某化工工艺流程模拟仿真系统的构建

５，仿真系统的实现方法
进行流程模拟仿真软件的设计和开发时， 将充分体现面向对象的设计特点，采用基于类 库的系统结构，由于涉及众多对象的管理和调 度，考虑运用容器的方法对单元对象进行管理， 运用线程的方法对相关对象进行调度，按照这 样的要求进行处理，系统结构清晰合理，便于资 源共享、功能扩充和系统维护。
流程模拟仿真工况主要包括： 冷态开车：系统从原始状态开始启动； 热态开车：系统从一中间状态开始启动； 正常生产：系统处于正常状态下，根据需 要，操作人员可进行工艺参数调整； 停工过程：正常停车和紧急停车； 事故处理：由于误操作引起的异常现象和 倒吸、停水、停电、停气、设备管路堵塞等。
４ ，支撑技术
主要涉及三个方面：数学建模、数值仿 真、流程模拟仿真技术；数学建模部分的内容包 括用工艺建模和用实际数据建模两部分，数值 仿真部分的内容包括数值计算和对过程仿真的 应用，流程模拟仿真技术部分包括参数优化和 过程优化，它们相互关系示意图如下：
衡方程的各项，由多个变量组成时，必须作量纲 分析；用一组方程作为描述单元对象系统的模 型时，应对该系统作自由度分析。
通常工艺模型的建立是进行流程模拟仿真 的核心，根据视野的深度和广度，工艺模型可建 立在不同的层面上：基本物性、迁移与变化现 象、单元操作设备、若干设备构成的过程、多层 组合的复杂过程、多个复杂过程构成的综合系 统。
工艺建模的基础是质量守恒、能量守恒和 动量守恒定理，据此可写出质量平衡方程、热量 平衡方程和动量平衡方程，又根据化学和化工 基本原理，可写出相平衡方程和化学反应物料 平衡方程。建模的重要技巧在于提出合理的简 化假设，使模型能满足要求而又足够简单；当平
３ ，仿真的主要内容
仿真流程主要范围：原料准备、反应合 成、纯化分离、真空系统、产品包装、废液处理、 溶剂回收。仿真设备主要包括：精馏塔、反应釜、 换热器、输送泵、容器、管路等。
图３ ＨＬＡ联邦的对称体系结构
在构建仿真系统的协同仿真环境时，重点工 作将主要放在应用 ＲＴＩ 及 ＳＯＭ 与 ＦＯＭ 对象的 开发上。对于 ＦＯＭ 与 ＳＯＭ 开发过程可以分为 五个阶段，即定义阶段、概念模型开发阶段、联 邦设计阶段、联邦继承和测试阶段、联邦运行和 分析阶段，并有以下五种开发工具及相应的使 用途径分别用于上述五种不同阶段的开发。网 络控制服务器是系统的主控模块，对系统的数 据库、模型库和人机交互进行协调，将数据的声 明、管理及通信交给ＲＴＩ来控制，以便实现仿真 程序的顺利运行。通过底层的网络及相关体系 结构的支持，人机交互界面，模型建立、模型调 试、模型试验及模型运行结果可以实现快速准 确地交换与更新。通过网络设备交换机将网络 控制服务器和各客户端连接起来，并配以投影 仪等输出设备构造出分布式仿真系统。采用该 网络结构的优点是：有效使用资源、增进生产 力、降低成本、提高可靠性、缩短响应时间。
● 建模时对理论分析的依赖程度，决定于 与对象有关的基本理论发展的实际水平；所需 要的各种物性数据能够取得的精度；检测技术 能够达到的深入水平；对动态过程在线检测的 精度水平。
● 建模中是否需要选用统计方法，根据： 理论分析尚不足以充分说明对象的性质和行为； 对需要研究的问题已积累有足够多的实际数 据。
根据上述工艺流程及相关化学反应方程 式，并结合实际情况通过编写基于规则的工艺 流程脚本的方式建立起生产装置的系统模型。
为了用三维视景仿真所感兴趣的工艺对象 的行为，首先要对相关对象建立起数学模型，所 建的模型必须能定性和定量地描述对象的性质 和行为，即形式化地表达所需要考察的各自变 量与因变量间的关系，然后进行模型转换，将数 学模型转化为仿真模型，并对仿真结果进行试 验分析，如图 ２所示。
摘 要：详细介绍了某化工工艺流程模拟仿真系统的建模过程，面向对象技术在该仿真系统的应用，以及 Ｈ Ｌ Ａ ／ Ｒ Ｔ Ｉ 协议进行网络通讯的实现方法。 关键词：工艺流程，流程模拟，面向对象，ＨＬＡ／ＲＴＩ
引言
