一種用于石油化工的仿真教學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及教學(xué)仿真模型技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于石油化工的仿真教學(xué)系統(tǒng)。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]石化行業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展作出了積極的貢獻(xiàn)。同時(shí)，石化行業(yè)的物料運(yùn)行環(huán)境大多數(shù)為高壓、高溫、易燃易爆等高危險(xiǎn)性特點(diǎn)。因此，學(xué)生無(wú)法在真實(shí)的裝置上操作。并且石油化工生產(chǎn)屬于連續(xù)性生產(chǎn)，生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度較高。
[0004]DCS系統(tǒng)(集散控制系統(tǒng)(控制分散、管理集中))已成為石化企業(yè)生產(chǎn)的主要控制手段之一，隨著自動(dòng)化水平越來(lái)越高，設(shè)備的操作及控制主要在控制室內(nèi)進(jìn)行，因此，企業(yè)對(duì)熟練使用DCS控制系統(tǒng)的技術(shù)人員的需求有所增加。而真實(shí)工廠中設(shè)備及閥門(mén)的實(shí)際操作不允許學(xué)生隨意調(diào)節(jié)，因此學(xué)生工廠實(shí)習(xí)得不到鍛煉，特別是一些化石化工廠也不會(huì)讓學(xué)生隨意的介入化工生產(chǎn)車(chē)間進(jìn)行相應(yīng)的訓(xùn)練。因此DCS控制系統(tǒng)與仿真教學(xué)系統(tǒng)結(jié)合是目前的發(fā)展趨勢(shì)。
[0005]DCS系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)相結(jié)合勢(shì)必會(huì)成為DCS系統(tǒng)控制方案調(diào)試、DCS系統(tǒng)培訓(xùn)以及工業(yè)過(guò)程控制研宄的發(fā)展方向。DCS系統(tǒng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中，將高精度的模擬量、數(shù)字量輸入輸出模塊通過(guò)接線方式與現(xiàn)場(chǎng)儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接在一起，可將過(guò)程數(shù)據(jù)采集到控制器以及控制器參數(shù)傳送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩耘c可靠性成為DCS系統(tǒng)用于工廠生產(chǎn)過(guò)程控制的首要前提。然而仿真系統(tǒng)中的虛擬儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu)并不存在接線的方式，如何既能保證DCS系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)生產(chǎn)仿真模型之間的正常數(shù)據(jù)交換，又能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩耘c可靠性成為DCS系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)相結(jié)合的一項(xiàng)研宄重點(diǎn)。
[0006]目前仿真教學(xué)有兩大方面即工廠實(shí)體仿真類(lèi)及整體仿真類(lèi)，分別存在缺點(diǎn)為:前者有真實(shí)設(shè)備的仿真工廠系統(tǒng)，這種仿真系統(tǒng)有真實(shí)設(shè)備，占地面積大，投資費(fèi)用高。后者采用仿真DCS系統(tǒng)代替真實(shí)的DCS系統(tǒng)，這種仿真裝置只能按照固定模式操作，不能接近真實(shí)企業(yè)的控制系統(tǒng)真實(shí)的DCS過(guò)程控制系統(tǒng)。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供了一種用于石油化工的仿真教學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種用于石油化工的仿真教學(xué)系統(tǒng)，包括DCS子系統(tǒng)以及仿真子系統(tǒng)，兩者通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號(hào)通訊；
仿真子系統(tǒng)包括:
輸入值接入單元，接收來(lái)自DCS子系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)信息； 數(shù)學(xué)模型建立單元，根據(jù)物料性質(zhì)及設(shè)備屬性，利用物料衡算關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型；
特征值輸出單元，用以將輸入值接入單元的設(shè)備狀態(tài)信號(hào)按照數(shù)據(jù)模型進(jìn)行計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的狀態(tài)特征量，并將計(jì)算得到狀態(tài)特征量傳送至DCS子系統(tǒng)。
[0009]較佳的，設(shè)備狀態(tài)信息包括進(jìn)入設(shè)備的物料量以及設(shè)備的閥門(mén)開(kāi)度。
