基于柔性仿真系统的半实物单元实训装置设计

高志新,乔伟艳,刘兴华

(1.上海信息技术学校，上海 20033;2.北京东方仿真集团,北京 100029)

理实一体化教学是职教特色，教学内容不仅需要丰富的专业理论知识做支撑，还需要多样化的实训装备来满足课堂实训任务。学生通过操作实训实施，完成对课堂理论知识的巩固理解。在实训环节中，大多以操作虚拟化工仿真软件为主，因为化工仿真工艺系统有助于提高学生对化工流程和操作参数的理解。如果在课程中增加与仿真工艺系统相匹配的实物装置，不仅能弥补仿真工艺中缺乏实物操作经验的缺陷，也更有助于培养学生学习兴趣，提升理实一体化课程学习效果。

精细化工是化学工业的重要组成部分。精细化工反应单元，是总结各种精细化学工业生产过程得出的具有共同化学变化特点的基本过程,主要包括：氧化、卤化、硝化、磺化、胺化、烷基化、酯化等反应[1]。精细化工反应多涉及放热反应，因高温而成为实训过程的安全隐患，又兼物料有毒有害，后续过程很难处理。为更好的让学生体验精细化工单元理实一体化教学内容，我们开发了能够兼容多种精细化工单元反应，并且安全环保的单元反应半实物柔性仿真实训。

1 半实物柔性仿真系统的特点

1.1 多种反应模式切换

1.2 真实物料进料

多功能柔性半实物仿真系统可以模拟进料生产操作，核心设备反应釜采用工业设备，部分附属设备进行设计优化。例如，水冷器等设计成透明的；用水代替液相介质、用硅藻土代替固体介质；也可以不走物料进行生产操作，生产现象由仿真软件计算得出。系统采用实际工业生产数据、操作步骤、事故处理方案等，再现真实精细化工工厂现场操作和中控操作的环境，实现学生的认知学习与动手操作的综合实训[2]，可方便切换多种精细化工产品生产工艺，满足学校多专业、多任务的教学与培训需要。

1.3 功能齐全

中控系统(DCS)能够模拟真实企业中控的操作功能、界面及操作习惯，能够实现内外操的配合，完成装置运行操作；生产工艺参数变化与真实生产装置的变化趋势、节奏保持一致，可以拓展生产工艺全流程，也可以基于一套硬件设备拓展出多种反应类型的生产工艺；柔性仿真装置能够低能耗、无污染运行且不对实训者造成任何人身伤害，可以实现“环保”与“安全”双重目标。

2 半实物柔性单元反应仿真模块组成

柔性单元反应仿真系统通过各设备的几何尺寸来建立模型，提供逼真的储量模拟，算法模型基于质量平衡和热量平衡以及气体/液体相平衡等热力学机理,对温度、压力和组份的动态变化进行模拟，充分考虑设备中静压差并考虑了容器的热容和热损(向环境散热量)，模拟反应釜单元均采用动力学来描述化学反应，并严格遵循热力学原理、流体力学和动力学特性,完成质量平衡，能量平衡和相平衡计算。同时，核心反应釜算法模型要考虑压力、温度、催化剂活性、空速、进料组份等影响因素[3]。单元反应仿真系统模块组成如图1所示。

图1 单元反应仿真系统框图

1)实时参数传感器模块

实时参数传感器模块，用于接收现场设备的实时参数，并将实时参数发送至信号集成装置。

2)虚拟现场模块

虚拟现场模块支持多个单元反应模型，所述多个单元反应模型包括酯化反应、磺化反应、硝化反应、酰化反应、重氮化和偶合反应模型。通过以下步骤建立单元反应模型：第一步先建立计算模型存储单元;第二步在计算模型存储单元中，根据各个单元反应模型所需的装置之间的数据输入输出关系将装置连接成单元反应模型[4]。

现场模拟设备上设置的信号集成装置，用于接收实时参数,将模拟设备信息以及实时参数进行集成，并将模拟设备信息以及实时参数发送至虚拟DCS模块。

3)虚拟DCS模块

1)三维实景地图技术。面对城市道路快速发展，高架桥、高速路平地拔起，在点、线、面的基础上添加高度与宽度，使导航画面与实时路况更相符，避免了复杂路段驾驶时因辨识道路而发生意外。

虚拟DCS模块,用于模拟实际DCS系统，接收启动指令,根据启动指令启动生成控制指令，并将控制指令发送至所述虚拟现场模块，连通模拟设备，接收模拟设备信息以及实时参数，并根据模拟设备信息和实时参数调用计算模型进行运算，生成模拟设备信息和完整实时参数,并将模拟设备信息和完整实时参数输出。