随着科学的进步，化工生产日益高度复杂 化、连续化，并且操作条件也越来越严格，由于 生产装置高度复杂且价格昂贵，化工生产本身 又具有一定的危险性，这对现场的操作人员、系 统设计人员、管理人员及研究人员提出了更高 的要求，所以开发具有培训功能的化工工艺流 程仿真系统在当今化工生产领域具有重要的地 位与意义。通过对化工工艺流程的仿真，可以掌 握化工领域的高新技术，提高化工的研究手段 和研究水平；降低化工研究的人力、物力、财力， 尤其是大大降低了研究开发的危险性；为人员 培训和演练提供高效手段，为来宾及领导参观 提供安全保证。本文详细介绍了一种流程模拟 仿真系统的构建过程。
６，仿真系统的主要功能
流程模拟仿真软件系统的核心功能：向视 景仿真系统中的三维模型提供合理的工艺信息 数据，以期建立起逼真的生产装置三维视景和 反映出对应设备的动态运行情况；
软件系统还具有一定的仿真培训功能（包 括：工艺操作参数调整、事故设定、操作评定等 辅助功能）即：
● 参数调整功能：允许操作人员对预定的 重要工艺参数等进行调整，以便从更深的层次 提高对工艺机理、过程流程操作的了解；
数据交换，实现成员间的交互作用。Ｈ Ｌ Ａ 的 联邦构成采用对称的体系结构，如图 ３ 所示。 在整个系统中所有的应用程序都是通过一个标 准的接口形式进行交互作用，共享服务和资 源，它是实现互操作的基础。按照 ＨＬＡ 的规 定，所用的联邦和联邦成员必须按照 ＯＭＴ 提 供各自的 ＦＯＭ 和 ＳＯＭ。ＲＴＩ 作为联邦执行的 核心，其功能类似于某种特殊目的的分布式操 作系统，为联邦成员提供运行时所需的服务。 ＲＴＩ 提供六种服务，即联邦管理、声明管理、 对象管理、所有权管理、时间管理和数据分布 管理。
工件原点及坐标系原理：固定坐标系中
设置工件原点的方法有两种：一种是依据机
床原点用 Ｇ９２Ｘ＿＿，Ｚ＿＿ 指令，将工件原点偏
移到工件指定点 Ｏ 上，向量 ＯＯ 就是 Ｇ９２
● 机理与经验结合法：由理论分析得到一 定程度的简化机理方程，再根据实测数据，用统 计方法拟合方程的系数。
建立模拟仿真模型时，将根据以下几方面 原则择优进行。
● 选定模型的复杂程度，依据：使用模型 研究问题时所需要的功能；达到使用目的所必 需的精度；对象的时变特性及实时跟踪的要求； 能使用的计算设备的速度和容量。
参考点：在车床尾部有一个纵向和横向
档铁，当刀台移动到该位置触及这两个档铁
时发出位置信号给控制系统，此刻刀具原点
Ａ 的位置就是参考点。我们知道机床原点是
固定的，参考点 Ａ 在机床坐标系中的位置
（ｘ ，ｚ ）即被系统确定下来，并显示在
０
０
显示器上，即建立起了机床坐标系，机床
每次断电后系统将失去对机床原点的记忆，
流程模拟仿真系统要完成与用户的交互、 流程现象的仿真、数据的处理以及操作评价等 功能，系统考虑设计相应的类来完成：单元构件 类、流程仿真现象信息类、数据处理类、交互界 面类和操作行为评价类等，其中单元构件类是 系统主要的类，用于仿真相关化工单元构件的 过程特性。
用来管理和调度这些相应类完成整体仿真 任务的类是系统类，它位于最上层，其存在将简
操作变量－进料量、进料温度、回流比、再 沸器加热蒸汽用量和温度等；
参数变量－有些变量，如热蒸汽温度，可在 较小范围内调节等；
目标变量－产品的产量或全部产品的经济 价值等。建立模拟仿真采用的方法有三大类［１］：
● 机理分析法：通过理论分析，得到能反 映流程单元对象性质和行为规律的机理方程；
● 经验方程法：选用关联方程，用流程单 元对象行为的实测数据，经统计分析，确定关联 方程的系数；
１ ，研究对象：
如图 １ 所示，该生产工艺流程主要由原料 准备过程、合成脱酸过程、加胺蒸馏过程、废液 处理过程四个部分组成。
工艺流程简述如下： 物料 Ａ、Ｂ 在干燥空气条件下，经合成脱酸 得到粗品，得到的粗品在特定条件下与物料 Ｃ 蒸馏得到产品 Ｇ。系统产生的废气和废液经严 格处理后排空。
２ ，仿真模型建模原理
其基本内涵，至少应该包括以下几类变量 （变量集）：输入变量集｛Ｉ｝、输出变量集｛Ｒ｝、结 构变量集 ｛ Ｃ ｝、操作变量集｛Ｏ｝ 、参数变量集 ｛Ｐ｝、目标变量集｛Ｍ｝。以精馏环节为例，包括：
