高志新,喬偉艷,劉興華

(1.上海信息技術學校，上海 20033;2.北京東方仿真集團,北京 100029)

理實一體化教學是職教特色，教學內容不僅需要豐富的專業(yè)理論知識做支撐，還需要多樣化的實訓裝備來滿足課堂實訓任務。學生通過操作實訓實施，完成對課堂理論知識的鞏固理解。在實訓環(huán)節(jié)中，大多以操作虛擬化工仿真軟件為主，因為化工仿真工藝系統有助于提高學生對化工流程和操作參數的理解。如果在課程中增加與仿真工藝系統相匹配的實物裝置，不僅能彌補仿真工藝中缺乏實物操作經驗的缺陷，也更有助于培養(yǎng)學生學習興趣，提升理實一體化課程學習效果。

精細化工是化學工業(yè)的重要組成部分。精細化工反應單元，是總結各種精細化學工業(yè)生產過程得出的具有共同化學變化特點的基本過程,主要包括：氧化、鹵化、硝化、磺化、胺化、烷基化、酯化等反應[1]。精細化工反應多涉及放熱反應，因高溫而成為實訓過程的安全隱患，又兼物料有毒有害，后續(xù)過程很難處理。為更好的讓學生體驗精細化工單元理實一體化教學內容，我們開發(fā)了能夠兼容多種精細化工單元反應，并且安全環(huán)保的單元反應半實物柔性仿真實訓。

1 半實物柔性仿真系統的特點

1.1 多種反應模式切換

1.2 真實物料進料

多功能柔性半實物仿真系統可以模擬進料生產操作，核心設備反應釜采用工業(yè)設備，部分附屬設備進行設計優(yōu)化。例如，水冷器等設計成透明的；用水代替液相介質、用硅藻土代替固體介質；也可以不走物料進行生產操作，生產現象由仿真軟件計算得出。系統采用實際工業(yè)生產數據、操作步驟、事故處理方案等，再現真實精細化工工廠現場操作和中控操作的環(huán)境，實現學生的認知學習與動手操作的綜合實訓[2]，可方便切換多種精細化工產品生產工藝，滿足學校多專業(yè)、多任務的教學與培訓需要。

1.3 功能齊全

中控系統(DCS)能夠模擬真實企業(yè)中控的操作功能、界面及操作習慣，能夠實現內外操的配合，完成裝置運行操作；生產工藝參數變化與真實生產裝置的變化趨勢、節(jié)奏保持一致，可以拓展生產工藝全流程，也可以基于一套硬件設備拓展出多種反應類型的生產工藝；柔性仿真裝置能夠低能耗、無污染運行且不對實訓者造成任何人身傷害，可以實現“環(huán)?！迸c“安全”雙重目標。

2 半實物柔性單元反應仿真模塊組成

柔性單元反應仿真系統通過各設備的幾何尺寸來建立模型，提供逼真的儲量模擬，算法模型基于質量平衡和熱量平衡以及氣體/液體相平衡等熱力學機理,對溫度、壓力和組份的動態(tài)變化進行模擬，充分考慮設備中靜壓差并考慮了容器的熱容和熱損(向環(huán)境散熱量)，模擬反應釜單元均采用動力學來描述化學反應，并嚴格遵循熱力學原理、流體力學和動力學特性,完成質量平衡，能量平衡和相平衡計算。同時，核心反應釜算法模型要考慮壓力、溫度、催化劑活性、空速、進料組份等影響因素[3]。單元反應仿真系統模塊組成如圖1所示。

圖1 單元反應仿真系統框圖

1)實時參數傳感器模塊

實時參數傳感器模塊，用于接收現場設備的實時參數，并將實時參數發(fā)送至信號集成裝置。

2)虛擬現場模塊

虛擬現場模塊支持多個單元反應模型，所述多個單元反應模型包括酯化反應、磺化反應、硝化反應、酰化反應、重氮化和偶合反應模型。通過以下步驟建立單元反應模型：第一步先建立計算模型存儲單元;第二步在計算模型存儲單元中，根據各個單元反應模型所需的裝置之間的數據輸入輸出關系將裝置連接成單元反應模型[4]。

現場模擬設備上設置的信號集成裝置，用于接收實時參數,將模擬設備信息以及實時參數進行集成，并將模擬設備信息以及實時參數發(fā)送至虛擬DCS模塊。

3)虛擬DCS模塊

1)三維實景地圖技術。面對城市道路快速發(fā)展，高架橋、高速路平地拔起，在點、線、面的基礎上添加高度與寬度，使導航畫面與實時路況更相符，避免了復雜路段駕駛時因辨識道路而發(fā)生意外。

虛擬DCS模塊,用于模擬實際DCS系統，接收啟動指令,根據啟動指令啟動生成控制指令，并將控制指令發(fā)送至所述虛擬現場模塊，連通模擬設備，接收模擬設備信息以及實時參數，并根據模擬設備信息和實時參數調用計算模型進行運算，生成模擬設備信息和完整實時參數,并將模擬設備信息和完整實時參數輸出。

