一種用于石油化工的仿真教學系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及教學仿真模型技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于石油化工的仿真教學系統(tǒng)。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]石化行業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，為國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展作出了積極的貢獻。同時，石化行業(yè)的物料運行環(huán)境大多數(shù)為高壓、高溫、易燃易爆等高危險性特點。因此，學生無法在真實的裝置上操作。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，隨著自動化水平越來越高，設(shè)備的操作及控制主要在控制室內(nèi)進行，因此，企業(yè)對熟練使用DCS控制系統(tǒng)的技術(shù)人員的需求有所增加。而真實工廠中設(shè)備及閥門的實際操作不允許學生隨意調(diào)節(jié)，因此學生工廠實習得不到鍛煉，特別是一些化石化工廠也不會讓學生隨意的介入化工生產(chǎn)車間進行相應(yīng)的訓練。因此DCS控制系統(tǒng)與仿真教學系統(tǒng)結(jié)合是目前的發(fā)展趨勢。
[0005]DCS系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)相結(jié)合勢必會成為DCS系統(tǒng)控制方案調(diào)試、DCS系統(tǒng)培訓以及工業(yè)過程控制研宄的發(fā)展方向。DCS系統(tǒng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，將高精度的模擬量、數(shù)字量輸入輸出模塊通過接線方式與現(xiàn)場儀表或執(zhí)行機構(gòu)連接在一起，可將過程數(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)行機構(gòu)并不存在接線的方式，如何既能保證DCS系統(tǒng)與計算機生產(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)合的一項研宄重點。
[0006]目前仿真教學有兩大方面即工廠實體仿真類及整體仿真類，分別存在缺點為:前者有真實設(shè)備的仿真工廠系統(tǒng)，這種仿真系統(tǒng)有真實設(shè)備，占地面積大，投資費用高。后者采用仿真DCS系統(tǒng)代替真實的DCS系統(tǒng)，這種仿真裝置只能按照固定模式操作，不能接近真實企業(yè)的控制系統(tǒng)真實的DCS過程控制系統(tǒng)。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對現(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系統(tǒng)。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
一種用于石油化工的仿真教學系統(tǒng)，包括DCS子系統(tǒng)以及仿真子系統(tǒng)，兩者通過標準工業(yè)信號通訊；
仿真子系統(tǒng)包括:
輸入值接入單元，接收來自DCS子系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)信息； 數(shù)學模型建立單元，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)信號按照數(shù)據(jù)模型進行計算，得到對應(yīng)的狀態(tài)特征量，并將計算得到狀態(tài)特征量傳送至DCS子系統(tǒng)。
[0009]較佳的，設(shè)備狀態(tài)信息包括進入設(shè)備的物料量以及設(shè)備的閥門開度。
[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)學模型包括:
根據(jù)進入設(shè)備的物料量及設(shè)備的物理條件、化學反應(yīng)的動力學方程，構(gòu)建數(shù)學模型。
[0011]較佳的，仿真子系統(tǒng)還包括機泵和調(diào)節(jié)閥，分別連接DCS子系統(tǒng)，通過DCS子系統(tǒng)控制機泵的啟停以及調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的閥門，并讀取對應(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現(xiàn)場總線連接，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)器用以實時接收和存儲設(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)明使真實的DCS系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)相結(jié)合，達到最佳教學的目的，用其中運行的實時動態(tài)數(shù)學模型取代真實的生產(chǎn)裝置，使學生避免了實操過程中危險的化工環(huán)境，獲得了大量的突發(fā)狀況應(yīng)急處理經(jīng)驗。
[0015]
【附圖說明】
[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、閥門的關(guān)系示意圖；
圖3所示的是本發(fā)明與機泵的關(guān)系示意圖。
