CN114023126A - 一种苯胺生产的仿真教学工厂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种苯胺生产的仿真教学工厂，包括半实物仿真工厂和虚拟现实仿真工厂，所述半实物仿真工厂包括动态流程模拟仿真系统、苯胺实物对象装置和控制系统，所述动态流程模拟仿真系统为苯胺实物对象装置及控制系统提供工艺数据实时计算，所述实物对象装置和控制系统可实现实操实训，所述虚拟现实仿真工厂包括苯胺工业环境沉浸式三维仿真系统和虚拟现实VR/AR设备，所述动态流程模拟仿真系统与沉浸式三维仿真系统连接，所述苯胺工业环境沉浸式三维仿真系统用于对苯胺实物对象装置进行3D建模形成苯胺工业环境。本发明与现有技术相比的优点在于：比真实生产装置更加灵活，便于掌握装置的操作技能，用于教学培训效果更好，更安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及化工领域的仿真教学工厂技术领域，具体是指一种苯胺生产的仿真教学工厂，适用于各类院校化工类及其相关专业的理实一体化教学和专业实习，也适用于化工技术工人岗位培训和化工类技师及高级技师的培训。
背景技术
苯胺是一种重要的有机化工原料和精细化工中间体，由苯胺生产的较重要产品达300种，其典型的生产方法是采用硝基苯催化加氢的方式来制备，且其中采用的设备为流化床反应器。由于生产原料和产品都具有有毒有害的危险性，存在安全和环保隐患，工厂中实际的生产装置很难真正应用到教学实训中。学生在课堂学习过程中只能通过工艺流程图看到设备简图和主要物料走向，不能看到苯胺生产装置的全貌和以及实际的生产工艺流程。且学生即使去企业实训也只能进行观看学习，无法进行实际操作；从而导致学生很难理解从原料到产品的整个生产过程；学生无法较好地认识和感知整个苯胺的生产过程，教师也无法较好地培养学生实际的生产操作技能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服以上的技术缺陷，提供一种苯胺生产的仿真教学工厂，比真实生产装置更加安全可靠，便于更好地掌握装置的操作方法，从而有效提高教学、培训效果。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种苯胺生产的仿真教学工厂，包括半实物仿真工厂和虚拟现实仿真工厂，所述半实物仿真工厂包括动态流程模拟仿真系统、苯胺实物对象装置和控制系统，所述动态流程模拟仿真系统为苯胺实物对象装置及控制系统提供工艺数据实时计算，所述实物对象装置和控制系统可实现实操实训，所述虚拟现实仿真工厂包括苯胺工业环境沉浸式三维仿真系统和虚拟现实VR/AR设备，所述动态流程模拟仿真系统与苯胺工业环境沉浸式三维仿真系统连接，所述苯胺工业环境沉浸式三维仿真系统用于对苯胺实物对象装置进行3D建模形成苯胺工业环境，所述虚拟现实VR/AR设备用于呈现高沉浸感的视、听觉感受。
作为改进，所述动态流程模拟仿真系统包括DCS系统、教师站软件、模型设计器和培训组态软件，所述DCS系统用于苯胺各工段界面进行控制逻辑和操作界面组态并再现真实工厂中控室内操场景，所述教师站软件用于管理和监控学员的培训情况、给学员布置练习并对学员进行考评，所述模型设计器用于对真实生产过程进行高精度全过程仿真模拟并精确描述装置的动态特性，所述培训组态软件用于对工艺模型、教师和操作员三者的关系和培训模式进行组态，能编辑各种开车操作练习、停车操作练习以及各种故障处理练习。
