CN102122451A - 一种生产装置的仿真教学与培训系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生产装置的仿真教学与培训系统，它包括生产设备区、过程监控操作室与仿真系统。所述生产设备区内的所有设备按一定比例缩小制成，适量采用真实的工厂用仪表与阀门；所述过程监控操作室是一个真实的中央控制室，可以由DCS系统进行操作组织；所述仿真系统是一个由计算机系统构成化工过程设备性能、过程反应与工程特性的仿真系统。所述过程监控操作室内设有控制系统，仿真系统经过对系统的实时模拟计算产生的输出信号经就地显示仪表或变送器（可以是空壳）的接线端子送到控制系统，输出信号直接送到现场的执行器上，仿真系统转接控制系统给执行器操作信号。

Description

一种生产装置的仿真教学与培训系统及方法

技术领域

本发明涉及教学模拟培训系统，特别涉及一种生产装置的仿真教学与培训系统及方法。

背景技术

近几年来，我国化工工业的不断发展，新装置和新技术更新速度不断加快，企业对技术工人的需求量越来越大，对技能水平的要求越来越高，拥有大量具有良好操作技能的一线生产工人是装置安全、稳定、长周期、满负荷、优化运行的必要保障，这在一定程度上促进了职业技术教育的发展，同时也对职业技术教育提出了更高的要求，若再沿用传统的“师傅带徒弟”式的下厂实习的方法，职业技术教育将跟不上时代的发展。近几年仿真培训系统得到了很大的发展，仿真培训系统简而言之就是用计算机模拟DCS控制环境，用其中运行的实时动态数学模型取代真实的生产装置，在这样的仿真环境下对学生进行操作技能训练。但是这种仿真系统存在一定的缺陷，学生们在电脑上看到的模型和现场的实物存在较大的差异，无法产生真实的临境感觉。而且很多现场的阀门、设备的实际操作训练得不到锻炼，特别是一些化工厂也不会让学生随意的介入化工生产车间进行相应的训练。由于仿真操作不能完全代替实操，搭建仿真与实操有机结合的化工实训平台是目前的发展趋势。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种生产装置的仿真教学与培训系统，基于生产实景，使得仿真与实际操作结合起来，达到最佳的教学效果及培训目的。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种生产装置的仿真教学与培训系统，它包括生产设备区、过程仿真系统与过程监控操作室；所述生产设备区的阀门将信号传输给仿真系统，所述仿真系统经过计算后将输出值反馈给所述过程监控操作室的中央控制室，中央控制室处理后输出信号，又传送给生产设备区的执行机构。

所述生产设备区的各个设备的控制机构由过程监控操作室的中央控制室控制，所述中央控制室的输出信号要传送给仿真系统，所述仿真系统计算值输出给生产设备区的现场测控仪表。

所述生产设备区包括现场显示仪表、执行机构、辅助执行机构、手动阀、机泵类设备等。所有设备以工厂装置为背景，按一定比例缩小而制成。

所述执行机构内采用真实的自动调节阀、手动阀、截止阀等，其中所述自动调节阀受控制室制约，手动阀由人工控制，但阀位的信号作为控制过程的动力源，直接进入仿真系统；

装置中还适量采用真实的工厂用仪表、阀门，使学生认识各种显示仪表，学会使用调节器，并感知其重要性，并允许学生对仪表、阀门等进行仿真随意性调节。

进一步，所述生产设备区设计一定量的可解剖设备，以便设备解剖、认识掌握设备内部结构；还配有部分替代物料，增强现场实物感，避免一线生产过程中处处存在的安全隐患。

生产设备区的就地显示仪表采用数显表，其测量值的来源是仿真系统的计算值；远程测量仪表如变送器，则采用外壳及内部接线端子模拟真实仪表。

所述过程监控操作室是一个真实的装置中央控制室，可以由DCS系统进行操作组织；所述中央控制室的控制系统完全按真实装置设计，与真实控制系统的差别主要在于其信号来源不同，本发明的控制系统检测到的数据是由过程仿真系统通过数学模型的演算得来。

进一步，所述控制系统输入信号来自生产设备区的测量仪表，仿真数据通过测量仪表转接；控制系统的输出信号，直接送到现场的执行机构及辅助执行机构，仿真系统通过执行机构转接控制系统给执行机构的操作信号。

