智能教学系统与化工职业教育系列讲座⑤ITS在化工职业教育中应用系列软件⑷

吴重光

（北京化工大学，北京 100029）

【系列讲座④ITS在化工职业教育中应用系列软件⑶回顾】

便携式智能型特种作业仿真培训系统AI3-TZZY 融入了智能化危险与可操作性分析（HAZOP）方法、人工智能新一代专家系统AI3 技术、深度学习技术和个性化仿真培训系统技术，构成了预防人为失误的智能仿真培训系统。AI3-TZZY 具备自动“导航”功能；采用独创的“三段评价”（操作步骤评价、操作质量评价和操作安全评价）方法，自动评价学员的培训操作和事故排除成绩；具有对于生产岗位主要危险的自动“安全关注点”查询功能；采用通用性强的“三要素”（开关、手操器和控制器）工艺操作法进行培训和考核；提供在线位号说明和随时可以打开的开车要点查询画面。AI3-TZZY 培训内容精简、重点突出，高精度仿真建模，提供全套操作演示录像，并已出版配套的系列化专业指导书，适用于化学工程专业、自动化与过程控制专业、安全工程专业、过程装备与控制工程专业、信息、计算机科学和人工智能专业，以及企业安全评价工程技术人员、过程工业监控、故障诊断和安全管理技术人员、危险化学品特种作业的工程师与操作工人。

在系列讲座④ITS在化工职业教育中应用系列软件⑶中，我们介绍了智能仿真培训系统AI3-TZZY 软件，本讲将介绍多功能过程与控制实验系统MPCE-2000 软件。

多功能过程与控制实验系统MPCE-1000，是一种用高精度仿真模型为基础的半实物仿真实验系统。MPCE-1000 的优点是：集多种教学和实验功能于一身、真实感强、一机多用、无须物料、没有产物和副产物、节能、安全、环保等理想的实验系统，是智能教学实验技术的一个创新。经过15年推广应用，发现MPCE-1000 也存在着系统由复杂的计算机控制系统构成，用户单位没有能力维护；系统占地较大，价格较高，无法实现整班学生同时实验等不足，因此特意推出了全软件模式多功能过程与控制实验系统MPCE-2000，只需一台电脑可以完成所有实验。没有硬件维修、价格低、可以应对大量学生同时实验。

1 MPCE-1000 实验系统的创新背景

多少年来，高职高专、高等院校化学工程、精细化工、应用化学、高分子化学等专业，以及环境科学、生命科学、自动化过程控制专业和过程装备与控制工程等专业的教师们一直期待着有一种理想的多功能化工过程与控制实验系统。这种系统：能够兼容连续和间歇两种典型的化学反应；具有工业级规模动态特性；没有危险性；无反应产物污染、没有后处理问题；不消耗物料；消耗最少的能源；除了化学反应实验外，还可以进行流体力学、传热和气体压缩等多种工程试验；还可以灵活地进行多种过程控制实验与训练；同时具有投资省、运行和维护费用省等优点。

然而，在新一代多功能过程及控制实验系统MPCE-1000 研制成功之前，这一理想几乎不可能全部实现。因为，传统的实验技术存在着如下无法克服的弱点：

任何放热化学反应都有爆炸危险性，导致无法在学校实验室中进行此类常见的、典型的反应动力学实验。

●任何化学反应都要消耗物料，产生主产物、副产物和需要后处理的汽相和液相物质，必须具备后处理和环境保护措施。连续反应处理量大，此类问题尤其突出。

●实验装置的尺寸过小，导致系统时间常数比真实系统小得多，动态特性与实际工业系统差异很大，学生得不到工业规模大型系统的特性感受。特别是过程控制实验的差异使得实验严重脱离实际。

●由于实验装置尺寸过小的原因，流动特性受管壁边界层的影响大，流动非线性强，无法稳定，导致测试结果偏差大，没有重复性。正因为如此，国家标准和国际标准都规定，只有管径大于50 毫米、流动达到一定的流速制订标准才有意义。

●不得已，反应过程的工艺介质一般用水，即所谓冷模实验。此种实验过程物理性质单一，表达不了实际工艺物料复杂多样的物理化学特性，除了流体流动与传热实验外，化学反应、物料混合、组分变化、酸碱度变化、气体压缩、复杂的传质过程等都无法实现。因此，普遍存在着实验过程单调、知识点少等问题。

●无法进行高危险性、超极限性过程的安全保护实验。因为，传统的冷模实验系统本身十分简单，没有高危险性、超极限性（如反应超温、超压、爆炸等）现象，当然，基于安全要求也不允许进行破坏性实验。

