CN110060562A

CN110060562A - 煤基甲醇转化制芳烃（mta）虚拟仿真实验系统

Info

Publication number: CN110060562A
Application number: CN201910406267.3A
Authority: CN
Inventors: 王俊文; 张玮; 张侃; 马英民; 丁传敏; 申峻; 王玉乔; 王玉高; 薛雨源; 董晋湘
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2019-05-16
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2019-07-26

Abstract

本发明公开一种煤基甲醇转化制芳烃虚拟仿真实验系统，包括：信息管理平台和煤基甲醇转化制芳烃DCS虚拟仿真系统；所述的信息管理平台和所述煤基甲醇转化制芳烃DCS虚拟仿真系统之间通过信号传输和数据转换，使用虚拟现实、多媒体、人机互动、数据库和网络通讯技术手段，构建3D虚拟工厂场景及模拟甲醇转化制芳烃的化工生产流程，从而提供虚拟仿真的教学管理和学习实验的智能模式。本发明虚拟仿真实验系统能够生动形象地反映MTA生产过程，有效扩展和延伸了现场实验教学生动形象的受训体验，使学生更易于理解和掌握化工专业知识，能够大幅度提高教学质量。

Description

煤基甲醇转化制芳烃（MTA）虚拟仿真实验系统

技术领域

本发明涉及天然气化工及煤化工技术领域，具体涉及一种煤基甲醇转化制芳烃（MTA）虚拟仿真实验系统。

背景技术

甲醇转化制芳烃（Methanol to Aromatics, MTA）是以甲醇为原料，在分子筛催化剂上转化生成芳烃产品的过程，是我国煤炭高效清洁利用的自主原始创新技术，对于缓解我国芳烃资源短缺、甲醇产能过剩、延长煤化工和天然气化工产业链具有重要意义。MTA是目前天然气/煤气化工艺开发具有市场前景的工业化路线之一。

化工生产过程工艺复杂，设备、机器、管道众多，处理的物料往往为危险性物质，且单元操作条件苛刻，在生产中潜在着众多风险因素，发生事故的可能性及造成的后果较其它行业更为严重。所以，在实践教学中通常不允许学生亲自动手操作，削弱了实践教学的效果。另一方面，随着招生规模增加，许多工科高等院校面临教学场所拥挤、及专业实验仪器设备数量明显不足等问题。因此，在化工类专业引入虚拟仿真技术，可使高危险(如爆炸、高污染)、不可逆操作(如工业规模装置的开、停车)、高成本、高消耗、大型综合训练等实践类项目在校内安全地进行，既让学生学到了实践中应该掌握的技术，又保护了学生的人身安全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种煤基甲醇转化制芳烃（MTA）虚拟仿真实验系统，其可以模拟甲醇转化制芳烃工段的工艺流程，通过建立3D虚拟工厂场景，让学生身临其境地感受整个化工生产的过程。MTA虚拟仿真实验系统使用虚拟现实、多媒体、人机互动、数据库和网络通讯等技术，根据“虚实结合”和“以虚辅实”的原则，构建虚拟仿真软件及云平台，向学生提供能随时随地进行虚拟仿真的实验条件，让学生在安全、环保、节能的实验环境中获得与真实生产相近的体验，使教师获得事半功倍的教学效果。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种煤基甲醇转化制芳烃虚拟仿真实验系统，其特征在于，包括：信息管理平台和煤基甲醇转化制芳烃DCS虚拟仿真系统；所述信息管理平台通过设置不同的用户登录和操作权限，实现煤基甲醇转化制芳烃工艺的教师教学管理集成模块和学生学习实验集成模块两种不同程序模块；所述煤基甲醇转化制芳烃DCS虚拟仿真系统由DCS控制子系统和煤基甲醇制芳烃3D工厂模拟子系统组成；所述教师教学管理集成模块和/或学生学习实验集成模块与所述DCS控制子系统和/或煤基甲醇制芳烃3D工厂模拟子系统之间通过信号传输和数据转换，使用虚拟现实、多媒体、人机互动、数据库和网络通讯技术手段，构建3D虚拟工厂场景及模拟甲醇转化制芳烃的化工生产流程，从而提供虚拟仿真的教学管理和学习实验的智能模式。

上述技术方案中，所述教师教学管理集成模块包括资源管理模块、课程管理模块、班级管理模块和考试管理模块；所述学生学习实验集成模块包括个人中心模块、资源中心模块、课程中心模块、考试中心模块和留言互动模块。

上述技术方案中，所述煤基甲醇转化制芳烃DCS虚拟仿真系统由DCS控制子系统和煤基甲醇制芳烃3D工厂模拟子系统组成。

进一步地，所述DCS控制子系统包括学生站以及教师站；所述学生站具备冷态开车、稳态、停车以及三类事故工况，共六种工况的模拟操作，还包括历史数据存储功能模块，该历史数据功能存储功能模块用于进行历史数据回访及事故分析、反事故演练、控制逻辑的验证；所述教师站具有发布考试命令、题目设置以及统计成绩的功能。