所述过程仿真系统是一个由计算机系统构成化工过程设备性能、过程反应工程特性的仿真系统；它将由一个系统的特征值根据实际过程的设备能力尺寸和机械原理，写出关于工艺状态量和进入系统的物料流量之间的数理方程，或是根据该设备内部的化学反应过程机理，写出其关于工艺状态量的反应动力学的数理方程，利用数学的方法，将引起该特征值变化的众多因素组合并构成数学模型。通过检测相关因数的状态值，经数学模型计算，得出当前特征值的数值和状态。

即，所述仿真系统，至少包括输入值接入单元、数学模型建立单元、特征值输出单元，其中，

输入值接入单元，分别接收现场测控仪表测控的数据、手动阀门状态信息;

数学模型建立单元，用于工艺状态量和进入系统的物料流工艺状态量的之间的数理方程，或是根据设备内部的化学反应过程机理，预先存储工艺状态量的反应动力学的数量方程，再将该些特征值 构成数据模型，并将进行保存;

特征值输出单元，用于将输入值接入单元接入的数据按照数学模型建立单元建立的模型进行计算，得到特征值后，传送至中央操作室.

所述过程仿真系统有自己的输入参量，这些参量通常是代表进入某个设备的物料量，如蒸汽量、压缩空气量等。这些量进入仿真系统后，系统则根据设备的物理条件和化学反应的动力学方程，计算得出该设备状态变化、化学反应状态变化的状态特征量，如温度、压力成分等。由于输入的量是个随时间变化的物理量，因而，仿真系统的输出量也是一个动态的变化量。

仿真系统的输入信号，主要是进入系统物料、中间物料的阀门开度。因为，阀门的开度与流过阀门的物料流量有一定的对应关系。在工作点附近，与实际的情况有较好的吻合度。仿真系统通过计算后的输出量，应该是化工系统运行状态的特征量，相当于仪表对实际系统的测量值，可通过计算机的I/O端口直接送到就地显示或送到中央控制室集控显示记录。

仿真系统对阀门和机泵的机械性仿真，是用数学的方法，刻画出阀门与机泵的机械特性和运动规律；所述的仿真系统配有接受阀门开度或是机泵启停信号的输入端口，包括现场启动设备信号；也即仿真系统接受中央控制室对于阀门的操作的信号和对于机泵的操作信号，所述对于阀门的操作信号可以来自测量阀门开度的传感器。仿真系统经过对系统的实时模拟产生的输出信号经就地显示仪表或变送器的接线端子送到中央控制室。

本发明的有益效果是，使仿真与实际操作相结合，达到最佳教学的目的，使用计算机模拟DCS控制环境，用其中运行的实时动态数学模型取代真实的生产装置，使学生避免了实操过程中危险的化工环境，获得了大量的突发状况应急处理经验。

以工厂真实装置为背景，采用开放性的工艺参数设计和先进的软件平台，体现工厂现场的真实状态，适用于化工、自动化等专业的教学、培训领域。

附图说明

图1为本发明虚拟仿真与现场操作相结合的教学与培训系统的示意图；

图2为本发明阀门信号及仿真输出仪表信号与系统关系的示意图；

图3为本发明机泵启停与系统关系的示意图；

图4为本发明液位仿真实施的示意图。

图5为本发明数学模型的建立与完成示意图。

具体实施方式：

为了使本发明的创作特征、技术手段与达成目的易于明白理解，以下结合具体实施例进一步阐述本发明。

实施例：

参看图1，一种化工生产装置的仿真教学与培训系统，包括生产设备区1、过程监控操作室2与仿真系统3，生产设备区1包括现场显示仪表11、执行机构12、辅助执行机构13和手动阀门14，所述手动阀门14的阀位信号作为制过程的动力源，直接进入仿真系统3。

