，提高控制系統(tǒng)控制品質(zhì)，擴大反饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

2.7 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)SIS

安全聯(lián)鎖系統(tǒng)主要為反應(yīng)精餾過程中報警和聯(lián)鎖部分，對控制系統(tǒng)中檢測結(jié)果實施報警動作或調(diào)節(jié)或停機控制，是保證自動控制系統(tǒng)安全操作的重要環(huán)節(jié)。

2.8 互聯(lián)網(wǎng)＋智能管控系統(tǒng)

通過互聯(lián)網(wǎng)、OPC 通信實現(xiàn)底層Aspen Plus 流程模擬與上層自動控制、智能監(jiān)控聯(lián)動，在電腦等終端設(shè)備通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺完成對整個反應(yīng)精餾過程控制系統(tǒng)的性能評估、智能監(jiān)控、聯(lián)鎖報警和互動交流。

3 反應(yīng)精餾過程機理模型

3.1 理想物系反應(yīng)精餾過程模型

以反應(yīng)精餾生產(chǎn)過程為例，原料A和B進入反應(yīng)器中發(fā)生不可逆的放熱反應(yīng)，生成產(chǎn)物C，反應(yīng)器中的混合物送至精餾塔，塔頂采出A和B及少量C循環(huán)至反應(yīng)器，產(chǎn)物由塔釜采出，如圖3 所示。

圖3 反應(yīng)精餾過程工藝流程

該反應(yīng)器是帶夾套的冷卻CSTR，其中發(fā)生不可逆反應(yīng)

反應(yīng)速率

假設(shè)密度恒定，反應(yīng)器和夾套體積恒定。反應(yīng)器和夾套的動力學(xué)模型：

假定等摩爾流量，恒定的塔板滯留量和瞬時流體力學(xué)，精餾塔的動力學(xué)模型：

假定每個塔盤上的氣液相平衡，可根據(jù)已知的相對揮發(fā)度和液體成分計算蒸汽成分。相對波動率

式中：αA＝3；αB＝1.5；αC＝1；j＝A，B，C。

塔底和回流罐中的質(zhì)量和成分由以下方程式給出：

3.2 復(fù)雜控制系統(tǒng)方案

由反應(yīng)器和精餾塔組成反應(yīng)過程，該精餾塔將產(chǎn)物C與反應(yīng)器流出物中未反應(yīng)的A和B分離，將其循環(huán)回反應(yīng)器。先將A，B先加入反應(yīng)器中；然后將反應(yīng)器產(chǎn)物流入精餾塔中；塔頂流出D回流到反應(yīng)器，液位通過FA 進料補償流量控制，反應(yīng)器中涉及PID 控制為B濃度控制，反應(yīng)器B濃度由FB進料閥控制；反應(yīng)器的溫度控制是通過控制夾套內(nèi)冷卻液流量實現(xiàn)，被控變量是反應(yīng)器溫度，操縱變量是冷卻液流量，精餾塔塔釜產(chǎn)物P的C濃度控制，如圖4 所示。

圖4 反應(yīng)精餾過程復(fù)雜控制系統(tǒng)

4 反應(yīng)精餾過程實驗

本虛擬實驗為學(xué)生提供了苯胺加氫反應(yīng)簡單控制設(shè)計性實驗、A+B→C物系反應(yīng)精餾過程復(fù)雜控制綜合性實驗、醋酸甲酯反應(yīng)精餾過程控制自主創(chuàng)新實驗等，實現(xiàn)生產(chǎn)檢測與控制設(shè)備實景再現(xiàn)。

如圖5 所示，學(xué)生可在生產(chǎn)環(huán)境登錄系統(tǒng)以第一視角來了解生產(chǎn)工藝流程，查看現(xiàn)場檢測儀表的結(jié)構(gòu)和工作原理，根據(jù)實際場景進行儀表選型。學(xué)生在三維虛擬仿真實驗系統(tǒng)上可進一步掌握流量、溫度、液位、壓力等多變量控制方案設(shè)計，完成過程動態(tài)測試響應(yīng)、簡單控制、多回路控制、串級控制等復(fù)雜控制與多參數(shù)在線整定過程，動態(tài)響應(yīng)過程真實地再現(xiàn)了實際調(diào)節(jié)過程，可實現(xiàn)實驗的多次、重復(fù)性操作，確保每位學(xué)生都能真正掌握所學(xué)內(nèi)容，提升動手操作實踐能力。