虚拟DCS模块包括主控单元、画面调度单元、实时数据存储单元、通讯模块、计算模型存储单元、报警管理单元、历史数据管理单元和组态单元。

主控单元用于管理、调度精细化工反应单元仿真控制系统的各功能模块，控制各个功能模块的执行顺序,接收并向各个功能模块转发用户的键盘、鼠标操作请求。

画面调度单元用于画面调度模块负责管理控制操作界面运行时，用户在各画面之间的显示、切换工作。

实时数据存储单元用于精细化工反应单元仿真控制系统拥有一个实时数据存储单元，负责存储、查询控制操作界面的实时数据，可以支持各种DCS系统中常见的数据类型:PID点、AIN、 A0UT、DIN、D0UT、计算点、逻辑点、数字量、选择器等。

通讯模块用于负责上、下位机的数据通讯，将下位机的实时数据送到上位机，并将上位机的运算结果传回到下位机。

计算模型存储单元包括现场设备中各个装置的专业算法、流量算法、换热算法以及根据需要建立的算法，用于完成控制操作界面的各种控制算法。

报警管理单元用于支持各种常规DCS中可能发生的报警。报警类型支持高/低限报警、变化率报警、偏差报警等，对各类型的报警可以定义不同的报警级别。当报警发生时，在画面中发生颜色变化，产生各种报警声音等现象。

历史数据管理单元用于精细化工反应单元仿真控制系统根据仿真培训的需求，存储八小时内的历史数据，主要用于历史趋势画面的显示。

组态单元，包括流程图组态工具、点组态工具、画面组态工具等等。

4)显示模块

显示模块,所述显示模块接收所述虚拟DCS模块发送的模拟设备信息和完整实时参数，并对模拟设备信息和完整实时参数进行显示。

3 半实物柔性装置单元装置控制方法

3.1 半实物柔性装置单元装置组成

半实物柔性装置单元组成包括：第一高位槽单元、第二高位槽单元、加料釜单元、加热器单元、冷却器单元,压滤机单元、第一泵单元、第二泵单元、第三泵单元、储槽单元和反应釜单元。其中，核心反应釜采用的是搪玻璃材质的真实工业设备。

3.2 反应釜单元控制方法

反应釜操作控制的仿真方法包括:根据单元反应类型进行模块调用、算法模块初始化、工艺数据动态赋值;对仿真设备进行参数辨识、稳态数据初始化、特征参数反算，以输出并校验特征参数;根据工艺数据和校验后的特征参数进行故障模拟计算、气液平衡计算、反应釜温度、压力、液位计算、釜体数据输出、结束。反应釜控制方法如图2所示。

模拟反应釜单元中的温度显示控制仪表单元根据温度大小调节模拟蒸汽阀门和冷却水开度。反应釜算法模型功能是由进口条件(流量、温度)、出口条件(流量)及外部传热量计算釜的液位、温度、气化量、压力等；模型参数如表1所示。

图2 反应釜操作控制的仿真方法

表1 反应釜算法模型主要参数

4 柔性仿真半实物实训装置实用性

4.1 适应性强

单元反应仿真控制系统通过精细化工原理仿真建模来控制模拟现场仪表工艺参数，能够在同一套模拟精细化工反应单元实训装置上进行多工艺模拟、及仿真切换，提高了实训配置的灵活性、完整性、教学效率，适应了多教学发展的未来需求,可持续对复杂程度日益增长的教学需要进行完整、快速地配置；单元反应仿真控制系统和实际实训装置相结合，更形象地将单元反应过程呈现给学生,进一步优化了教学效果。

4.2 内容丰富

柔性仿真系统装置每一个仿真工艺单元都具备产品认知、工艺流程认知、反应机理学习、反应物料物性参数认知、自动控制方案学习、冷态开车实操等内容，可以有效解决实训室一套装置只能完成一种仿真操作的缺陷，实现多种精细化工反应切换。通过该装置的学习，可以完成不同精细化工反应学习，理解不同反应单元的反应条件，掌握不同反应控制参数方法，更重要的是让学生能够自己动手完成现场阀门操作与中控DCS操作的交互运行，在提升操作技能同时也能锻炼团队合作能力[5]。

5 结语

将多功能柔性仿真系统装置融入到精细化工单元课程中，可以完善实现理论学习-仿真操作-实物装置操操作的理实一体化课程设计，在丰富课程内容的同时更有助于将现场装置流程学习、虚拟仿真操作、化工反应控制、安全素养等方面知识融为一体，让课程内容更有价值，更实用，为后续课程的学习及进入企业实习奠定良好的理论和技能基础。