[0017]
【具體實施方式】
[0018]以下將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整的描述和討論，顯然，這里所描述的僅僅是本發(fā)明的一部分實例，并不是全部的實例，基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0019]為了便于對本發(fā)明實施例的理解，下面將結(jié)合附圖以具體實施例為例作進一步的解釋說明，且各個實施例不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定。
[0020]一種用于石油化工的仿真教學系統(tǒng)，包括DCS子系統(tǒng)以及仿真子系統(tǒng)，DCS子系統(tǒng)可運用現(xiàn)有的技術(shù)，本發(fā)明對其選擇不做限制。仿真子系統(tǒng)完全按真實裝置設(shè)計，與真實控制系統(tǒng)的差別主要在于其信號來源不同，本發(fā)明的DCS子系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)是由仿真子系統(tǒng)通過數(shù)學模型的演算得來。
[0021]如圖1所示，仿真子系統(tǒng)是一個由計算機系統(tǒng)構(gòu)成化工過程設(shè)備性能、過程反應(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)學模型模擬出的物料屬性，與DCS子系統(tǒng)進行通訊，它將由一個系統(tǒng)的特征值根據(jù)實際過程的設(shè)備能力尺寸和機械原理，寫出關(guān)于工藝狀態(tài)量和進入系統(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)部的化學反應(yīng)過程機理，寫出其關(guān)于工藝狀態(tài)量的反應(yīng)動力學的數(shù)理方程，利用數(shù)學的方法，將引起該特征值變化的眾多因素組合并構(gòu)成數(shù)學模型。通過檢測相關(guān)因數(shù)的狀態(tài)值，經(jīng)數(shù)學模型計算，得出當前特征值的數(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，接收來自DCS子系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)信號；
數(shù)學模型建立單元，用于工藝狀態(tài)量和進入系統(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)部的化學反應(yīng)過程機理，預(yù)先存儲工藝狀態(tài)量的反應(yīng)動力學的數(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)學模型建立單元建立的模型進行計算，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?，這些參量通常是代表進入某個設(shè)備的物料量，如蒸汽量、壓縮空氣量等。這些量進入仿真子系統(tǒng)后，系統(tǒng)則根據(jù)設(shè)備的物理條件和化學反應(yīng)的動力學方程，計算得出該設(shè)備狀態(tài)變化、化學反應(yīng)狀態(tài)變化的狀態(tài)特征量，如溫度、壓力成分等。由于輸入的量是個隨時間變化的物理量，因而，仿真子系統(tǒng)的輸出量也是一個動態(tài)的變化量。
[0023]仿真系統(tǒng)的輸入信號，主要是進入系統(tǒng)物料、中間物料的閥門開度。因為，閥門的開度與流過閥門的物料流量有一定的對應(yīng)關(guān)系。在工作點附近，與實際的情況有較好的吻合度。仿真子系統(tǒng)通過計算后的輸出量，應(yīng)該是化工系統(tǒng)運行狀態(tài)的特征量，相當于儀表對實際系統(tǒng)的測量值，可通過計算機的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)對閥門和機泵的機械性仿真，是用數(shù)學的方法，刻畫出閥門與機泵的機械特性和運動規(guī)律；所述的仿真系統(tǒng)配有接受閥門開度或是機泵啟停信號的輸入端口，包括現(xiàn)場啟動設(shè)備信號；也即仿真子系統(tǒng)接受DCS子系統(tǒng)對于閥門的操作的信號和對于機泵的操作信號，仿真子系統(tǒng)經(jīng)過對系統(tǒng)的實時模擬產(chǎn)生的輸出信號經(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)的計算為例，具體計算方案為:
流量計算:
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算:ν?=ΣAVi 高度計算= 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) 利用半實物仿真技術(shù)用于過程控制研宄的DCS子系統(tǒng)與仿真子系統(tǒng)的通訊架構(gòu)包括:第一、建仿真模型的計算機作為1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊工作的上位機使用，所有的過程變量傳輸支持工業(yè)標準的Modbus RTU協(xié)議，可將過程數(shù)據(jù)同時傳輸至其他支持Modbus RTU的上位機客戶終端；
第二、利用建仿真模型的計算機，配置Modbus RTU協(xié)議相關(guān)參數(shù)，編寫每個1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊中與之對應(yīng)的仿真系統(tǒng)的過程變量名稱、