作为改进，所述苯胺实物对象装置包括苯胺对象装置设备和DCS控制系统，所述苯胺对象装置设备包括苯胺合成及精制装置设备，所述DCS控制系统包括控制柜、I/O接口及主控单元并实现半实物装置与仿真仪表通讯以及动力设备开关的操作。
作为改进，所述教师站软件用于查看和管理学员状态和数据、冻结及解冻学员站、设置练习模拟和考试模式、设置通用事故库、管理成绩和自动考评，所述学员状态和数据包括每个学员的登陆姓名、班组、工号等基本信息，每个学员当前培训的项目和内容、操作状态和进度、得分情况以及每个学员正在操作的仿真模型所有数据点的值；所述冻结学员站是指选择任一学员对其进行状态冻结，冻结之后该学员不能进行仿真操作，直到教员将其解冻为止；所述解冻学员站冻结是指解冻学员的冻结状态，令其恢复仿真操作，继续仿真运行；在所述练习模式下学员可以自由选择培训的项目和内容；在所述考试模式下由教员设置学员的考试项目和内容，并设置考试的开始时间和结束时间；在所述通用事故库中可预先设置工厂普遍可能存在的通用事故情况；所述成绩管理的功能可显示和监控当前所有学员的练习或考试信息、可自动记录所有学员的成绩并保存到历史成绩库、可从历史成绩库中调取任一学员任一场考试成绩且能打印当前或历史成绩数据表；所述自动考评功能可对学员操作过程进行自动化考评。
作为改进，所述模型设计器采用全图形化配置方式，支持对各种基础模块通过图形自由拖曳，并通过鼠标点击配置参数的方式进行工艺模型的参数设置和修改，且所述模型设计器采用机理建模方式对实际生产的整体工艺和各个工况进行模拟，即可精确描述各种操作状态下混合物的热力学物性方程，可精确描述用户装置上各种组合设备压力、流量、温度、组分、能量等动态特性的单元操作模型。
作为改进，所述培训组态软件提供可视化环境，且培训组态软件包含图形化编辑练习的模块，能编辑各种开车操作练习、停车操作练习以及各种故障处理练习，以符合培训需求。
作为改进，所述热力学物性方程包括状态方程和活度系数模型；所述单元操作模型用于对实际生产过程的单元操作设备进行机理建模，并生成逐个完整封装、以图标独立显示的单元操作模型，用户能通过鼠标拖曳的方式来选择单元操作模型，并以鼠标点击的方式配置和修改单元操作模型的参数。
作为改进，所述苯胺工业环境沉浸式三维仿真系统可对苯胺工业环境进行模拟，并可对工艺装置上的正常操作、故障、泄漏甚至着火、爆炸等真实场景进行模拟，令学生了解工厂在正常和非正常情况下应采取的措施、装备的佩戴和必要的逃生技能，且所述苯胺工业环境沉浸式三维仿真系统包括三维场景应用系统、交互体验系统、事故安全演练系统和精准三维建模系统，所述三维场景应用系统建立了包含工厂、设备区域的场景，满足不同的3D离线需求，并可模拟不同环境下的工厂情况，人物可以在工厂中进行常规巡检、漫游，可以操作各种设备，其中阀门、仪表可与中控室相互联系，实现沉浸式的3D工厂需求；所述交互体验系统可在不同场景中，感受到环境的变换，且背景的声音会与工厂实际的声音保持一致；所述事故安全演练系统根据工厂可能潜在的安全事故，进行仿真演练并根据实际预案编写，逐一对每一项内容进行评分考核，从而达到培训学员的目的；所述精准三维建模系统采用独创点云扫描技术与专业CAD制图相结合的VR建模技术，促使虚拟场景可1:1复制现实场景，并建立与真实场景的误差在每百米20毫米以内的行业新标准，可完美再现真实工厂，获取点云数据，通过处理点云数据获得高精度工厂模型，从而实现1:1复制现实场景。