现场显示仪表11的数值来源于仿真系统3的输出。

生产设备区1的手动阀门14输出阀位信号给仿真系统3，仿真系统3通过计算输出虚拟的仪表变量值给过程监控操作室2中的DCS显示系统，通过对比设定仪表值将变化量输出给生产设备区的自动执行机构12，完成变量控制。而且输出给自动执行机构12的变量同时传输给仿真系统3，使仿真系统3通过计算输出新的仪表值给程监控操作室2中的DCS显示系统。手动阀门14输出阀位信号送给仿真系统3后，通过计算输出虚拟的仪表值给现场显示仪表11。生产设备区1的一些现场仪表11检测到真实的仪表值以后传输给过程监控操作室2中的DCS系统，显示仪表值。生产设备区1中物料的生成或是反应掉可以通过仿真系统3的计算后输出变化量给过程监控操作室2中的DCS系统，DCS输出信号给辅助执行机构13，完成仿真过程。

过程监控操作室2内的控制系统完全按真实装置设计，与真实控制系统的差别主要在于其信号来源不同，控制系统检测到的数据是由仿真系统3通过数学模型的演算得来。

生产设备区1设计一定量的可解剖设备，以便解剖、认识掌握设备内部结构，部分替代物料，增强现场实物感，避免一线生产过程中处处存在的安全隐患。

仿真系统3是一个由计算机系统构成化工过程设备性能、过程反应工程特性的仿真系统；它将由一个系统的特征值根据实际过程的设备能力尺寸和机械原理，写出关于工艺状态量和进入系统的物料流量之间的数理方程，或是根据该设备内部的化学反应过程机理，写出其关于工艺状态量的反应动力学的数理方程，利用数学的方法，将引起该特征值变化的众多因素组合并构成数学模型。通过检测相关因数的状态值，经数学模型计算，得出当前特征值的数值和状态。

所述仿真系统，至少包括输入值接入单元、数学模型建立单元、特征值输出单元，其中，

输入值接入单元，分别接收现场测控仪表测控的数据、手动阀门状态信息;

数学模型建立单元，用于工艺状态量和进入系统的物料流工艺状态量的之间的数理方程，或是根据设备内部的化学反应过程机理，预先存储工艺状态量的反应动力学的数量方程，再将该些特征值构成数据模型，并将进行保存;

特征值输出单元，用于将输入值接入单元接入的数据按照数学模型建立单元建立的模型进行计算，得到特征值后，传送至中央操作室.

以半水煤气气柜高度参数的计算为例，数学模型的建立与完成如图5，其中具体计算方案为：

流量计算：

①单位采样周期气体增量：ΔV_i＝（F₁－F₂）÷3600×k

②气柜剩余气体体积计算：V₁=ΣΔV_i

③压力校正：V₂＝V₁×P。÷P₁

高度计算：H＝V₂/D

式中：ΔV_i——单位采样周期气体增量（m³）

F₁——入气柜半水煤气量（Nm³/h）

F₂——为出气柜半水煤气量（Nm³/h））

K——系统采样周期（S）

V₁——气柜内气体体积（Nm³)

V₂——气柜内工况条件下气体体积（m³)

P。——大气压（kPa）

P₁——工况状态压力（kPa）

H——气柜高度（m）

D——气柜直径（m）

参看图2，过程监控操作室2采用浙江中控公司的DCS系统21进行操作组织，仿真系统3通过计算输出虚拟的仪表变量值给DCS系统21，通过对比设定仪表值将变化量输出给生产设备区1的调节阀，调节阀动作后完成变量控制；采用真实的调节阀15及手动阀16，使学生认识各种显示仪表，学会使用调节器并感知其重要性，并允许学生对仪表、阀门等进行仿真随意性调节。其中调节阀15是自动调节阀，受控制室控制，手动阀16由人工控制，但其阀位的信号作为控制过程的动力源，直接进入仿真系统3。

参看图3，现场机泵17的启停可以现场手动操作，也可以在DCS系统21上操作，不论是手动操作还是控制站操作机泵的启停信号都要输入给仿真系统3。

参看图4，生产设备区1中物料的生成或是反应掉可以通过仿真系统3的计算后输出变化量给过程监控操作室2中的DCS系统21，DCS系统21输出信号给辅助执行机构13，辅助执行机构13动作后显示仪表值11发生变化，将新的仪表数值传输给DCS系统21，完成仿真过程。