输入变量－进料组成、加热蒸汽和冷却水 温度等；
输出变量－塔顶、塔底或侧线产量、组成、 塔板温度等；
结构变量－塔板、换热器结构尺寸，塔板 数、进料或侧线的位置等；
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工 程 论 坛
中国科技信息 ２００５ 年第 ５ 期 ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｍａｒ．２００５
化流程模拟仿真系统的总体设计。基于类库的 开发往往涉及到大量的类实例（对象），如流体 流向对象、流体物性对象、基本单元对象、 流程仿真现象信息对象等，因为这些对象是构 成系统的基本元素，如何管理和调用它们是系 统开发的重要问题。
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于主轴轴线和主轴法兰盘端面的交点 Ｏ 上，
该点在机床出厂前以被调试确定，操作者不
能改变它。
刀具原点：在刀台上有一刀具原点 Ａ，
它是车刀安装的定位点，一般位于车刀安装
孔轴线和端面的交点上。
刀台原点：当车刀刀尖和工件原点重合
时，各车刀的刀具原点位置。图 ３ 中 Ｏ 是 １
某车刀的刀台原点。
要通过回参考点操作重新建立起机床坐标
系。
刀具偏置：该系统中，刀具偏置的真实
含义是从刀尖指向刀具原点的向量 ａ 。回参 １
考点后，系统确立并显示刀具原点在机床坐
标系中的位置，加上刀具偏置后，系统既
可确立并显示刀尖在机床坐标系中的位置。
刀具偏置ａ１可用对刀仪测量获得，也可通过
试切对刀获得，并存入刀具偏置存储器中。
由于采用创建容器类的方法对同类对象进 行封装与统一的管理，因此系统中含有许多相 互独立的容器对象。有了结构清晰的容器对象， 系统的结构更显得层次分明，系统类对基本单 元对象、实验现象仿真对象等的调用，基本单元 对象对流体流向对象、流体物性对象等的调用 均是通过消息传递机制而独立完成。如下图所 示。
流程模拟仿真软件系统结构图
８ ，结论
系统采用了模块化的编程结构，软件可读 性好，可移植能力强，工艺系统稳定可靠本系统 是与现场工艺人员通力合作的结果，经过无数 次的修改与验证，专家们一致认为系统输出结 果能较好地反应现场的真实情况，是一套在化 工生产领域不可多得的仿真系统。
参考文献： ［１］ 齐欢．系统建模与仿真．清华大学出版社． ２００４－６ ［２］ 周彦，戴佩剑．ＨＬＡ仿真程序设计．电子工业出 版社．２００２－６ ［３］ 刘瑞叶等．计算机仿真技术基础．电子工业出 版社．２００４－４ ［４］ 金伟新等．大型仿真系统．电子工业出版社． ２００４－８
● 操作评价功能：模拟仿真软件能针对操 作人员的操作质量给出评价；
７，网络控制
系统采用最先进的 ＨＬＡ／ＲＴＩ（高层体系 结构／运行支撑环境）分布式网络仿真体系规范 ［２］。ＨＬＡ 主 要 由 规 则 、对 象 模 型 模 板 及 接 口 规 范说明等三个部分组成。一个联邦成员中的各 个成员之间的交互作用是通过ＨＬＡ中一个重要 部件—— ＲＴＩ提供的服务来实现的，即在一个 联邦的执行过程中，所有的联邦成员应该按照 ＨＬＡ 的接口规范说明所要求的方式同ＲＴＩ进行
● 时标设定功能：用于设定模拟仿真软件 运行的快慢节奏；
● 事故设定功能：可以任意设定预选组态 好的事故，事故设定好后，将在三维视景区出现 事故现象；
● 照相设定功能：模拟仿真软件具有照相 “快门”的功能，可以记录软件运行过程中任一
时刻的全部状态； ● 运行暂停功能：模拟仿真软件在运行过
程中的任何瞬间，都可以设定处于暂停状态，方 便操作、讲解、观看等；
工 程 论 坛
中国科技信息 ２００５ 年第 ５ 期 ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭ百度文库ＴＩＯＮ Ｍａｒ．２００５
某化工工艺流程模拟仿真系统的构建
王俊冬 罗学科 北方工业大学机电工程学院 １０００４１ 杨方廷 经济领域系统仿真技术应用国家工程研究中心 １００８５４