作为改进，所述VR/AR设备集合虚拟现实VR设备和增强现实AR设备，呈现高沉浸感的立体视、听觉感受，且支持多种VR头戴设备和AR交互硬件，如增强现实眼镜、头部跟踪器、骨骼跟踪器、红外传感系统、惯性传感系统、动作捕捉系统等。
作为改进，所述仿真仪表包括液位显示计、压力显示计、流量显示计、自动阀、切断阀和手操阀，所述液位显示计用于显示液位，所述压力显示计用于显示设备和管道的压力，所述流量显示计用于显示管道流量，所述自动阀为PID控制回路执行阀，所述切断阀可手动切断物流，所述手操阀用于手动调节流量大小。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明的一种苯胺生产的仿真教学工厂通过实物型流程模拟和虚拟现实技术针对苯胺生产工艺定制开发仿真教学工厂，同时涵盖半实物仿真工厂和虚拟现实仿真工厂内容，并重点包含如下三方面核心能力建设：(1)以实物仿真的方式，通过精确比例缩小真实工厂的工业设备，配备DCS系统、仿真仪表等，体现既能解决高校场地紧缺问题，又能最高程度地还原工厂实际生产情况的能力；(2)以流程模拟技术对生产过程进行动态仿真，提供师生熟悉工艺和改进工艺的科研平台，从而提高产品产、收率和质量的能力；(3)以虚拟现实技术方式展示工业场景，实现人机无缝交互，体现融合传统流程模拟技术与最新的沉浸式三维系统、虚拟现实VR/AR技术的能力，展现多学科、新技术创新应用的实力。
附图说明
图1是本发明一种苯胺生产的仿真教学工厂的整体原理框图。
图2是本发明一种苯胺生产的仿真教学工厂苯胺对象装置设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。
需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
结合附图1-2，一种苯胺生产的仿真教学工厂，包括半实物仿真工厂和虚拟现实仿真工厂，所述半实物仿真工厂包括动态流程模拟仿真系统、苯胺实物对象装置和控制系统，所述动态流程模拟仿真系统为苯胺实物对象装置及控制系统提供工艺数据实时计算，所述实物对象装置和控制系统可实现实操实训，所述虚拟现实仿真工厂包括苯胺工业环境沉浸式三维仿真系统和虚拟现实VR/AR设备，所述动态流程模拟仿真系统与苯胺工业环境沉浸式三维仿真系统连接，所述苯胺工业环境沉浸式三维仿真系统用于对苯胺实物对象装置进行3D建模形成苯胺工业环境，所述虚拟现实VR/AR设备用于呈现高沉浸感的视、听觉感受。
所述动态流程模拟仿真系统包括DCS系统、教师站软件、模型设计器和培训组态软件，所述DCS系统用于苯胺各工段界面进行控制逻辑和操作界面组态并再现真实工厂中控室内操场景，所述教师站软件用于管理和监控学员的培训情况、给学员布置练习并对学员进行考评，所述模型设计器用于对真实生产过程进行高精度全过程仿真模拟并精确描述装置的动态特性，所述培训组态软件用于对工艺模型、教师和操作员三者的关系和培训模式进行组态，能编辑各种开车操作练习、停车操作练习以及各种故障处理练习。
所述苯胺实物对象装置包括苯胺对象装置设备和DCS控制系统，所述苯胺对象装置设备包括苯胺合成及精制装置设备，所述DCS控制系统包括控制柜、I/O接口及主控单元并实现半实物装置与仿真仪表通讯以及动力设备开关的操作。