[0010]較佳的，根據(jù)物料性質(zhì)及設(shè)備屬性，利用物料衡算關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型包括:
根據(jù)進(jìn)入設(shè)備的物料量及設(shè)備的物理?xiàng)l件、化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。
[0011]較佳的，仿真子系統(tǒng)還包括機(jī)泵和調(diào)節(jié)閥，分別連接DCS子系統(tǒng)，通過(guò)DCS子系統(tǒng)控制機(jī)泵的啟停以及調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的閥門(mén)，并讀取對(duì)應(yīng)的狀態(tài)信息。
[0012]較佳的，DCS子系統(tǒng)包括主控制器、若干拓展控制器，主控制器與若干拓展控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接，若干拓展控制器將各自采集到的設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送給主控制器。
[0013]較佳的，還包括若干通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接DCS子系統(tǒng)的:工程師站、操作員站以及數(shù)據(jù)服務(wù)器；工程師站用以對(duì)主控制器及若干拓展控制器傳送控制命令，以及采集設(shè)備狀態(tài)信息；數(shù)據(jù)服務(wù)器用以實(shí)時(shí)接收和存儲(chǔ)設(shè)備狀態(tài)信息；操作員站用以篩選出所需的設(shè)備狀態(tài)信息。
[0014]本發(fā)明使真實(shí)的DCS系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)相結(jié)合，達(dá)到最佳教學(xué)的目的，用其中運(yùn)行的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型取代真實(shí)的生產(chǎn)裝置，使學(xué)生避免了實(shí)操過(guò)程中危險(xiǎn)的化工環(huán)境，獲得了大量的突發(fā)狀況應(yīng)急處理經(jīng)驗(yàn)。
[0015]
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1所示的是本發(fā)明的仿真子系統(tǒng)與DCS子系統(tǒng)的關(guān)系示意圖；
圖2所示的是本發(fā)明的與儀表、閥門(mén)的關(guān)系示意圖；
圖3所示的是本發(fā)明與機(jī)泵的關(guān)系示意圖。
[0017]
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述和討論，顯然，這里所描述的僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)例，并不是全部的實(shí)例，基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0019]為了便于對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的理解，下面將結(jié)合附圖以具體實(shí)施例為例作進(jìn)一步的解釋說(shuō)明，且各個(gè)實(shí)施例不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定。
[0020]一種用于石油化工的仿真教學(xué)系統(tǒng)，包括DCS子系統(tǒng)以及仿真子系統(tǒng)，DCS子系統(tǒng)可運(yùn)用現(xiàn)有的技術(shù)，本發(fā)明對(duì)其選擇不做限制。仿真子系統(tǒng)完全按真實(shí)裝置設(shè)計(jì)，與真實(shí)控制系統(tǒng)的差別主要在于其信號(hào)來(lái)源不同，本發(fā)明的DCS子系統(tǒng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)是由仿真子系統(tǒng)通過(guò)數(shù)學(xué)模型的演算得來(lái)。
[0021]如圖1所示，仿真子系統(tǒng)是一個(gè)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成化工過(guò)程設(shè)備性能、過(guò)程反應(yīng)工程特性的仿真系統(tǒng)；仿真子系統(tǒng)利用物料衡算關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型模擬出的物料屬性，與DCS子系統(tǒng)進(jìn)行通訊，它將由一個(gè)系統(tǒng)的特征值根據(jù)實(shí)際過(guò)程的設(shè)備能力尺寸和機(jī)械原理，寫(xiě)出關(guān)于工藝狀態(tài)量和進(jìn)入系統(tǒng)的物料流量之間的數(shù)理方程，或是根據(jù)該設(shè)備內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程機(jī)理，寫(xiě)出其關(guān)于工藝狀態(tài)量的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的數(shù)理方程，利用數(shù)學(xué)的方法，將引起該特征值變化的眾多因素組合并構(gòu)成數(shù)學(xué)模型。通過(guò)檢測(cè)相關(guān)因數(shù)的狀態(tài)值，經(jīng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，得出當(dāng)前特征值的數(shù)值和狀態(tài)。