圖5 用戶界面

本仿真系統(tǒng)注重考察學(xué)生實驗前階段準備和實驗后階段的創(chuàng)新能力提高，如圖6 所示，實驗教學(xué)過程分為實驗預(yù)習(xí)、簡單控制、復(fù)雜控制、性能評價和組態(tài)監(jiān)控等環(huán)節(jié)，通過由簡單到復(fù)雜、由易到難、由單人操作到多人聯(lián)合協(xié)同操作的多層次教學(xué)實施過程，學(xué)生可達到掌握解決復(fù)雜化工過程問題的能力，提升工程實踐能力，具備基本的工程師素質(zhì)。

圖6 虛擬仿真實驗系統(tǒng)教學(xué)設(shè)計

（1）實驗預(yù)習(xí)。實驗預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生可根據(jù)系統(tǒng)提供的實驗?zāi)康?、意義，學(xué)習(xí)掌握苯胺加氫反應(yīng)過程、反應(yīng)精餾過程的工藝原理、動態(tài)機理模型、簡單控制、復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計以及參數(shù)整定方法講解；根據(jù)系統(tǒng)提供的實驗操作視頻講解掌握實驗操作流程、系統(tǒng)性能評估、數(shù)據(jù)報表與管控一體化專業(yè)知識。

（2）簡單控制。在簡單控制實驗環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)掌握苯胺加氫反應(yīng)過程被控對象、儀表選型、控制器設(shè)計、開環(huán)測試、控制器參數(shù)整定等實驗環(huán)節(jié)，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生操作自動評價得分情況，學(xué)生根據(jù)得分情況查閱相關(guān)知識。

（3）復(fù)雜控制。在復(fù)雜控制實驗環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)掌握A+B→C理想物系反應(yīng)精餾過程被控對象、儀表選型、開環(huán)測試、多變量耦合分析，進行相關(guān)溫度、壓力、流量和液位的復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計、多參數(shù)聯(lián)合整定等實驗環(huán)節(jié)，通過變量之間合理配對，設(shè)計DCS 組態(tài)界面，通過界面直觀查看關(guān)鍵參數(shù)動態(tài)響應(yīng)曲線，分析回路之間耦合性，通過變量合理配對、參數(shù)分級調(diào)節(jié)，有效減少耦合回路相互干擾，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生操作自動評價得分情況，學(xué)生根據(jù)得分情況查閱相關(guān)知識。

（4）性能評價。根據(jù)實驗動態(tài)響應(yīng)曲線，系統(tǒng)自動計算閉環(huán)系統(tǒng)的上升時間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差、IAE綜合性能指標和評價動態(tài)性能。

（5）組態(tài)監(jiān)控。根據(jù)反應(yīng)精餾工藝過程流程圖，學(xué)生通過組態(tài)設(shè)計DCS組態(tài)界面，關(guān)鍵參數(shù)上下限報警、報警記錄、SIS系統(tǒng)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等功能。

本仿真系統(tǒng)針對實驗預(yù)習(xí)、簡單控制、復(fù)雜控制和性能評價等多個模塊設(shè)計包括實驗原理講解、實驗步驟講解、控制原理講解、被控對象演示、儀表選型、開環(huán)測試、多回路參數(shù)整定、DCS組態(tài)和SIS 系統(tǒng)等實驗步驟環(huán)環(huán)相扣的實驗內(nèi)容。各環(huán)節(jié)之間層層遞進，能推進學(xué)生對反應(yīng)與精餾反應(yīng)工藝的理解，最終促使在理解實際生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，能拓展學(xué)生的工程設(shè)計能力，從復(fù)雜控制的基本理論認知到綜合應(yīng)用能力均得到全面鍛煉和提升，符合將來流程工業(yè)對工程師的要求。

5 結(jié)語

本文以高溫高壓、易燃易爆的反應(yīng)精餾過程為對象，結(jié)合Unity3D 技術(shù)、Matlab 和工業(yè)操作系統(tǒng)，采用動穩(wěn)結(jié)合方式來模擬化工生產(chǎn)過程，以“模+感+控+智”為架構(gòu)，開發(fā)反應(yīng)精餾過程控制仿真系統(tǒng)，借助數(shù)字孿生技術(shù)解決針對危險工藝難以開展過程控制實驗和綜合實踐教學(xué)問題，為學(xué)生構(gòu)建具有三維可視化實驗教學(xué)環(huán)境，為課程教學(xué)和控制算法研究提供了更接近實際的平臺，提升學(xué)生的工程設(shè)計能力和創(chuàng)新實踐能力。