所述教师站软件用于查看和管理学员状态和数据、冻结及解冻学员站、设置练习模拟和考试模式、设置通用事故库、管理成绩和自动考评，所述学员状态和数据包括每个学员的登陆姓名、班组、工号等基本信息，每个学员当前培训的项目和内容、操作状态和进度、得分情况以及每个学员正在操作的仿真模型的所有数据点的值；所述冻结学员站是指选择任一学员对其进行状态冻结，冻结之后该学员不能进行仿真操作，直到教员将其解冻为止；所述解冻学员站冻结是指解冻学员的冻结状态，令其恢复仿真操作，继续仿真运行；在所述练习模式下学员可以自由选择培训的项目和内容；在所述考试模式下由教员设置学员的考试项目和内容，并设置考试的开始时间和结束时间；在所述通用事故库中可预先设置工厂普遍可能存在的通用事故情况；所述成绩管理的功能可显示和监控当前所有学员的练习或考试信息、可自动记录所有学员的成绩并保存到历史成绩库、可从历史成绩库中调取任一学员任一场考试成绩且能打印当前或历史成绩数据表；所述自动考评功能可对学员操作过程进行自动化考评。
所述模型设计器采用全图形化配置方式，支持对各种基础模块通过图形自由拖曳，并通过鼠标点击配置参数的方式进行工艺模型参数的设置和修改，且所述模型设计器采用机理建模方式对实际生产的整体工艺和各个工况进行模拟，即可精确描述各种操作状态下混合物的热力学物性方程，可精确描述用户装置上各种组合设备压力、流量、温度、组分、能量等动态特性的单元操作模型。
所述培训组态软件提供可视化环境，且培训组态软件包含图形化编辑练习的模块，能编辑各种开车操作练习、停车操作练习以及各种故障处理练习，以符合培训需求。
所述热力学物性方程包括状态方程和活度系数模型；所述单元操作模型用于对实际生产过程的单元操作设备进行机理建模，并生成逐个完整封装、以图标独立显示的单元操作模型，用户能通过鼠标拖曳的方式来选择单元操作模型，并以鼠标点击的方式配置和修改单元操作模型的参数。
所述苯胺工业环境沉浸式三维仿真系统可对苯胺工业环境进行模拟，并可对工艺装置上的正常操作、故障、泄漏甚至着火、爆炸等真实场景进行模拟，令学生了解工厂在正常和非正常情况下应采取的措施、装备的佩戴和必要的逃生技能，且所述苯胺工业环境沉浸式三维仿真系统包括三维场景应用系统、交互体验系统、事故安全演练系统和精准三维建模系统，所述三维场景应用系统建立了包含工厂、设备区域的场景，满足不同的3D离线需求，并可模拟不同环境下的工厂情况，人物可以在工厂中进行常规巡检、漫游，可以操作各种设备，其中阀门、仪表可与中控室相互联系，实现沉浸式的3D工厂需求；所述交互体验系统可在不同场景中，感受到环境的变换，且背景的声音会与工厂实际的声音保持一致；所述事故安全演练系统根据工厂可能潜在的安全事故，进行仿真演练并根据实际预案编写，逐一对每一项内容进行评分考核，从而达到培训学员的目的；所述精准三维建模系统采用独创点云扫描技术与专业CAD制图相结合的VR建模技术，促使虚拟场景可1:1复制现实场景，并建立与真实场景的误差在每百米20毫米以内的行业新标准，可完美再现真实工厂，获取点云数据，通过处理点云数据获得高精度工厂模型，从而实现1:1复制现实场景。
所述VR/AR设备集合虚拟现实VR设备和增强现实AR设备，呈现高沉浸感的立体视、听觉感受，且支持多种VR头戴设备和AR交互硬件，如增强现实眼镜、头部跟踪器、骨骼跟踪器、红外传感系统、惯性传感系统、动作捕捉系统等。
所述仿真仪表包括液位显示计、压力显示计、流量显示计、自动阀、切断阀和手操阀，所述液位显示计用于显示液位，所述压力显示计用于显示设备和管道的压力，所述流量显示计用于显示管道流量，所述自动阀为PID控制回路执行阀，所述切断阀可手动切断物流，所述手操阀用于手动调节流量大小。