虛擬DCS模塊包括主控單元、畫面調度單元、實時數據存儲單元、通訊模塊、計算模型存儲單元、報警管理單元、歷史數據管理單元和組態(tài)單元。

主控單元用于管理、調度精細化工反應單元仿真控制系統的各功能模塊，控制各個功能模塊的執(zhí)行順序,接收并向各個功能模塊轉發(fā)用戶的鍵盤、鼠標操作請求。

畫面調度單元用于畫面調度模塊負責管理控制操作界面運行時，用戶在各畫面之間的顯示、切換工作。

實時數據存儲單元用于精細化工反應單元仿真控制系統擁有一個實時數據存儲單元，負責存儲、查詢控制操作界面的實時數據，可以支持各種DCS系統中常見的數據類型:PID點、AIN、 A0UT、DIN、D0UT、計算點、邏輯點、數字量、選擇器等。

通訊模塊用于負責上、下位機的數據通訊，將下位機的實時數據送到上位機，并將上位機的運算結果傳回到下位機。

計算模型存儲單元包括現場設備中各個裝置的專業(yè)算法、流量算法、換熱算法以及根據需要建立的算法，用于完成控制操作界面的各種控制算法。

報警管理單元用于支持各種常規(guī)DCS中可能發(fā)生的報警。報警類型支持高/低限報警、變化率報警、偏差報警等，對各類型的報警可以定義不同的報警級別。當報警發(fā)生時，在畫面中發(fā)生顏色變化，產生各種報警聲音等現象。

歷史數據管理單元用于精細化工反應單元仿真控制系統根據仿真培訓的需求，存儲八小時內的歷史數據，主要用于歷史趨勢畫面的顯示。

組態(tài)單元，包括流程圖組態(tài)工具、點組態(tài)工具、畫面組態(tài)工具等等。

4)顯示模塊

顯示模塊,所述顯示模塊接收所述虛擬DCS模塊發(fā)送的模擬設備信息和完整實時參數，并對模擬設備信息和完整實時參數進行顯示。

3 半實物柔性裝置單元裝置控制方法

3.1 半實物柔性裝置單元裝置組成

半實物柔性裝置單元組成包括：第一高位槽單元、第二高位槽單元、加料釜單元、加熱器單元、冷卻器單元,壓濾機單元、第一泵單元、第二泵單元、第三泵單元、儲槽單元和反應釜單元。其中，核心反應釜采用的是搪玻璃材質的真實工業(yè)設備。

3.2 反應釜單元控制方法

反應釜操作控制的仿真方法包括:根據單元反應類型進行模塊調用、算法模塊初始化、工藝數據動態(tài)賦值;對仿真設備進行參數辨識、穩(wěn)態(tài)數據初始化、特征參數反算，以輸出并校驗特征參數;根據工藝數據和校驗后的特征參數進行故障模擬計算、氣液平衡計算、反應釜溫度、壓力、液位計算、釜體數據輸出、結束。反應釜控制方法如圖2所示。

模擬反應釜單元中的溫度顯示控制儀表單元根據溫度大小調節(jié)模擬蒸汽閥門和冷卻水開度。反應釜算法模型功能是由進口條件(流量、溫度)、出口條件(流量)及外部傳熱量計算釜的液位、溫度、氣化量、壓力等；模型參數如表1所示。

圖2 反應釜操作控制的仿真方法

表1 反應釜算法模型主要參數

4 柔性仿真半實物實訓裝置實用性

4.1 適應性強

單元反應仿真控制系統通過精細化工原理仿真建模來控制模擬現場儀表工藝參數，能夠在同一套模擬精細化工反應單元實訓裝置上進行多工藝模擬、及仿真切換，提高了實訓配置的靈活性、完整性、教學效率，適應了多教學發(fā)展的未來需求,可持續(xù)對復雜程度日益增長的教學需要進行完整、快速地配置；單元反應仿真控制系統和實際實訓裝置相結合，更形象地將單元反應過程呈現給學生,進一步優(yōu)化了教學效果。

4.2 內容豐富

柔性仿真系統裝置每一個仿真工藝單元都具備產品認知、工藝流程認知、反應機理學習、反應物料物性參數認知、自動控制方案學習、冷態(tài)開車實操等內容，可以有效解決實訓室一套裝置只能完成一種仿真操作的缺陷，實現多種精細化工反應切換。通過該裝置的學習，可以完成不同精細化工反應學習，理解不同反應單元的反應條件，掌握不同反應控制參數方法，更重要的是讓學生能夠自己動手完成現場閥門操作與中控DCS操作的交互運行，在提升操作技能同時也能鍛煉團隊合作能力[5]。

5 結語

將多功能柔性仿真系統裝置融入到精細化工單元課程中，可以完善實現理論學習-仿真操作-實物裝置操操作的理實一體化課程設計，在豐富課程內容的同時更有助于將現場裝置流程學習、虛擬仿真操作、化工反應控制、安全素養(yǎng)等方面知識融為一體，讓課程內容更有價值，更實用，為后續(xù)課程的學習及進入企業(yè)實習奠定良好的理論和技能基礎。