基于实时智能平台的萃取提纯过程仿真系统开发

邹志云，孟磊，朱文超，于蒙

(国民核化生灾害防护国家重点实验室，北京 102205)

随着化工过程建模以及信息技术的迅速发展和应用，计算机仿真培训系统的开发和应用已在化工生产过程中日渐普及。其能更方便、更经济和更安全地培训化工生产操作人员，更高效地训练、评判并提高工艺操作人员的操作技能，辅助分析、诊断和发现生产过程操作中的问题，已成为现代化工生产过程不可或缺的工具系统。文献[1—4]成功开发了原油常减压蒸馏装置、硫酸钾生产过程、芳烃吸附分离装置及煤气化制甲醇生产装置等的仿真培训系统。

近年来，决策支持技术[5]、视觉识别技术[6]、基于知识的仿真技术[7]以及实时智能专家系统[8]、图形化建模技术[9]、知识图谱技术[10]及增强学习技术[11]等人工智能技术逐渐在化工过程仿真培训系统开发中得到应用。

人工智能技术在仿真系统开发过程中具有如下作用： 模型的知识表示、仿真中的决策制定、模型的快速原型化、仿真输出的数据分析、模型的修改和维护等[5-11]。从而可提高表达能力，缩短模型开发时间，降低对用户的技术要求，提高模型的执行效率，以及增强系统的可维护性。

总之，人工智能技术能较好地实现知识的继承和应用、过程智能建模、全面的过程运行信息识别和应用，可较好地提高化工过程仿真培训系统开发的技术水平和效率，使过程仿真培训系统更加图形化、知识化和智能化。其中，以Gensym G2为代表的实时智能软件平台更能适合实时运行的工业过程，在智能过程系统开发中有其独特优势[8,12-15]。

生产某精细化学品D3的萃取提纯工艺单元过程操作工序特别复杂，有4道萃取工序，并伴随有酸碱中和等化学反应，以往生产前操作人员现场培训费时费力，培训效率较低，操作技能难以提高，甚至生产中曾出现过误操作现象，造成生产安全问题和经济损失。

针对该问题，本文基于实时智能软件平台G2，研究了D3萃取提纯工艺过程智能仿真培训系统的建模、设计、编程实现和操作评分等技术，开发了该萃取提纯过程的仿真培训系统,能更有效地实现萃取提纯工艺过程的人员操作培训。

1 萃取提纯过程及其主要数学模型

1.1 萃取提纯过程

该萃取提纯过程是精细化学品D3精制单元过程，由4个萃取过程步骤组成，如图1所示。

图1 D3萃取提纯单元过程示意

图1中，步骤1为向粗品中加入萃取剂1，分出下层水相，保留上层油相；步骤2为加入萃取剂2，分出上层油相，保留下层水相；步骤3为加入萃取剂3和萃取剂4的混合萃取剂，分出下层水相，保留上层油相；步骤4为加入萃取剂1，分出下层水相，油相去蒸馏除溶剂即得D3产品。

由于该萃取提纯过程工艺操作复杂，容易误操作，故需开发仿真培训系统培训操作人员，进行仿真操作考核。

1.2 主要数学模型

液/液分层过程是萃取提纯工艺中的主要过程，是该萃取提纯单元的核心过程之一。它用于分离密度不同、不溶或部分互溶的液体，其萃取分层过程如图2所示。其中，qm——进料量；zi——进料组分；qmA，qmB——A，B相出料流量；mA，mB——A，B相滞留质量；wA i，wB i——A，B相的质量分数；hA，hB——A，B相的液面高度。

图2 液/液萃取分层过程示意

液/液萃取分层过程模型推导如下。

1)质量衡算式如式(1)所示：

(1)

2)组分衡算式如式(2)所示：

(2)

设两相液层的密度分别为ρA和ρB，则由流体力学公式可得式(3)：

(3)

式中：αA，αB——与出口阀门物理特性有关的常数，靠稳态时的设计数据可以估算出。

根据萃取容器的几何形状，还可以得到式(4)：

mA=fA(hA，ρA)，mB=fB(hB，ρB)

(4)

在该仿真系统中，假定萃取釜的上下均匀，则关系就比较简单，如式(5)所示：

mA=ρAhAS，mB=ρBhBS

(5)

式中：S——釜的截面积。

此外，还有组分归一的衡算式如式(6)所示：

∑wA i=1， ∑wB i=1

(6)

