CN107885098A - 单元反应仿真控制系统及包括其的仿真系统、仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单元反应仿真控制系统及包括其的仿真系统、仿真方法，单元反应仿真控制系统包括：实时参数传感器，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；虚拟现场模块，用于对现场设备进行模拟，以得到模拟设备，所述模拟设备上设置信号集成装置，所述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，并集成信息发送至虚拟DCS模块；虚拟DCS模块，用于接收启动指令，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，连通所述模拟设备，接收模拟设备信息以及实时参数，根据模拟设备信息和实时参数调用计算模型进行运算。本发明的仿真控制系统兼容多个单元反应。

Description

单元反应仿真控制系统及包括其的仿真系统、仿真方法

技术领域

本发明涉及教学设备控制软件技术领域，尤其涉及单元反应仿真控制系统及包括其的仿真系统、仿真方法。

背景技术

精细化工是当今化学工业中最具活力的新兴领域之一，是新材料的重要组成部分。精细化工产品种类多、附加值高、用途广、产业关联度大，直接服务于国民经济的诸多行业和高新技术产业的各个领域。

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。精细化工单元反应主要包括氧化、卤化、硝化、磺化、胺化、烷基化、酯化等反应。

精细化工反应单元大多以间歇方式生产，主体生产装置大多为间隙式反应釜，主要材质为不锈钢或搪玻璃。间歇式反应釜是一种间歇的按批量进行反应的化学反应釜，液体物料在反应釜内完全混合而无流量进出。其特点是进行反应所需的原料一次装入反应釜，然后在其中进行反应，经一定的时间后，达到所要求的反应程度便卸除全部反应物料，其中主要是反应产物以及少量未被转化的原料。

仿真技术与计算机技术密切相关。它是一门建立在相似理论、控制理论、工程技术和计算技术基础上的综合性和试验性的科学技术。仿真系统就所服务的对象而言有不同的行业，如航空航天、核能发电、火力发电、石油化工、冶金、轻工等。化工仿真系统是在航空航天、电站仿真系统之后，从六十年代末由国外开始开发应用的，它是建立在化学工程、计算机技术、控制工程和系统工程等学科基础上的综合性实用技术。例如：中国石油集团公司下属的炼化企业，在计算机仿真培训方面就已经有近30年的使用历史。从一九八五年开始至今在中国石油化工领域中，已经上百家企业有了自己的仿真基地或建立了仿真系统。国内自行研制开发了的化工装置仿真系统涉及化工工业的重要工艺流程，其中包括：炼油工业的常减压、催化裂化、重油催化裂化、加氢精制与裂化、重整、延迟焦化、酮苯脱蜡、润滑油加氢、MTBE等；化工工业的乙烯全流程、聚乙烯、聚丙烯、环氧乙烷/乙二醇、丁二烯、芳烃抽提、对二甲苯等；各类大中型化肥厂的合成氨装置以及尿素生产装置；以及各种精细化工装置。

在精细化工教学过程中，精细化工实训装置多以实际工艺流程进行缩小建设，走实际物料，因产品工艺限制很难做到氧化、卤化、硝化、磺化、胺化、烷基化、酯化等反应的多种切换，讲解受限。并且，精细化工反应多为涉及放热反应，高温因而成为实训过程的安全隐患。又兼物料有毒有害物质很难处理，在安全环保方面有很大压力。另外，当在精细化工实训装置中使用仿真物料时，与真实反应的情况不一样，不能达到理想状态，因此，如何改进精细化工装置的实训仿真是教学设备的一项重要课题。

因此，需要一种满足多种单元反应工艺切换并且安全环保的单元反应仿真控制系统及包括其的仿真系统、仿真方法。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种单元反应仿真控制系统，包括：

实时参数传感器，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；

虚拟现场模块，用于对现场设备进行模拟，以得到模拟设备，所述模拟设备上设置信号集成装置，所述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；

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，连通所述模拟设备，接收模拟设备信息以及实时参数，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。

所述模拟设备包括模拟第一高位槽单元、模拟第二高位槽单元、模拟加料釜单元、模拟加热器单元、模拟冷却器单元，模拟压滤机单元、模拟第一泵单元、模拟第二泵单元、模拟第三泵单元、模拟储槽单元和模拟反应釜单元。