对于生产设备区1中的一些产生液体产品的设备因为仿真系统3不走真实物料，液体的产生没有可能，这时我们根据仿真系统3计算出来的产品体积量，利用辅助阀门进水使设备产生相对应的真实的液位，来模拟产品的生成。如一些锅炉系统，由于换热使得液位降低变成水蒸汽，这种液位变化我们也可以通过仿真系统3计算出换热量，根据换热量利用辅助阀门放水调节锅炉液位，达到真实的效果。该方案主要采用如图4所示的系统实现。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种生产装置的仿真教学与培训系统，其特征在于，它包括生产设备区，过程监控操作室与仿真系统，所述生产设备区包括现场显示仪表、执行机构、辅助执行机构、各种手动阀门、机泵、塔和管，所述过程监控操作室是一个真实的装置中央控制室，所述仿真系统是一个由计算机系统构成生产过程设备性能、过程反应工程特性的仿真系统；

所述现场显示仪表输入信号来自于仿真系统，仿真系统输出给显示仪表的仪表值是由于执行机构动作后对系统产生影响，仿真系统就重新计算仪表值;

所述仿真系统，至少包括输入值接入单元、数学模型建立单元、特征值输出单元，其中，

输入值接入单元，分别接收仿真机计算的数据、手动阀门状态信息;

数学模型建立单元，它将一个系统的特征值或者控制状态值通过其反应机理、设备的物理尺寸等要素，利用数学的方法，将引起该特征值变化的众多因素组合成一个算式，构成数学模型，通过检测这些众多因素的状态值，计算出当前特征值的数值和状态;

特征值输出单元，用于将输入值接入单元接入的数据按照数学模型建立的模型进行计算，得到特征值后，传送至中央操作室;

所述中央控制室分别通过线路连接仿真系统、执行机构与辅助执行机构，中央控制室内控制系统接收输入信号经处理后输出，其输出信号直接送到现场的执行机构或辅助执行机构。

2.根据权利要求1所述的一种生产装置的仿真教学与培训系统，其特征在于，所述生产设备区的所有设备是按工厂的实际设备一定比例缩小制成的，还设计一定量的可解剖设备。

3.根据权利要求1或2所述的一种生产装置的仿真教学与培训系统，其特征在于，所述生产设备区适量采用真实的工厂用仪表与各个控制阀门。

4.根据权利要求1所述的一种生产装置的仿真教学与培训系统，其特征在于，所述阀门包括调节阀、截止阀等，所述手动阀的阀位信号作为控制过程的动力源，直接进入仿真系统。

5.根据权利要求1所述的一种生产装置的仿真教学与培训系统，其特征在于，所述仿真系统的输入信号主要是系统模拟物料的液位及执行机构的动作信号。

6.根据权利要求1所述的一种生产装置的仿真教学与培训系统，其特征在于，所述仿真系统输入信号主要是阀门开度或机泵启停信号。

7.根据权利要求1所述的一种生产装置的仿真教学与培训系统，其特征在于，所述生产设备区的就地显示仪表采用数显表，其测量值的显示来源是仿真系统的计算值。

8.一种生产装置的信真教学与培训方法，其特征在于，包括以下方法：

提供一种化工生产装置的仿真教学与培训系统，包括生产设备区、过程监控操作室与仿真系统，生产设备区包括现场显示仪表、执行机构、辅助执行机构和手动阀门，所述手动阀门的阀位信号作为制过程的动力源，直接进入仿真系统;  

   生产设备区的手动阀门输出阀位信号给仿真系统，仿真系统通过计算输出虚拟的仪表变量值给过程监控操作室中的DCS显示系统，通过对比设定仪表值将变化量输出给生产设备区的执行机构，完成变量控制;而且输出给自动执行机构的变量同时传输给仿真系统，使仿真系统通过计算输出新的仪表值给程监控操作室中的DCS显示系统。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括，手动阀门输出阀位信号送给仿真系统后，通过计算输出虚拟的仪表值给现场显示仪表。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，还包括，生产设备区的一些现场仪表检测到真实的仪表值以后传输给过程监控操作室中的DCS系统，显示仪表值，生产设备区中通过仿真系统计算后输出变化量给过程监控操作室中的DCS系统，DCS输出信号给辅助执行机构，完成仿真过程。

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