本发明在通过实物对象装置进行苯胺生产工艺的教学时，投料之前先按照催化剂升温活化程序对催化剂进行升温、活化。原料硝基苯经加料泵P-102A/B加压，经硝基苯预热器E-101预热后，与经过换热后的氢气在汽化器E-102内混合并汽化，经过热后进入流化床反应器R-101。在流化床反应器内催化剂的作用下，硝基苯和氢气反应生成水和苯胺，反应产物在反应器顶部流出，经氢气换热器E-201A/B、苯胺冷凝器E-202A/B换热、冷凝后进入粗苯胺中间罐V-201；氢气经氢气捕集器V-105去氢气压缩机C-101，加压后与原料新氢混合作为进料循环利用。粗苯胺中间罐V-201底部出来的粗苯胺经粗苯胺冷却器E-203进入苯胺水分离器V-202，由苯胺水分离器V-202流出的粗苯胺进入粗苯胺罐V-301。粗苯胺罐V-301中的粗苯胺由底部出来经脱水塔进料泵P-301A/B输送进苯胺脱水塔T-301，经脱水后进入苯胺精馏塔T-302。塔釜废水送往污水车间进行生化处理，苯胺由塔顶蒸出，经精馏塔冷凝器E-303冷却后进入精馏塔回流罐V-302，再由精馏塔回流泵P-302A/B加压，一股回流至苯胺精馏塔T-302，一股输送至苯胺成品罐得到精苯胺成品。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种苯胺生产的仿真教学工厂，包括半实物仿真工厂和虚拟现实仿真工厂，其特征在于：所述半实物仿真工厂包括动态流程模拟仿真系统、苯胺实物对象装置和控制系统，所述动态流程模拟仿真系统为苯胺实物对象装置及控制系统提供工艺数据实时计算，所述实物对象装置和控制系统可实现实操实训，所述虚拟现实仿真工厂包括苯胺工业环境沉浸式三维仿真系统和虚拟现实VR/AR设备，所述动态流程模拟仿真系统与苯胺工业环境沉浸式三维仿真系统连接，所述苯胺工业环境沉浸式三维仿真系统用于对苯胺实物对象装置进行3D建模形成苯胺工业环境，所述虚拟现实VR/AR设备用于呈现高沉浸感的视、听觉感受。
2.根据权利要求1所述的一种苯胺生产的仿真教学工厂，其特征在于：所述动态流程模拟仿真系统包括DCS系统、教师站软件、模型设计器和培训组态软件，所述DCS系统用于苯胺各工段界面进行控制逻辑和操作界面组态并再现真实工厂中控室内操场景，所述教师站软件用于管理和监控学员的培训情况、给学员布置练习并对学员进行考评，所述模型设计器用于对真实生产过程进行高精度全过程仿真模拟并精确描述装置的动态特性，所述培训组态软件用于对工艺模型、教师和操作员三者的关系和培训模式进行组态，能编辑各种开车操作练习、停车操作练习以及各种故障处理练习。
3.根据权利要求1所述的一种苯胺生产的仿真教学工厂，其特征在于：所述苯胺实物对象装置包括苯胺对象装置设备和DCS控制系统，所述苯胺对象装置设备包括苯胺合成及精制装置设备，所述DCS控制系统包括控制柜、I/O接口及主控单元并实现半实物装置与仿真仪表通讯以及动力设备开关的操作。
4.根据权利要求2所述的一种苯胺生产的仿真教学工厂，其特征在于：所述教师站软件用于查看和管理学员状态和数据、冻结及解冻学员站、设置练习模拟和考试模式、设置通用事故库、管理成绩和自动考评，所述学员状态和数据包括每个学员的登陆姓名、班组、工号等基本信息，每个学员当前培训的项目和内容、操作状态和进度、得分情况以及每个学员正在操作的仿真模型的所有数据点的值；所述冻结学员站是指选择任一学员对其进行状态冻结，冻结之后该学员不能进行仿真操作，直到教员将其解冻为止；所述解冻学员站冻结是指解冻学员的冻结状态，令其恢复仿真操作，继续仿真运行；在所述练习模式下学员可以自由选择培训的项目和内容；在所述考试模式下由教员设置学员的考试项目和内容，并设置考试的开始时间和结束时间；在所述通用事故库中可预先设置工厂普遍可能存在的通用事故情况；所述成绩管理的功能可显示和监控当前所有学员的练习或考试信息、可自动记录所有学员的成绩并保存到历史成绩库、可从历史成绩库中调取任一学员任一场考试成绩且能打印当前或历史成绩数据表；所述自动考评功能可对学员操作过程进行自动化考评。