所述模拟第一高位槽单元、所述模拟第二高位槽单元、所述模拟加料釜单元、所述模拟加热器单元、所述模拟冷却器单元，所述模拟压滤机单元、所述模拟第一泵单元、所述模拟第二泵单元、所述模拟第三泵单元、所述模拟储槽单元与所述反应釜单元连通，所述模拟第一泵单元置于所述模拟加热器单元与所述模拟反应釜单元之间，所述模拟第二泵单元置于所述模拟加料罐单元与所述模拟反应釜单元之间，所述模拟第三泵单元置于所述模拟反应釜单元与所述模拟储槽单元之间。

所述模拟反应釜单元上设置有模拟温度显示控制仪表单元，所述模拟加热器单元与所述模拟反应釜单元之间设置有模拟第一阀门单元，所述模拟温度显示控制仪表单元根据温度大小调节模拟第一阀门单元的开度。

所述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氧化反应模型、卤化反应模型、硝化反应模型、磺化反应模型、胺化反应模型、烷基化反应模型和酯化反应模型。

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

所述实时数据存储单元支持PID点、AIN、AOUT、DIN、DOUT、计算点、逻辑点、数字量、选择器的数据类型当中任一。

所述单元反应仿真系统还包括显示模块，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。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括上述单元反应仿真控制系统的单元反应仿真系统还包括：与模拟设备相对应的第一高位槽、第二高位槽、加料釜、加料口、气体管路、反应釜、加热器、冷却器、压滤机和储槽，设置在所述第一高位槽、所述第二高位槽、所述加料釜、所述储槽上的液位传感器，所述液位传感器用于将所述第一高位槽、所述第二高位槽、所述加料釜、所述储槽的液位数据信号分别对应发送至所述模拟第一高位槽单元、所述模拟第二高位槽单元、所述模拟加料釜单元、所述模拟储槽单元上的信号集成装置，设置在所述反应釜、所述加热器和所述冷却器上的温度传感器，所述温度传感器用于将所述反应釜、所述加热器和所述冷却器的温度数据信号分别对应发送至所述模拟反应釜单元、所述模拟加热器单元和所述模拟冷却器单元上的信号集成装置。

根据本发明的又一方面，提供了一种基于上述单元反应仿真系统实现的仿真方法包括以下步骤：

虚拟DCS模块接收启动指令，根据启动指令启动生成控制指令，并将控制指令发送至虚拟现场模块，连通模拟设备；

实时参数传感器采集现场设备的实时参数，并将实时参数发送至信号集成装置；

虚拟现场模块对现场设备进行模拟，以得到模拟设备，所述模拟设备上设置信号集成装置，所述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；

虚拟DCS模块模拟实际DCS系统接收模拟设备信息以及实时参数，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。

本发明的有益效果为：

1.本发明的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；

2.本发明的单元反应仿真系统及方法结合单元反应仿真控制系统和实际实训装置，更形象地将单元反应过程呈现给学生，使得进一步优化教学效果。

附图说明

图1为本发明的单元反应仿真控制系统框图示意图；

图2为本发明的单元反应仿真方法示意图；

图3为本发明的反应釜的仿真方法示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的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，本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。

图1为本发明的单元反应仿真系统框图示意图，如图1所示，本发明提供的单元反应仿真控制系统，包括：

实时参数传感器，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；

虚拟现场模块，用于对现场设备进行模拟，以得到模拟设备，所述模拟设备上设置信号集成装置，所述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；

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，连通所述模拟设备，接收模拟设备信息以及实时参数，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。

所述模拟设备包括模拟第一高位槽单元、模拟第二高位槽单元、模拟加料釜单元、模拟加热器单元、模拟冷却器单元，模拟压滤机单元、模拟第一泵单元、模拟第二泵单元、模拟第三泵单元、模拟储槽单元和模拟反应釜单元。