进一步地，所述煤基甲醇制芳烃3D工厂模拟子系统包括用于提供虚拟仿真的教学管理智能模式的生产工艺模拟仿真集成模块，通过组合不同的化工单元操作来模拟化工工艺流程，模拟MTA生产工段温度、压力和组成的变化；基本原理演示集成模块，用于MTA生产工段涉及到的化工基本原理的演示教学；以及漫游交互集成模块，用于供学员进行交互操作；以及用于提供虚拟仿真的学习实验智能模式的工艺学习集成模块、开车操作集成模块、专项体验集成模块、事故演练集成模块和设备认知集成模块。

更进一步地，所述生产工艺模拟仿真集成模块包括：单元仿真库模块、设备模拟模块和物料模拟模块；其中所述设备模拟模块和物料模拟模块的模拟参数由生产工艺模拟仿真集成模块给定，并依据所述生产工艺模拟仿真集成模块模拟参数动态变化。

更进一步地，所述基本原理演示集成模块包括：基本原理模拟模块，用于构建化工基本原理的数学模型来模拟变化过程；动画演示模块，用于构建简单的化工系统模型，以模型动画和粒子特效的形式动态演示基本化工原理。

更进一步地，所述漫游交互集成模块包括：场景漫游模块，用于学员操控场景内的虚拟人物在三维场景内自由行走观看；设备介绍信息查看模块，用于查看具体设备的相关功能、组成和特性的介绍信息；设备结构查看模块，用于查看设备的具体结构；设备操作模块，由于操作虚拟设备；工艺信息查看模块，用于查看MTA工段中各设备和各股流的工艺参数。

更进一步地，所述工艺学习集成模块包括入厂安全教育模块、防护用品使用学习模块、中控室DCS认知学习模块、消防器材学习模块、MTA工艺总流程学习模块、MTA甲醇转化工段学习模块和MTA芳烃合成工段学习模块。

更进一步地，所述开车操作集成模块包括巡检模块，隐患排查模块以及开车模块，其中开车操作模块可通过动态链接库技术与DCS控制子系统进行连接，实现在3D模拟工厂中进行开关设备的操作以及模拟实际工厂内操与外操的通信环节。

更进一步地，所述事故演练集成模块包括高空坠落体验模块、爆炸体验模块及所对应的事故案例分析模块）。

本发明的有益效果是： MTA虚拟仿真系统将化工生产流程、实验操作视频和实验原理动画等信息生动逼真地呈现在学生面前，丰富了实验教学手段，有效扩展和延伸了现场实验教学，使学生更易于理解和掌握化工专业知识。MTA虚拟仿真实验采用虚实结合、多层递进开放式教学方法，培养学生综合知识运用的能力，发挥学生主动性，根据学生兴趣和学习阶段采用不同的开放教学模式和培训内容。

附图说明

图1 为本发明煤基甲醇转化制芳烃虚拟仿真实验系统的模块构架图。

具体实施方法

以下结合附图对本发明的原理和特性进行描述，所举实例只用于解释本发明，非用于限定本发明内容。

如图1所示，本发明一种煤基甲醇转化制芳烃虚拟仿真实验系统，包括：信息管理平台1和煤基甲醇转化制芳烃DCS虚拟仿真系统2，所述的信息管理平台1和所述煤基甲醇转化制芳烃DCS虚拟仿真系统2之间通过信号传输和数据转换，使用虚拟现实、多媒体、人机互动、数据库和网络通讯技术手段，构建3D虚拟工厂场景及模拟甲醇转化制芳烃的化工生产流程，从而提供虚拟仿真的教学管理和学习实验的智能模式。

所述信息管理平台1通过设置不同的用户登录和操作权限，实现煤基甲醇转化制芳烃工艺的教师教学管理集成模块11和学生学习实验集成模块12两种不同程序模块，其中：所述教师教学管理集成模块11包括资源管理模块111（包括3D仿真软件、理论题库、课件资源和相关动画视频等）、课程管理模块112（包括仿真试卷、理论试卷和实验报告）、班级管理模块113（包括人员导入、在线答疑和成绩统计）和考试管理模块114（包括试卷编辑、考试监控和在线考试）；所述学生学习实验集成模块12包括个人中心模块121（包括个人信息和历史学习信息）、资源中心模块122（包括题库学习、课件在线学习和资源在线浏览）、课程中心模块123（包括课程公告、在线仿真、实验报告、在线答疑等）、考试中心模块124和留言互动模块125。