该萃取提纯过程伴随着反应过程，仿真时建立的反应过程数学模型有物料衡算方程、热量衡算方程和反应速率式等；还建立了储槽和操作阀等的数学模型，与液/液分层过程集成构成萃取提纯过程的全套仿真模型[16-17]。

2 仿真培训系统的设计与编程

以基于Windows 操作系统的实时智能系统开发工具软件G2为平台，利用其动态建模与仿真功能来开发该萃取提纯过程的仿真培训软件。仿真培训系统的硬件平台为服务器(G2 Server)加客户端微机(Telewindows)。

2.1 软件构成

利用G2的人机操作画面制作模块G2-GUIDE，制作整个萃取提纯工艺过程仿真操作的主控画面。其中布置了仿真工艺流程图、有关仿真培训按钮及其链接的用户操作界面、类定义的Workspace和仿真模型运行Workspace等。该仿真培训系统软件构成如图3所示。

图3 D3萃取提纯过程仿真培训系统软件构成示意

图3中，仿真操作界面软件和工艺模型求解软件组成了该系统软件的核心。前者不仅提供了友好的人机操作界面，而且融合了强大的操作培训功能及相关的动画功能，为培训人员提供了一个良好的、和现场操作过程相近的仿真操作环境。而工艺模型求解软件质量的高低则直接影响到仿真培训效果的好坏。

2.2 主要功能和技术指标

该仿真培训系统主要功能包括： 开、停车功能，快门存储、调出功能，时标设定功能(快速、正常、慢速3档)，主要参数的曲线记录功能，报警显示功能，事故设定功能，成绩自动评定功能。

主要技术指标： 在要求的计算机及操作系统中能流畅地运行该软件；提供友好的操作界面；完成萃取提纯过程的操作培训功能；仿真操作流程图和实际工艺流程图相一致；主要参数的仿真结果及动态误差、静态误差符合工艺操作要求；仿真操作步骤和要求符合萃取提纯过程工艺操作规程。

2.3 软件设计

2.3.1类的定义

类是具有相同属性和服务的一组对象的集合。G2中的对象类以一个强有力的直觉的方式来代表应用系统中的物理的和抽象的部件。G2中面向对象的开发能力可实现归并来自以前应用系统中的模块和对象、定义对象以及它的特性和动作行为、通过复制现存的对象来建立新的对象。因此，定义好类是G2开发的最基础也是最关键的工作。

该仿真培训系统开发中定义的对象类以及它们的继承关系见表1所列。

表1 定义的对象类及其继承关系

2.3.2图形用户界面的设计

D3萃取提纯过程仿真培训系统主界面如图4所示，其中的工艺流程图是根据定义的类，利用G2中Object Definition菜单的Create instance命令设计。

图4 D3萃取提纯过程仿真培训系统主界面示意

仿真培训系统运行期间，用户通过该界面监控主要工艺参数的变化情况，包括仿真运行的时间，萃取釜内的压力、液体体积及釜内液面高度的显示，各个阀的开关状态和开度。另外，用户可以通过点击界面中的命令按钮来控制仿真运行过程和调节参数，而且可以看到实时的曲线显示和仿真培训的成绩。命令按钮有： 开车按钮、暂停按钮、停车按钮、曲线显示按钮、事故报警按钮和画面调节按钮。

图5是阀门调节的组合画面，标尺上的刻度表示阀门的开度，通过调节滑块可调节其所控制的阀门的开度。

图5 阀门调节组合画面示意

以V4阀门的控制来说明滑尺的定义。滑尺的滑动能够控制阀门的开度是通过编辑Target Object & Attribute来实现的，在Target Object中指定对象名为V4，在Target Attribute指定目标属性为VALVE-EXTENT，通过这些定义，滑尺的滑动就和阀门的开度联系起来了。

2.3.3仿真培训成绩的评定

采用三段加权求和法打分，该方法是将评分划分为三大类：

1)步骤分。操作步骤必须符合操作规程，如果出现了步骤颠倒或操作遗漏，视操作影响程度扣分。

2)报警分。凡是在仿真操作中导致报警，程序自动扣分，并按报警严重程度确定扣分，多次出现同一报警累积扣分。

3)质量分。仿真软件对决定操作质量的过程变量进行跟踪检查。在评定成绩的时刻，按变量与设计值的偏差是否在允许范围内计分。

学员的最终成绩取以上3种分数的加权平均值或平均值。仿真培训评分系统成绩计算模型如下：

S=WS·SS+WQ·SQ+WA·SA

(7)

(8)