所述模拟第一高位槽单元、所述模拟第二高位槽单元、所述模拟加料釜单元、所述模拟加热器单元、所述模拟冷却器单元，所述模拟压滤机单元、所述模拟第一泵单元、所述模拟第二泵单元、所述模拟第三泵单元、所述模拟储槽单元与所述反应釜单元连通，所述模拟第一泵单元置于所述模拟加热器单元与所述模拟反应釜单元之间，所述模拟第二泵单元置于所述模拟加料罐单元与所述模拟反应釜单元之间，所述模拟第三泵单元置于所述模拟反应釜单元与所述模拟储槽单元之间。所述模拟第一高位槽单元、所述模拟第二高位槽单元和所述模拟加料釜单元均用于向所述模拟反应釜单元添加液相物料，所述模拟加料口单元用于向所述模拟反应釜单元添加固相物料，所述模拟气体管路用于向所述模拟反应釜单元添加工艺气体；所述模拟冷却器单元用于为所述模拟反应釜单元提供冷源，以控制所述模拟反应釜单元中的温度；所述模拟压滤机单元用于出料的压滤，以进行固液分离，所述模拟储槽单元用于出料的储存。

所述模拟反应釜单元上设置有模拟温度显示控制仪表单元，所述模拟加热器单元与所述模拟反应釜单元之间设置有模拟第一阀门单元，所述模拟温度显示控制仪表单元根据温度大小调节模拟第一阀门单元的开度。

所述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氧化反应模型、卤化反应模型、硝化反应模型、磺化反应模型、胺化反应模型、烷基化反应模型和酯化反应模型。通过以下步骤建立单元反应模型：建立计算模型存储单元；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。

所述虚拟DCS模块包括画面调度单元、实时数据存储单元、计算模型存储单元、报警管理单元、历史数据管理单元、组态单元和主控单元。所述主控单元用于管理、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。所述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。所述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。所述实时数据存储单元可以支持各种DCS系统中常见的数据类型：PID点、AIN、AOUT、DIN、DOUT、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。所述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。所述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。所述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。所述组态单元，包括流程图组态工具、点组态工具、画面组态工具等等。

所述单元反应仿真系统还包括显示模块，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。

本发明的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。

本发明提供的包括上述单元反应仿真控制系统的单元反应仿真系统还包括：与模拟设备相对应的第一高位槽、第二高位槽、加料釜、加料口、气体管路、反应釜、加热器、冷却器、压滤机和储槽，设置在所述第一高位槽、所述第二高位槽、所述加料釜、所述储槽上的液位传感器，所述液位传感器用于将所述第一高位槽、所述第二高位槽、所述加料釜、所述储槽的液位数据信号分别对应发送至所述模拟第一高位槽单元、所述模拟第二高位槽单元、所述模拟加料釜单元、所述模拟储槽单元上的信号集成装置，设置在所述反应釜、所述加热器和所述冷却器上的温度传感器，所述温度传感器用于将所述反应釜、所述加热器和所述冷却器的温度数据信号分别对应发送至所述模拟反应釜单元、所述模拟加热器单元和所述模拟冷却器单元上的信号集成装置。

所述实时参数传感器包括分别设置在所述第一高位槽、所述第二高位槽、所述加料釜、所述储槽上的液位传感器和设置在所述反应釜、所述加热器和所述冷却器上的温度传感器，所述液位传感器用于将第一高位槽、第二高位槽、加料釜、储槽的液位数据信号分别对应发送至所述模拟第一高位槽单元、所述模拟第二高位槽单元、所述模拟加料釜单元、所述模拟储槽单元上的信号集成装置，所述温度传感器用于将所述反应釜、所述加热器和所述冷却器的温度数据信号分别对应发送至所述模拟反应釜单元、所述模拟加热器单元和所述模拟冷却器单元上的信号集成装置。

图2为本发明的单元反应仿真方法示意图，如图2所示，本发明提供的基于上述单元反应仿真系统实现的仿真方法，包括以下步骤：

虚拟DCS模块接收启动指令，根据启动指令启动生成控制指令，并将控制指令发送至虚拟现场模块，连通模拟设备；

实时参数传感器采集现场设备的实时参数，并将实时参数发送至信号集成装置；

虚拟现场模块对现场设备进行模拟，以得到模拟设备，所述模拟设备上设置信号集成装置，所述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；

虚拟DCS模块模拟实际DCS系统接收模拟设备信息以及实时参数，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。

图3为本发明的反应釜的仿真方法示意图，如图3所示，反应釜的仿真方法包括：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；

