高志新,喬偉艷,劉興華
(1.上海信息技術(shù)學(xué)校，上海 20033;2.北京東方仿真集團(tuán),北京 100029)
理實(shí)一體化教學(xué)是職教特色，教學(xué)內(nèi)容不僅需要豐富的專業(yè)理論知識做支撐，還需要多樣化的實(shí)訓(xùn)裝備來滿足課堂實(shí)訓(xùn)任務(wù)。學(xué)生通過操作實(shí)訓(xùn)實(shí)施，完成對課堂理論知識的鞏固理解。在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中，大多以操作虛擬化工仿真軟件為主，因?yàn)榛し抡婀に囅到y(tǒng)有助于提高學(xué)生對化工流程和操作參數(shù)的理解。如果在課程中增加與仿真工藝系統(tǒng)相匹配的實(shí)物裝置，不僅能彌補(bǔ)仿真工藝中缺乏實(shí)物操作經(jīng)驗(yàn)的缺陷，也更有助于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升理實(shí)一體化課程學(xué)習(xí)效果。
精細(xì)化工是化學(xué)工業(yè)的重要組成部分。精細(xì)化工反應(yīng)單元，是總結(jié)各種精細(xì)化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程得出的具有共同化學(xué)變化特點(diǎn)的基本過程,主要包括：氧化、鹵化、硝化、磺化、胺化、烷基化、酯化等反應(yīng)[1]。精細(xì)化工反應(yīng)多涉及放熱反應(yīng)，因高溫而成為實(shí)訓(xùn)過程的安全隱患，又兼物料有毒有害，后續(xù)過程很難處理。為更好的讓學(xué)生體驗(yàn)精細(xì)化工單元理實(shí)一體化教學(xué)內(nèi)容，我們開發(fā)了能夠兼容多種精細(xì)化工單元反應(yīng)，并且安全環(huán)保的單元反應(yīng)半實(shí)物柔性仿真實(shí)訓(xùn)。
1.1 多種反應(yīng)模式切換
1.2 真實(shí)物料進(jìn)料
多功能柔性半實(shí)物仿真系統(tǒng)可以模擬進(jìn)料生產(chǎn)操作，核心設(shè)備反應(yīng)釜采用工業(yè)設(shè)備，部分附屬設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。例如，水冷器等設(shè)計(jì)成透明的；
用水代替液相介質(zhì)、用硅藻土代替固體介質(zhì)；
也可以不走物料進(jìn)行生產(chǎn)操作，生產(chǎn)現(xiàn)象由仿真軟件計(jì)算得出。系統(tǒng)采用實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、操作步驟、事故處理方案等，再現(xiàn)真實(shí)精細(xì)化工工廠現(xiàn)場操作和中控操作的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的認(rèn)知學(xué)習(xí)與動手操作的綜合實(shí)訓(xùn)[2]，可方便切換多種精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝，滿足學(xué)校多專業(yè)、多任務(wù)的教學(xué)與培訓(xùn)需要。
1.3 功能齊全
中控系統(tǒng)(DCS)能夠模擬真實(shí)企業(yè)中控的操作功能、界面及操作習(xí)慣，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)外操的配合，完成裝置運(yùn)行操作；
生產(chǎn)工藝參數(shù)變化與真實(shí)生產(chǎn)裝置的變化趨勢、節(jié)奏保持一致，可以拓展生產(chǎn)工藝全流程，也可以基于一套硬件設(shè)備拓展出多種反應(yīng)類型的生產(chǎn)工藝；
柔性仿真裝置能夠低能耗、無污染運(yùn)行且不對實(shí)訓(xùn)者造成任何人身傷害，可以實(shí)現(xiàn)“環(huán)保”與“安全”雙重目標(biāo)。
柔性單元反應(yīng)仿真系統(tǒng)通過各設(shè)備的幾何尺寸來建立模型，提供逼真的儲量模擬，算法模型基于質(zhì)量平衡和熱量平衡以及氣體/液體相平衡等熱力學(xué)機(jī)理,對溫度、壓力和組份的動態(tài)變化進(jìn)行模擬，充分考慮設(shè)備中靜壓差并考慮了容器的熱容和熱損(向環(huán)境散熱量)，模擬反應(yīng)釜單元均采用動力學(xué)來描述化學(xué)反應(yīng)，并嚴(yán)格遵循熱力學(xué)原理、流體力學(xué)和動力學(xué)特性,完成質(zhì)量平衡，能量平衡和相平衡計(jì)算。同時(shí)，核心反應(yīng)釜算法模型要考慮壓力、溫度、催化劑活性、空速、進(jìn)料組份等影響因素[3]。單元反應(yīng)仿真系統(tǒng)模塊組成如圖1所示。
圖1 單元反應(yīng)仿真系統(tǒng)框圖