●难于对实验流程、实验项目、实验内容进行重组和变化，限制了实验规模和种类。实验装置部件有限，重组和变化的内容有限。此外，重组和变化需要附加管路和阀门，变化实验内容的初始化时间长（例如：等待系统降温时间很长），而且全面的重组和变化必须对设备进行重新机电组装，这对参与实验的师生几乎没有可行性。

●难于对全部变量和操作进行实时监测，无法实现高完备性和高分辨率故障诊断，因此也无法实现智能化实验。

以上弱点或难题，在新一代多功能过程与控制实验系统中几乎全部得到解决。新一代实验系统，通过将小型半实物过程系统、微机控制系统、高精度过程系统仿真模型、控制系统组态软件（包括：PID 控制器单元、典型传递函数单元、多种控制阀特性、典型外作用函数、限幅器、算术运算器、选择器、继电器特性、随机信号器等）集成，实现了集多种教学和实验功能于一身、真实感强、一机多用、无须物料、没有产物和副产物、节能、安全、环保等理想实验系统的要求，是智能教学实验技术的一个创新。由于采用了半实物模拟新技术，在同一个实验盘台上可以通过计算机监控软件控制，自动组合成多种工艺过程实验项目，不须投料、节能环保、没有危险、任意即开即停。实验内容可以全面重组和变化，一秒钟即可实现，易如反掌。

MPCE-1000 实现了集多种教学和实验功能于一身，不但达到了工业级高精度、高重复性的基础验证型实验要求，而且满足了多层次、多用途、多功能的综合型、设计型、创新型、探索型实验要求。本实验系统是教学实验技术的一个革命性突破，在2004年高等学校本科教学工作水平评估中成为重大“亮点”。多功能过程与控制实验系统如图1所示。

2006年采用该系统成功举办了“西门子杯全国大学生过程与控制仿真挑战赛和上海华谊化工集团高级技师技能大赛，2007 成功举办了第二届“西门子杯全国大学生过程与控制仿真挑战赛。目前“西门子杯大赛”已经列入教育部高等学校系列竞赛，截至2019年共计举办14 届，参赛人次达到数万，今后每年将继续举办。MPCE-1000 也推出了全软件版，以便各地高等学校大规模推广使用。

2 MPCE-1000 实验系统的构成

MPCE 实验系统由小型流程设备盘台、数字式软仪表与接口硬件、系统监控软件及过程模型软件等4 部分组成。4 个部分通过小型实时数据库、实时数字通信协调运行，通过一台小型工业控制计算机和I/O 系统实时控制，完成复杂的化工过程与控制模拟实验。

图1 多功能过程与控制实验系统

2.1 小型流程设备盘台

图2 MPCE 多功能过程与控制仿真实验系统总貌

如图2所示，在钢结构的盘台上安装着由不锈钢制的比例缩小的流程设备模型。主设备包括：1 台卧式储罐、2 台高位计量罐、1 台带搅拌器的釜式反应器、1 台列管式热交换器、3 台离心泵、10 个手动/自动双效阀门和若干管路系统。在垂直的仪表盘面上分布有压力（P）、流量（F）、温度（T）、物位（L）、功率（N）、组成（A）和阀位（V）等传感器（变送器）插孔和数字式软仪表。本盘台是直接操作和运行过程系统的环境。本环境给操作学员以全真实的空间位置感觉、全真实的操作力度感觉和过程变化的时间特性感觉。由于真实过程装置的压力、流量、温度、物位、功率、组成也是无法直接观察的，必须通过仪表检测，因此，本系统和真实系统的观测界面完全一致。

图3 MPCE 实验系统流程

盘台检测点、操作点与控制点。如图3所示，小型流程盘台上可以变化组合的检测点、操作点与控制点统计如下：

电子阀（双效）10 个 （V1（V10，既能定义为手动阀门，也能定义为控制阀）

电子开关 4 个 （S2、S4、S5、S8）

开关阀 4 个 （S1、S3、S6、S7，用于快开特性阀门的操作）

流量检测点 10 个 （F1～F10）

液位检测点 4 个 （L1～L4）

压力检测点 7 个 （P1～P7）

温度检测点 6 个 （T1～T6）

功率检测点 1 个 （N）

组份检测点 1 个 （A）

指示灯 2 个 （D1、D2）

所有检测点、操作点与控制点全部通过模拟量输入输出（AI/AO）和数字量输入输出（DI/DO）接口模块与下位微型工业控制计算机相连，经过数据实时处理后通过以太网与上位微型计算机中运行的仿真模型实时通讯。上位微型计算机除了运行仿真模型外，还运行集成为一个整体的实验系统监控软件、过程控制软件、人/机界面软件和控制系统组态软件。下位机具有标准接口电路与外部控制系统联机功能。上位机具有以太网与外部计算机系统联机功能。