所述煤基甲醇转化制芳烃DCS虚拟仿真系统2由DCS控制子系统21和煤基甲醇制芳烃3D工厂模拟子系统22组成，其中：所述DCS控制子系统21包括学生站211以及教师站212，所述学生站具备冷态开车、稳态、停车以及三类事故工况，共六种工况的模拟操作和历史数据存储功能模块2111，该历史数据功能存储功能模块用于进行历史数据回访及事故分析、反事故演练、控制逻辑的验证；所述教师站212具有发布考试命令、题目设置以及统计成绩的功能。

所述煤基甲醇制芳烃3D工厂模拟子系统22包括用于提供虚拟仿真的教学管理智能模式的生产工艺模拟仿真集成模块221，通过组合不同的化工单元操作来模拟化工工艺流程，模拟MTA生产工段温度、压力和组成的变化；基本原理演示集成模块222，用于MTA生产工段涉及到的化工基本原理的演示教学；以及漫游交互集成模块223，用于供学员进行交互操作；以及用于提供虚拟仿真的学习实验智能模式的工艺学习集成模块224、开车操作集成模块225、专项体验集成模块226、事故演练集成模块227和设备认知集成模块228。

所述生产工艺模拟仿真集成模块221包括：单元仿真库模块2211、设备模拟模块2212和物料模拟模块2213；所述单元仿真库模块2211通过组合不同的化工单元操作来模拟温度、压力和物料组成等化工工艺变化流程；所述设备模拟模块2212和物料模拟模块2213的模拟参数由生产工艺模拟仿真集成模块221给定，并依据所述生产工艺模拟仿真集成模块221模拟参数动态变化。

所述基本原理演示集成模块222包括：基本原理模拟模块2221，用于构建化工基本原理的数学模型来模拟变化过程；动画演示模块2222，用于构建简单的化工系统模型，以模型动画和粒子特效的形式动态演示基本化工原理。例如，开关阀门过程管路中流体流动状态用三维模型动画的形式展现出来，随着开度增加，气体流速随之增加；对于各种阀门的内部结构同样可以用三维模型动画的形式展现出来，如球阀、蝶阀、截止阀、节流阀、止回阀等。

所述漫游交互集成模块223包括：场景漫游模块2231，用于学员操控场景内的虚拟人物在三维场景内自由行走观看，提供受到重力作用的普通行走和奔跑两种漫游模式，例如可以操纵虚拟工人攀爬楼梯到达不同的楼层；设备介绍信息查看模块2232，用于查看具体设备的相关功能、组成和特性的介绍信息；设备结构查看模块2233，用于查看设备的具体结构；设备操作模块2234，由于操作虚拟设备；工艺信息查看模块2235，用于查看MTA工段中各设备和各股流的工艺参数。

所述工艺学习集成模块224包括入厂安全教育模块2241、防护用品使用学习模块2242（个人防护用品试题）、中控室DCS认知学习模块2243、消防器材学习模块2244（消防安全常识试题、呼吸器使用维护试题）、MTA工艺总流程学习模块2245、MTA甲醇转化工段学习模块2246和MTA芳烃合成工段学习模块2247。

所述开车操作集成模块225包括巡检模块2251，隐患排查模块2252以及开车模块2253，其中开车操作模块2253（开停工试题）可通过动态链接库技术与DCS控制子系统21进行连接，实现在3D模拟工厂中进行开关设备的操作以及模拟实际工厂内操与外操的通信环节。

所述事故演练集成模块227包括高空坠落体验模块2271、爆炸体验模块2272及所对应的事故案例分析模块2273。例如，学员可以使用鼠标键盘来操纵虚拟工人在三维厂区内攀爬上三楼更换灯泡，在操作过程中体验从三楼坠落至地面的过程，分析坠落原因。

上述技术方案中，所述煤基甲醇转化制芳烃DCS虚拟仿真系统2为DCS控制子系统21控制的二段法催化反应过程，包括三个步骤：甲醇脱水生成二甲醚；甲醇/二甲醚在酸中心催化作用下，催化转化生成低碳烯烃；低碳烯烃通过齐聚、烷基化、环化、裂化、脱氢、氢转移等反应生成不同碳数的烷烃、烯烃及芳烃产物。

以上为对本发明提出的一种干熄焦虚拟仿真教学系统的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种煤基甲醇转化制芳烃虚拟仿真实验系统，其特征在于，包括：信息管理平台（1）和煤基甲醇转化制芳烃DCS虚拟仿真系统（2）；