1)實(shí)時(shí)參數(shù)傳感器模塊
實(shí)時(shí)參數(shù)傳感器模塊，用于接收現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)參數(shù)，并將實(shí)時(shí)參數(shù)發(fā)送至信號集成裝置。
2)虛擬現(xiàn)場模塊
虛擬現(xiàn)場模塊支持多個(gè)單元反應(yīng)模型，所述多個(gè)單元反應(yīng)模型包括酯化反應(yīng)、磺化反應(yīng)、硝化反應(yīng)、酰化反應(yīng)、重氮化和偶合反應(yīng)模型。通過以下步驟建立單元反應(yīng)模型：第一步先建立計(jì)算模型存儲單元;第二步在計(jì)算模型存儲單元中，根據(jù)各個(gè)單元反應(yīng)模型所需的裝置之間的數(shù)據(jù)輸入輸出關(guān)系將裝置連接成單元反應(yīng)模型[4]。
現(xiàn)場模擬設(shè)備上設(shè)置的信號集成裝置，用于接收實(shí)時(shí)參數(shù),將模擬設(shè)備信息以及實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行集成，并將模擬設(shè)備信息以及實(shí)時(shí)參數(shù)發(fā)送至虛擬DCS模塊。
3)虛擬DCS模塊
1)三維實(shí)景地圖技術(shù)。面對城市道路快速發(fā)展，高架橋、高速路平地拔起，在點(diǎn)、線、面的基礎(chǔ)上添加高度與寬度，使導(dǎo)航畫面與實(shí)時(shí)路況更相符，避免了復(fù)雜路段駕駛時(shí)因辨識道路而發(fā)生意外。
虛擬DCS模塊,用于模擬實(shí)際DCS系統(tǒng)，接收啟動指令,根據(jù)啟動指令啟動生成控制指令，并將控制指令發(fā)送至所述虛擬現(xiàn)場模塊，連通模擬設(shè)備，接收模擬設(shè)備信息以及實(shí)時(shí)參數(shù)，并根據(jù)模擬設(shè)備信息和實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)用計(jì)算模型進(jìn)行運(yùn)算，生成模擬設(shè)備信息和完整實(shí)時(shí)參數(shù),并將模擬設(shè)備信息和完整實(shí)時(shí)參數(shù)輸出。
虛擬DCS模塊包括主控單元、畫面調(diào)度單元、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲單元、通訊模塊、計(jì)算模型存儲單元、報(bào)警管理單元、歷史數(shù)據(jù)管理單元和組態(tài)單元。
主控單元用于管理、調(diào)度精細(xì)化工反應(yīng)單元仿真控制系統(tǒng)的各功能模塊，控制各個(gè)功能模塊的執(zhí)行順序,接收并向各個(gè)功能模塊轉(zhuǎn)發(fā)用戶的鍵盤、鼠標(biāo)操作請求。
畫面調(diào)度單元用于畫面調(diào)度模塊負(fù)責(zé)管理控制操作界面運(yùn)行時(shí)，用戶在各畫面之間的顯示、切換工作。
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲單元用于精細(xì)化工反應(yīng)單元仿真控制系統(tǒng)擁有一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲單元，負(fù)責(zé)存儲、查詢控制操作界面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以支持各種DCS系統(tǒng)中常見的數(shù)據(jù)類型:PID點(diǎn)、AIN、 A0UT、DIN、D0UT、計(jì)算點(diǎn)、邏輯點(diǎn)、數(shù)字量、選擇器等。
通訊模塊用于負(fù)責(zé)上、下位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，將下位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)送到上位機(jī)，并將上位機(jī)的運(yùn)算結(jié)果傳回到下位機(jī)。
計(jì)算模型存儲單元包括現(xiàn)場設(shè)備中各個(gè)裝置的專業(yè)算法、流量算法、換熱算法以及根據(jù)需要建立的算法，用于完成控制操作界面的各種控制算法。
報(bào)警管理單元用于支持各種常規(guī)DCS中可能發(fā)生的報(bào)警。報(bào)警類型支持高/低限報(bào)警、變化率報(bào)警、偏差報(bào)警等，對各類型的報(bào)警可以定義不同的報(bào)警級別。當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)，在畫面中發(fā)生顏色變化，產(chǎn)生各種報(bào)警聲音等現(xiàn)象。