式中：S——学员培训的总成绩；SS——学员培训的操作步骤成绩；SQ——学员培训的操作质量成绩；SA——学员培训的事故报警成绩；SSi——学员培训第i项操作步骤成绩；SQi——学员培训第i项操作质量成绩；SAi——学员培训第i项事故报警成绩；WS——学员培训的操作步骤成绩在总成绩中的权重；WQ——学员培训的操作质量成绩在总成绩中的权重；WA——学员培训的事故报警成绩在总成绩中的权重。

2.3.4萃取釜1的仿真案例分析

在G2中要对一个对象模拟，首先要定义通用的仿真公式，在G2中称为generic-simulation-formula，例如： State variable： d/dt(the volume of any tank)=the flow of the pump connected at the input of the tank — the flow of the pump connected at the output of the tank, with initial value 10.0。

这个公式就在G2中表示微分方程，为了计算any tank的体积，G2使用欧拉法或龙格库塔法来求这个微分方程的积分。在G2中求积分的方法一般是欧拉法和龙格库塔法，缺省的积分方法是欧拉法。

下面以萃取釜1为例说明模型的求解方法。萃取釜1的数学模型的核心是tank-1，tank-1有2支输入流inlet1-flow和inlet2-flow，1支输出流outflow分别由3台球阀调节控制。假设釜中混合的非常均匀，则质量平衡方程为

dV(t)/dt=qV1(t)+qV2(t)-qV(t)

(9)

dh(t)/dt=(qV1(t)+qV2(t)-qV(t))/S

(10)

qV(t)=k1·sqrt(v(t)/s)

(11)

式中：V(t)——tank-1的体积；h(t)——tank-1内液面高度；qV1(t)和qV2(t)——输入流量；qV(t)——输出流量；S——釜的截面积；v(t)——球阀开度；s——球阀内部截面积；k1——实验常数，在这里取值为1。

利用G2中的Generic simulation Formula可编写出tank-1的仿真运算式，如图6所示。图6中混合罐Model的定义见表2所列，其中说明微分方程的数值积分方法为欧拉法，模型作用范围是当前的Workspace，积分的步长是0.5 s。

图6 萃取釜1数学模型的求解示意

表2 混合罐的模型定义

Tank-1仿真启动运行和停止共有两条规则，一条规则对Tank-1无条件启动update-run-model 1，另一条规则命令在任一阀门的开度发生变化时，启动update-run-model 1。程序update-run-model 1控制Tank-1的启动、运行和停止，其代码如下：

以上就是利用G2对萃取釜1的模型求解、编程以及仿真运行的全过程。

3 仿真运行结果分析

采用简化的过程仿真系统实用评价准则如下：

1)变量变化的时间常数与现场一致或各变量时间常数相互之间的协调关系与现场一致。

2)变量变化的趋势正确。

3)系统达到正常稳定工况时，各主要变量与设计值的偏差在指标规定范围以内。

4)各变量之间相互影响的关系正确。

由于系统中的变量很多，可以仿真的现象也很多。在萃取过程中，分层液面的变化是非常重要的，在这里选择了萃取阶段1和萃取阶段2中，萃取釜1和萃取釜2萃取分离相界面高度随时间的变化趋势说明仿真培训系统的应用结果。萃取釜1中液面高度随时间的变化趋势如图7所示，萃取釜2中液面高度随时间的变化趋势如图8所示。

在萃取阶段1的实际生产过程中，釜内液面高度下降的速度是越来越快，从图7和图8可以清楚地看出这种变化趋势，也很好地说明了仿真的结果是比较符合实际生产的工况现象。

图7 萃取釜1中液面高度随时间的变化趋势示意

图8 萃取釜2中液面高度随时间的变化趋势示意

萃取提纯过程操作成绩评分记录单示例如图9所示，其中较详细地记录了操作人员的操作得分，列出了扣分清单，有利于考核培训效果和操作人员的操作技能，帮助他们分析操作错误所在及失误原因，对提高仿真培训效果具有重要作用。

图9 操作成绩记录清单示意

4 结束语

本文以复杂的D3萃取提纯单元过程为对象，基于实时智能软件平台G2，研究了智能仿真培训系统的建模、设计、操作评分和编程实现等技术，开发了该萃取提纯过程的仿真培训系统。实际仿真运行结果表明，仿真培训系统工艺参数的变化与生产现场实际情况基本吻合，能准确地评判操作人员的操作成绩，给出扣分原因，这说明该系统能有效地模拟该萃取提纯过程的动态操作与运行，对培训和提高工艺操作人员的操作技能、减少误操作具有重要作用。