[0022]S卩，所述仿真系統(tǒng)，至少包括輸入值接入單元、數(shù)學(xué)模型建立單元、特征值輸出單元，其中，
輸入值接入單元，接收來(lái)自DCS子系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)信號(hào)；
數(shù)學(xué)模型建立單元，用于工藝狀態(tài)量和進(jìn)入系統(tǒng)的物料流工藝狀態(tài)量的之間的數(shù)理方程，或是根據(jù)設(shè)備內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程機(jī)理，預(yù)先存儲(chǔ)工藝狀態(tài)量的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的數(shù)量方程，再將該些特征值構(gòu)成數(shù)據(jù)模型，并將進(jìn)行保存；
特征值輸出單元，用于將輸入值接入單元接入的數(shù)據(jù)按照數(shù)學(xué)模型建立單元建立的模型進(jìn)行計(jì)算，得到特征值后，傳送至中央操作室.所述仿真子系統(tǒng)有自己的輸入?yún)⒘浚@些參量通常是代表進(jìn)入某個(gè)設(shè)備的物料量，如蒸汽量、壓縮空氣量等。這些量進(jìn)入仿真子系統(tǒng)后，系統(tǒng)則根據(jù)設(shè)備的物理?xiàng)l件和化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算得出該設(shè)備狀態(tài)變化、化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)變化的狀態(tài)特征量，如溫度、壓力成分等。由于輸入的量是個(gè)隨時(shí)間變化的物理量，因而，仿真子系統(tǒng)的輸出量也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化量。
[0023]仿真系統(tǒng)的輸入信號(hào)，主要是進(jìn)入系統(tǒng)物料、中間物料的閥門(mén)開(kāi)度。因?yàn)?，閥門(mén)的開(kāi)度與流過(guò)閥門(mén)的物料流量有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在工作點(diǎn)附近，與實(shí)際的情況有較好的吻合度。仿真子系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算后的輸出量，應(yīng)該是化工系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的特征量，相當(dāng)于儀表對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的測(cè)量值，可通過(guò)計(jì)算機(jī)的I/o端口直接送到就地顯示或送到DCS子系統(tǒng)集控顯示記錄。
[0024]如圖2和圖3所示，仿真子系統(tǒng)對(duì)閥門(mén)和機(jī)泵的機(jī)械性仿真，是用數(shù)學(xué)的方法，刻畫(huà)出閥門(mén)與機(jī)泵的機(jī)械特性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律；所述的仿真系統(tǒng)配有接受閥門(mén)開(kāi)度或是機(jī)泵啟停信號(hào)的輸入端口，包括現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)設(shè)備信號(hào)；也即仿真子系統(tǒng)接受DCS子系統(tǒng)對(duì)于閥門(mén)的操作的信號(hào)和對(duì)于機(jī)泵的操作信號(hào)，仿真子系統(tǒng)經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)模擬產(chǎn)生的輸出信號(hào)經(jīng)就地顯示儀表或變送器的接線端子送到DCS子系統(tǒng)。
[0025]以常壓蒸餾塔塔釜液位高度參數(shù)的計(jì)算為例，具體計(jì)算方案為:
流量計(jì)算:
①單位采樣周期液體增量:AVi=(F1 - F2) +3600Xk
②常壓塔剩余液體體積計(jì)算:ν?=ΣAVi 高度計(jì)算= V1/D
式中:Λ Vi一一單位采樣周期液體增量(m3)
Fl一一入常壓蒸餾塔液體量(m3/h)
F2一一為出常壓蒸餾塔液體量(m3/h ))
K 系統(tǒng)米樣周期(S )
Vl一一常壓塔內(nèi)液體體積(m3)
H一一常壓塔塔釜液位高度(m)
D一一常壓塔塔釜直徑(m) 利用半實(shí)物仿真技術(shù)用于過(guò)程控制研宄的DCS子系統(tǒng)與仿真子系統(tǒng)的通訊架構(gòu)包括:第一、建仿真模型的計(jì)算機(jī)作為1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊工作的上位機(jī)使用，所有的過(guò)程變量傳輸支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU協(xié)議，可將過(guò)程數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸至其他支持Modbus RTU的上位機(jī)客戶終端；
第二、利用建仿真模型的計(jì)算機(jī)，配置Modbus RTU協(xié)議相關(guān)參數(shù)，編寫(xiě)每個(gè)1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊中與之對(duì)應(yīng)的仿真系統(tǒng)的過(guò)程變量名稱、