歷史數(shù)據(jù)管理單元用于精細(xì)化工反應(yīng)單元仿真控制系統(tǒng)根據(jù)仿真培訓(xùn)的需求，存儲八小時(shí)內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，主要用于歷史趨勢畫面的顯示。
組態(tài)單元，包括流程圖組態(tài)工具、點(diǎn)組態(tài)工具、畫面組態(tài)工具等等。
4)顯示模塊
顯示模塊,所述顯示模塊接收所述虛擬DCS模塊發(fā)送的模擬設(shè)備信息和完整實(shí)時(shí)參數(shù)，并對模擬設(shè)備信息和完整實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行顯示。
3.1 半實(shí)物柔性裝置單元裝置組成
半實(shí)物柔性裝置單元組成包括：第一高位槽單元、第二高位槽單元、加料釜單元、加熱器單元、冷卻器單元,壓濾機(jī)單元、第一泵單元、第二泵單元、第三泵單元、儲槽單元和反應(yīng)釜單元。其中，核心反應(yīng)釜采用的是搪玻璃材質(zhì)的真實(shí)工業(yè)設(shè)備。
3.2 反應(yīng)釜單元控制方法
反應(yīng)釜操作控制的仿真方法包括:根據(jù)單元反應(yīng)類型進(jìn)行模塊調(diào)用、算法模塊初始化、工藝數(shù)據(jù)動態(tài)賦值;對仿真設(shè)備進(jìn)行參數(shù)辨識、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)初始化、特征參數(shù)反算，以輸出并校驗(yàn)特征參數(shù);根據(jù)工藝數(shù)據(jù)和校驗(yàn)后的特征參數(shù)進(jìn)行故障模擬計(jì)算、氣液平衡計(jì)算、反應(yīng)釜溫度、壓力、液位計(jì)算、釜體數(shù)據(jù)輸出、結(jié)束。反應(yīng)釜控制方法如圖2所示。
模擬反應(yīng)釜單元中的溫度顯示控制儀表單元根據(jù)溫度大小調(diào)節(jié)模擬蒸汽閥門和冷卻水開度。反應(yīng)釜算法模型功能是由進(jìn)口條件(流量、溫度)、出口條件(流量)及外部傳熱量計(jì)算釜的液位、溫度、氣化量、壓力等；
模型參數(shù)如表1所示。
圖2 反應(yīng)釜操作控制的仿真方法
表1 反應(yīng)釜算法模型主要參數(shù)
4.1 適應(yīng)性強(qiáng)
單元反應(yīng)仿真控制系統(tǒng)通過精細(xì)化工原理仿真建模來控制模擬現(xiàn)場儀表工藝參數(shù)，能夠在同一套模擬精細(xì)化工反應(yīng)單元實(shí)訓(xùn)裝置上進(jìn)行多工藝模擬、及仿真切換，提高了實(shí)訓(xùn)配置的靈活性、完整性、教學(xué)效率，適應(yīng)了多教學(xué)發(fā)展的未來需求,可持續(xù)對復(fù)雜程度日益增長的教學(xué)需要進(jìn)行完整、快速地配置；
單元反應(yīng)仿真控制系統(tǒng)和實(shí)際實(shí)訓(xùn)裝置相結(jié)合，更形象地將單元反應(yīng)過程呈現(xiàn)給學(xué)生,進(jìn)一步優(yōu)化了教學(xué)效果。
4.2 內(nèi)容豐富
柔性仿真系統(tǒng)裝置每一個(gè)仿真工藝單元都具備產(chǎn)品認(rèn)知、工藝流程認(rèn)知、反應(yīng)機(jī)理學(xué)習(xí)、反應(yīng)物料物性參數(shù)認(rèn)知、自動控制方案學(xué)習(xí)、冷態(tài)開車實(shí)操等內(nèi)容，可以有效解決實(shí)訓(xùn)室一套裝置只能完成一種仿真操作的缺陷，實(shí)現(xiàn)多種精細(xì)化工反應(yīng)切換。通過該裝置的學(xué)習(xí)，可以完成不同精細(xì)化工反應(yīng)學(xué)習(xí)，理解不同反應(yīng)單元的反應(yīng)條件，掌握不同反應(yīng)控制參數(shù)方法，更重要的是讓學(xué)生能夠自己動手完成現(xiàn)場閥門操作與中控DCS操作的交互運(yùn)行，在提升操作技能同時(shí)也能鍛煉團(tuán)隊(duì)合作能力[5]。
將多功能柔性仿真系統(tǒng)裝置融入到精細(xì)化工單元課程中，可以完善實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)-仿真操作-實(shí)物裝置操操作的理實(shí)一體化課程設(shè)計(jì)，在豐富課程內(nèi)容的同時(shí)更有助于將現(xiàn)場裝置流程學(xué)習(xí)、虛擬仿真操作、化工反應(yīng)控制、安全素養(yǎng)等方面知識融為一體，讓課程內(nèi)容更有價(jià)值，更實(shí)用，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及進(jìn)入企業(yè)實(shí)習(xí)奠定良好的理論和技能基礎(chǔ)。
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