所述信息管理平台（1）通过设置不同的用户登录和操作权限，实现煤基甲醇转化制芳烃工艺的教师教学管理集成模块（11）和学生学习实验集成模块（12）两种不同程序模块；

所述煤基甲醇转化制芳烃DCS虚拟仿真系统（2）由DCS控制子系统（21）和煤基甲醇制芳烃3D工厂模拟子系统（22）组成；

所述教师教学管理集成模块（11）和/或学生学习实验集成模块（12）与所述DCS控制子系统（21）和/或煤基甲醇制芳烃3D工厂模拟子系统（22）之间通过信号传输和数据转换，使用虚拟现实、多媒体、人机互动、数据库和网络通讯技术手段，构建3D虚拟工厂场景及模拟甲醇转化制芳烃的化工生产流程，从而提供虚拟仿真的教学管理和学习实验的智能模式。

2.根据权利要求1所述的煤基甲醇转化制芳烃虚拟仿真实验系统，其特征在于，所述教师教学管理集成模块（11）包括资源管理模块（111）、课程管理模块（112）、班级管理模块（113）和考试管理模块（114），所述学生学习实验集成模块（12）包括个人中心模块（121）、资源中心模块（122）、课程中心模块（123）、考试中心模块（124）和留言互动模块（125）。

3.根据权利要求1所述的煤基甲醇转化制芳烃虚拟仿真实验系统，其特征在于，所述DCS控制子系统（21）包括学生站（211）以及教师站（212）；所述学生站具备冷态开车、稳态、停车以及三类事故工况，共六种工况的模拟操作，还包括历史数据存储功能模块（2111），该历史数据功能存储功能模块用于进行历史数据回访及事故分析、反事故演练、控制逻辑的验证；所述教师站（212）具有发布考试命令、题目设置以及统计成绩的功能。

4.根据权利要求1所述的煤基甲醇转化制芳烃虚拟仿真实验系统，其特征在于，所述煤基甲醇制芳烃3D工厂模拟子系统（22）包括用于提供虚拟仿真的教学管理智能模式的生产工艺模拟仿真集成模块（221），通过组合不同的化工单元操作来模拟化工工艺流程，模拟MTA生产工段温度、压力和组成的变化；基本原理演示集成模块（222），用于MTA生产工段涉及到的化工基本原理的演示教学；以及漫游交互集成模块（223），用于供学员进行交互操作；

以及用于提供虚拟仿真的学习实验智能模式的工艺学习集成模块（224）、开车操作集成模块（225）、专项体验集成模块（226）、事故演练集成模块（227）和设备认知集成模块（228）。

5.根据权利要求4所述的煤基甲醇转化制芳烃虚拟仿真实验系统，其特征在于，所述生产工艺模拟仿真集成模块（221）包括：单元仿真库模块（2211）、设备模拟模块（2212）和物料模拟模块（2213）；其中所述设备模拟模块（2212）和物料模拟模块（2213）的模拟参数由生产工艺模拟仿真集成模块（221）给定，并依据所述生产工艺模拟仿真集成模块（221）模拟参数动态变化。

6.根据权利要求4所述的煤基甲醇转化制芳烃虚拟仿真实验系统，其特征在于，所述基本原理演示集成模块（222）包括：基本原理模拟模块（2221），用于构建化工基本原理的数学模型来模拟变化过程；动画演示模块（2222），用于构建简单的化工系统模型，以模型动画和粒子特效的形式动态演示基本化工原理。

7.根据权利要求4所述的煤基甲醇转化制芳烃虚拟仿真实验系统，其特征在于，所述漫游交互集成模块（223）包括：场景漫游模块（2231），用于学员操控场景内的虚拟人物在三维场景内自由行走观看；设备介绍信息查看模块（2232），用于查看具体设备的相关功能、组成和特性的介绍信息；设备结构查看模块（2233），用于查看设备的具体结构；设备操作模块（2234），由于操作虚拟设备；工艺信息查看模块（2235），用于查看MTA工段中各设备和各股流的工艺参数。

8.根据权利要求4所述的煤基甲醇转化制芳烃虚拟仿真实验系统，其特征在于，所述工艺学习集成模块（224）包括入厂安全教育模块（2241）、防护用品使用学习模块（2242）、中控室DCS认知学习模块（2243）、消防器材学习模块（2244）、MTA工艺总流程学习模块（2245）、MTA甲醇转化工段学习模块（2246）和MTA芳烃合成工段学习模块（2247）。

9.根据权利要求4所述的煤基甲醇转化制芳烃虚拟仿真实验系统，其特征在于，所述开车操作集成模块（225）包括巡检模块（2251），隐患排查模块（2252）以及开车模块（2253），其中开车操作模块（2253）可通过动态链接库技术与DCS控制子系统（21）进行连接，实现在3D模拟工厂中进行开关设备的操作以及模拟实际工厂内操与外操的通信环节。

10.根据权利要求4所述的煤基甲醇转化制芳烃虚拟仿真实验系统，其特征在于，所述事故演练集成模块（227）包括高空坠落体验模块（2271）、爆炸体验模块（2272）及所对应的事故案例分析模块（2273）。