图4 MPCE 的多种工艺过程组合

图4 表达了MPCE 实验系统的多种工艺过程组合实验模式。本实验系统可以通过软件切换进行多种实验项目。包括离心泵与液位系统开、停车试验，离心泵特性测试，故障实验和控制系统实验；三级液位系统可以进行串联容器物料平衡实验与计算，液位自衡实验及流体力学实验，多级液位控制实验和训练；气体压缩系统可以进行管路阻力和压降试验、气体体积流量换算实验、透平式气体压缩机特性试验和气体压力与流量控制实验和训练；列管式热交换器传热系统可以进行多工况对数温差测试与核算、多工况总传热系数测试与核算、列管式热交换过程温度控制实验和训练。

2.2 连续反应过程

选择工业常见的带搅拌的釜式连续反应系统（CSTR），同时又是高分子聚合反应，具有广泛的代表性。本实验是当前工艺全实物实验根本无法进行的高危险性实验，又是非常需要的反应动力学实验内容。此外，全实物实验还面临物料消耗、能量消耗、反应产物的处理、废气废液的处理和环境污染问题，以上各项问题比间歇反应更严重，因为连续反应的处理量大大超过间歇过程。国内现有的连续反应实验系统实际上都是水位及流量系统，无法进行反应实验。本实验系统可以进行连续反应开、停车试验；多因素（进料量、冷却量、催化剂量、搅拌等）影响试验与分析；全混流连续反应平均停留时间测试与估算；全混流连续反应平均转化率测试与产量计算；多组分汽液平衡压力测试与估算；本实验系统还可以进行安全分析和过程控制实验与训练。

2.3 间歇反应过程

在精细化工、催化剂制备、制药业、溶剂与染料中间体等行业具有广泛的代表性。本实验系统选择了间歇反应过程中最为复杂的一种，具有主副反应的竞争、放热剧烈、压力随温度急剧变化等特点，是当前工艺全实物实验根本无法进行的高危险性实验，又是非常需要的反应动力学实验内容。与连续反应相同，全实物实验还面临物料消耗、能量消耗、反应产物的处理、废气废液的处理和环境污染问题。国内现有的间歇反应实验系统实际上都是水位及流量系统，根本没有反应现象。本间歇反应实验系统可以进行开、停车试验；多因素影响试验与分析；物料量的计量与核算；主、副反应竞争试验与分析；反应主产物浓度变化规律测试与分析；反应温度变化规律测试与分析；反应压力变化规律测试与分析等。此外还可以进行安全分析、间歇过程控制、故障诊断和先进控制实验与训练。

2.4 彩色液晶显示器

采用1 台大尺寸高分辨率彩色液晶显示器，安装在盘台左上方（如图3所示）。液晶显示器上自动显示15个任意选定的指示仪表。其中最上排设有5个“棒图”显示仪。当用两端有插头的黑色软线将流程中的变量传感器测量点连接到液晶显示器下方的上数第1排1（5 号黑色插孔时，被检测变量即被指定到对应的5 个“棒图”显示仪中的某一个，包括变量位号、上下限指示都自动被指定并立即显示。上数第2 排和第3 排6（15 号黑色插孔对应10 个“数字”显示仪，直接进行变量数值显示。这种显示方式具有很大的灵活性，使用者可以通过黑色软线将盘台上的任一个变量连接到任一个指示仪表上读取数据。可以称其为插线组态法。

3 动态仿真数学模型

本实验系统采用动态定量仿真数学模型模拟真实工艺流程，并提供各变量随时间变化的瞬态值。具体分为以下5 种流程的动态仿真模型：

①离心泵及三级液位动态仿真模型

②压缩机与压力系统动态仿真模型

③热交换器过程动态仿真模型

④连续反应（CSTR）动态仿真模型

⑤间歇反应动态仿真模型

为了高逼真地进行过程的开、停车、正常运行和故障状态的操作及控制，本系统的数学模型考虑了如下几个重要方面。

①动态模型能反映被仿真装置的实际尺寸，包括设备尺寸、管道尺寸、阀门尺寸等，能反映系统物料和能量的变化与传递的定量关系。

②动态模型能反映被仿真系统的物理化学变化的规律，如反应动力学特性、气液平衡特性、这些特性常常是非线性的。

③动态模型能反映被仿真系统的动态时间常数、惯性、时间滞后、多容和高阶特性。

④动态模型的求解速度达到实时要求、求解精度满足实验要求。

为了进行复杂的控制实验，除了过程模型外还特别开发了常用控制算法模块库，例如：PID 控制器，典型传递函数、外作用函数、限幅器、算术运算器、选择器、继电器特性、随机信号器等，可以方便地通过“软连接”组态方法构造多种多样的控制系统。配合小型专用实时数据库及高速模型计算技术，本实验系统中的动态数学模型软件能够在监控软件的控制下完成过程系统的实时仿真计算。