5.根据权利要求2所述的一种苯胺生产的仿真教学工厂，其特征在于：所述模型设计器采用全图形化配置方式，支持对各种基础模块通过图形自由拖曳，并通过鼠标点击配置参数的方式进行工艺模型的参数设置和修改，且所述模型设计器采用机理建模方式对实际生产的整体工艺和各个工况进行模拟，即可精确描述各种操作状态下混合物的热力学物性方程，可精确描述用户装置上各种组合设备压力、流量、温度、组分、能量等动态特性的单元操作模型。
6.根据权利要求2所述的一种苯胺生产的仿真教学工厂，其特征在于：所述培训组态软件提供可视化环境，且培训组态软件包含图形化编辑练习的模块，能编辑各种开车操作练习、停车操作练习以及各种故障处理练习，以符合培训需求。
7.根据权利要求5所述的一种苯胺生产的仿真教学工厂，其特征在于：所述热力学物性方程包括状态方程和活度系数模型；所述单元操作模型用于对实际生产过程的单元操作设备进行机理建模，并生成逐个完整封装、以图标独立显示的单元操作模型，用户能通过鼠标拖曳的方式来选择单元操作模型，并以鼠标点击的方式配置和修改单元操作模型的参数。
8.根据权利要求1所述的一种苯胺生产的仿真教学工厂，其特征在于：所述苯胺工业环境沉浸式三维仿真系统可对苯胺工业环境进行模拟，并可对工艺装置上的正常操作、故障、泄漏甚至着火、爆炸等真实场景进行模拟，令学生了解工厂在正常和非正常情况下应采取的措施、装备的佩戴和必要的逃生技能，且所述苯胺工业环境沉浸式三维仿真系统包括三维场景应用系统、交互体验系统、事故安全演练系统和精准三维建模系统，所述三维场景应用系统建立了包含工厂、设备区域的场景，满足不同的3D离线需求，并可模拟不同环境下的工厂情况，人物可以在工厂中进行常规巡检、漫游，可以操作各种设备，其中阀门、仪表可与中控室相互联系，实现沉浸式的3D工厂需求；所述交互体验系统可在不同场景中，感受到环境的变换，且背景的声音会与工厂实际的声音保持一致；所述事故安全演练系统根据工厂可能潜在的安全事故，进行仿真演练并根据实际预案编写，逐一对每一项内容进行评分考核，从而达到培训学员的目的；所述精准三维建模系统采用独创点云扫描技术与专业CAD制图相结合的VR建模技术，促使虚拟场景可1:1复制现实场景，并建立与真实场景的误差在每百米20毫米以内的行业新标准，可完美再现真实工厂，获取点云数据，通过处理点云数据获得高精度工厂模型，从而实现1:1复制现实场景。
9.根据权利要求1所述的一种苯胺生产的仿真教学工厂，其特征在于：所述VR/AR设备集合虚拟现实VR设备和增强现实AR设备，呈现高沉浸感的立体视、听觉感受，且支持多种VR头戴设备和AR交互硬件，如增强现实眼镜、头部跟踪器、骨骼跟踪器、红外传感系统、惯性传感系统、动作捕捉系统等。
10.根据权利要求3所述的一种苯胺生产的仿真教学工厂，其特征在于：所述仿真仪表包括液位显示计、压力显示计、流量显示计、自动阀、切断阀和手操阀，所述液位显示计用于显示液位，所述压力显示计用于显示设备和管道的压力，所述流量显示计用于显示管道流量，所述自动阀为PID控制回路执行阀，所述切断阀可手动切断物流，所述手操阀用于手动调节流量大小。
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