反应釜算法模型主要参数说明如下：

本发明的单元反应仿真系统及方法结合单元反应仿真控制系统和实际实训装置，更形象地将单元反应过程呈现给学生，使得进一步优化教学效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种单元反应仿真控制系统，其特征在于，包括：

实时参数传感器，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；

虚拟现场模块，用于对现场设备进行模拟，以得到模拟设备，所述模拟设备上设置信号集成装置，所述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；

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，连通所述模拟设备，接收模拟设备信息以及实时参数，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。

2.根据权利要求1所述的单元反应仿真控制系统，其特征在于，所述模拟设备包括模拟第一高位槽单元、模拟第二高位槽单元、模拟加料釜单元、模拟加热器单元、模拟冷却器单元，模拟压滤机单元、模拟第一泵单元、模拟第二泵单元、模拟第三泵单元、模拟储槽单元和模拟反应釜单元。

3.根据权利要求2所述的单元反应仿真控制系统，其特征在于，所述模拟第一高位槽单元、所述模拟第二高位槽单元、所述模拟加料釜单元、所述模拟加热器单元、所述模拟冷却器单元，所述模拟压滤机单元、所述模拟第一泵单元、所述模拟第二泵单元、所述模拟第三泵单元、所述模拟储槽单元与所述反应釜单元连通，所述模拟第一泵单元置于所述模拟加热器单元与所述模拟反应釜单元之间，所述模拟第二泵单元置于所述模拟加料罐单元与所述模拟反应釜单元之间，所述模拟第三泵单元置于所述模拟反应釜单元与所述模拟储槽单元之间。

4.根据权利要求3所述的单元反应仿真控制系统，其特征在于，所述模拟反应釜单元上设置有模拟温度显示控制仪表单元，所述模拟加热器单元与所述模拟反应釜单元之间设置有模拟第一阀门单元，所述模拟温度显示控制仪表单元根据温度大小调节模拟第一阀门单元的开度。

5.根据权利要求4所述的单元反应仿真控制系统，其特征在于，所述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氧化反应模型、卤化反应模型、硝化反应模型、磺化反应模型、胺化反应模型、烷基化反应模型和酯化反应模型。

6.根据权利要求5所述的单元反应仿真控制系统，其特征在于，所述虚拟DCS模块包括画面调度单元、实时数据存储单元、计算模型存储单元、报警管理单元、历史数据管理单元、组态单元和主控单元。

7.根据权利要求6所述的单元反应仿真控制系统，其特征在于，所述实时数据存储单元支持PID点、AIN、AOUT、DIN、DOUT、计算点、逻辑点、数字量、选择器的数据类型当中任一。

8.根据权利要求7所述的单元反应仿真控制系统，其特征在于，所述单元反应仿真系统还包括显示模块，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。

9.一种包括权利要求1至8中任一项所述单元反应仿真控制系统的单元反应仿真系统，其特征在于，还包括：与模拟设备相对应的第一高位槽、第二高位槽、加料釜、加料口、气体管路、反应釜、加热器、冷却器、压滤机和储槽，设置在所述第一高位槽、所述第二高位槽、所述加料釜、所述储槽上的液位传感器，所述液位传感器用于将所述第一高位槽、所述第二高位槽、所述加料釜、所述储槽的液位数据信号分别对应发送至所述模拟第一高位槽单元、所述模拟第二高位槽单元、所述模拟加料釜单元、所述模拟储槽单元上的信号集成装置，设置在所述反应釜、所述加热器和所述冷却器上的温度传感器，所述温度传感器用于将所述反应釜、所述加热器和所述冷却器的温度数据信号分别对应发送至所述模拟反应釜单元、所述模拟加热器单元和所述模拟冷却器单元上的信号集成装置。

10.一种基于权利要求9所述单元反应仿真系统实现的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

虚拟DCS模块接收启动指令，根据启动指令启动生成控制指令，并将控制指令发送至虚拟现场模块，连通模拟设备；

实时参数传感器采集现场设备的实时参数，并将实时参数发送至信号集成装置；

虚拟现场模块对现场设备进行模拟，以得到模拟设备，所述模拟设备上设置信号集成装置，所述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；

虚拟DCS模块模拟实际DCS系统接收模拟设备信息以及实时参数，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。