4 控制系统图形化组态

为了灵活地设计组合多种多样的控制方案，本实验系统提供自行开发的、专用的控制系统图形组态软件。能够在计算机“桌面”上通过图形软连接、在“菜单”提示下填写参数和数据等方法完成控制系统组态。这种组态方法与集散型控制系统（DCS）组态完全相同，并进一步增加了控制算法的组态设计功能。也就是说集成了DCS和MATLAB的双重功能，并且更直观、更简明、更符合控制技能实验的要求。控制系统图形组态软件提供以下具体功能。

①提供常见的PID 控制算法，允许配置参数。

②控制方案的组态设计功能，允许自行设计控制方案，包括控制与被控制变量的选择、算法的选择以及复杂控制实验等。

图6 传递函数仿真模型组态

③控制算法的组态设计功能，提供两种方式的控制算法组态：提供图形化控制算法组态工具，可以对通道模型、非线性环节、逻辑算法及传递函数等进行自定义；提供标准DLL 工程，将其它计算机语言所写的控制算法动态链接到当前控制回路中。

图7 热交换系统动态解耦控制实验组态

④信号发生器组态。提供常用的信号发生器，与当前的现场信号进行叠加。

⑤信号输出组态。提供信号输出显示、历史趋势记录、文件保存等功能，以便进行信号后处理。

⑥提供响应曲线图形分析的辅助功能，例如：作水平和切线辅助线、曲线的二维任意放大缩小、任意移动位置、任意读取时间和参数坐标值等，大大方便了实验分析工作。

⑦通过组态定义可以实现狭义对象特性测试和广义对象特性测试。这是其它实验系统所无法实现的功能。

⑧通过实时通信外接SDG 实时故障诊断软件平台，辅助教师实现实验过程的智能工况分析、智能解释和智能指导。

MPCE 控制系统组态画面如图5所示。采用多窗口联合显示、设计和操作功能完备，非常直观、快捷和方便。由于所设计的控制方案直接与动态仿真对象相连，因此立即可以实施与实际工业系统十分逼近的控制方案的试验、修改和实施多种干扰信号影响下的调试。是一种理想的多功能实验教学设备。

MPCE 提供的多种类型仿真建模基本模块，可以完成如高阶微分方程的仿真建模，见表1所示。一个四阶微分方程对应的传递函数仿真模型组态图实例，如图6所示。运用MPCE 提供的建模组件实现的热交换系统动态解耦控制实验组态图实例，如图7所示。显然，MPCE 是一种无缝连接高精度化工单元仿真模型的，同时又具有类似于美国MATLAB 和SIMULINK 双重功能的过程控制实验软件平台。

为了方便使用，控制系统图形组态软件具有错误组态方案的智能化自诊断功能。当组态的方案不合理时，软件能给出提示。此外，还具有智能化自动排序功能。本软件采用深层知识“专家系统”推理方法，对组态生成的控制系统计算顺序进行优化排序，能够保证计算结果的准确性。

5 实验系统监控

盘台上的所有操作点和显示变量都能由软件控制，可以在瞬间设定新的状态，称其为状态“全恢复”功能。本功能是实验系统的一大特色，利用本特点可以任意设定干扰、故障状态或某一特定状态、重演过去记录的状态及某时间段落的变化状态等。实物实验系统无法实现这些功能。

实验系统监控软件对每一项实验提供工程管理，便于选择不同的实验，以及对当前的实验进行管理。具体分为以下功能。

①实验开始、暂停、恢复及自检验功能；

②实验项目切换；

③实验项目当前状态（又称为“快照”）存储；

④运行时参数的随机或动态改变；

⑤多画面切换。

【系列讲座⑥现代化工智能型全流程仿真训练技术预告】

现代化工智能型全流程仿真工厂基于MPCE-1000 技术，区别是装置规模大，设备管路呈三维空间分布。通过将小型半实物流程装置、微机控制系统与全数字仿真技术结合，实现了集多种教学和实训功能于一身、全工况可操作、真实感强、一机多用、无须物料、没有产物和副产物、维修简单、节能、安全、环保、投资省、见效快等理想实训系统的要求，是过程工业实训技术的一个新的飞跃。