1、11.1 化工仿真技术1.1.1 化工仿真技术简介仿真实习技术是以仿真机为工具，用实时运行的动态数学模型代替真实工厂进行教学实习的一门新技术。仿真机是基于电子计算机、网络或多媒体部件，由人工建造的，模拟工厂操作与控制或工业过程的设备，同时也是动态数学模型实时运行的环境。动态数学模型是仿真系统的核心，是依据工业过程的数据源由人工建立的数学描述。这种数学描述能够产生与工业过程相似的行为数据。动态数学模型一般由微分方程组成。用于仿真实习的动态数学模型应当满足：数值求解的实时性、全量程随机可操作性、逼真性和高度可靠性。化工仿真技术是以软件为平台，以真实的工厂单元及工段为背景，以仿真机为工具，用实时运行
2、的动态数学模型来模拟了真实的带有控制点的设备和工艺流程实际操作。以完成如何开车、停车、及常见的事故处理的全过程。具体来说就是将过程工业中的典型的单元操作如：离心泵单元、热管式交换器单元、液位单元控制、吸收解吸单元、固定床单元、流化床单元等包括控制系统的一系列可独立运行的单元操作，此外还包括大型的合成氨、常减压蒸馏、催化裂化反应再生等流程工段。总之系统仿真技术是计算机在化工生产中的应用。是计算机与化工的有机接合。1.1.2 DCS 集散控制系统介绍1系统仿真 系统仿真是运用物理模型或数学模型代替真实物体或系统的模型进行实验和研究的一门应用技术科学，按所用模型分为物理仿真和数字仿真两类。物理仿真是
3、以真实物体或系统，按一定比例或规律进行微缩或扩大后的物理模型为实验对象。数字仿真是以真实物体或系统规律为依据，建立数学模型后，在仿真机上进行研究。与物理仿真相比，数字仿真具有更大的灵活性、能对截然不同的动态特性模型做实验研究，为真实物体或系统的分析和设计提供了十分有效而经济的手段。2过程系统仿真过程系统仿真是指过程系统的数字仿真。它要求描述过程系统动态特性的2数学模型，能在仿真机上再现该过程系统的实时特性，以达到在该仿真系统上进行实验研究的目的。过程系统仿真由三个主要部分组成,即过程系统、数学模型和仿真机。这三部分由建模和仿真两个关系联系在一起。3DCS 仿真系统及其优越性DCS 是 Dist
4、ributed Control System 的缩写，简称集散控制系统，即称分布式控制系统，是使用多台计算机分担了系统的控制功能和范围，实现控制回路分散化、数据管理集中化的控制系统。大大地将事故的危险性分散。作为化工仿真实训载体其特殊作用主要有以下几个方面：(1)过程系统通常属于大型工业系统，其流程复杂、投资巨大，生产连续性强。仿真技术为学生提供充分的动手机会，学生在计算机上可以反复停车、开车甚至设计故障，这是实际工厂中所不能实现的。(2)仿真软件提供快门设定、工况冻结、时标设定、成绩评定、趋势记录、报警记录、参数设定等特殊功能，便于教师实施各种新的教学与培训方法。这些在真实工厂是无法实现的。
5、(3)高质量的仿真模型具有预测性。利用高速大容量仿真机，人们可以在短时间内预测实际过程系统数月甚至数年时间中所发生的现象和事件，这是仿真技术的“超时空”的优点。如：某一生产的产量、催化剂使用失活随时间下降趋势等状态变化。(4)实际过程系统根本不允许作的实验。如在仿真机上可以设定各种极限运行状态、破坏性试验及各种事故，利用仿真技术不会造成任何损失，是最安全的试验方法，同进提高学生的分析能力和在复杂情况下的决策能力。这些在真实工厂的生产操作中是很难遇到的。(5)仿真实验主要在仿真机上进行，通常用软件形式体现。在仿真机上，学生是学习的主体。学生可以根据自己的具体情况有选择地学习。例如自行设计，试验不
6、同的开、停车方案，试验复杂控制方案，优化操作等。真实工厂考虑到生产安全及正常生产计划，决不允许这样做。另外，仿真技术通常用软件形式体现，用软盘、磁带或激光盘作为载体，传递复制极为方便。还可以通过网络传递,故大幅度地节省能源、材料、人力。(6)动态仿真数学模型可以产生被仿真系统受到各种外部扰动或操作变化的动态响应，即模型的预测性。一个高质量的数学模型不是主观认为赋给模型哪3些功能，模型则只能产生那些功能或现象。比如：一个设计合理的流体流动管路与阀门组成的网络模型，可以产生各阀门不同开关状态的所有排列及合理性。阀门开度与流体流量及流速等参数是成一定规律的。从这个意义上看，采用仿真技术可以辅助工程技
7、术人员全认识和分析过程系统，防止人为思维惯性所产生的遗忘导致的试验、研究或设计中的重大失误。(7)计划中或设计中的过程系统，现实世界中尚不存在，只有通过仿真进行实验研究。如：在化工实验中我们想合成高分子材料，对其方法的可行性及能否得到预期产品如果用传统方法需要数月、数年甚至下几年的时间。利用仿真技术可以达到。在这方面这处领域目前有很大突破。1.1.3 仿真实训的作用任何一项新的技术都有其局限性。由于高档图形工作站价格昂贵，当前的仿真实习系统还难于实现化工过程三维动态视景功能，无法产生真实化工生产过程的临境感受，也无法实现对不同设备的拆装技能和力度训练。这些功能可能将来部分由虚拟现实（VR）技术
8、实现。当前仿真实习在化工类学校主要起到如下作用： 深入了解化工过程系统的操作原理，提高学生对典型化工过程的开车、停车运行能力； 掌握调节器的基本操作技能，进而熟悉 PID 参数的在线整定； 掌握复杂控制系统的投运和调整技术； 提高对复杂化工过程动态运行的分析和决策能力，通过仿真实习训练能够提出最优开车方案； 在熟悉开、停车和复杂控制系统的调整基础上，训练识别事故和排除事故的能力； 科学地、严格地考核与评价学生经过学习训练后所达到的操作水平以及理论联系实际的能力。以上六种作用表明，仿真实习对于学生了解工艺和控制系统的动态特性，提高对工艺过程的运行和调整控制能力具有特殊的作用。这种运行、调整和控制
9、能力集中反映了学生运用所学的理论知识分析和解决问题的水平。仿真实习是运用高科技手段强化学生理论联系实际的新型教学方法。41.1.4 仿真实习软件的主要用途大量的应用表明，仿真实习软件不单能解决生产实习问题，在工程教学中还有多种用途，例如： 认识实习：用于新入学的学生了解化工、石油化工及炼油过程的工艺与新型计算机控制系统； 课堂演示：结合工厂实际，在相关课程中由教师进行课堂动态模拟演示； 课程设计：通过仿真操作从动态模拟软件获取工业数据，将设计结果进行模拟检验； 过程控制：掌握工业（PID）调节器的使用、参数调整及复杂控制系统的投运方法，这些技术对化学工程和过程控制专业的学生具有同等重要意义；
10、化工安全：通过动态模拟试验，了解事故动态演变过程的特性，理解事故工况下的安全处理方法，理解安全保护控制系统的作用原理。51.2 过程仿真系统平台 PISP-2000 学员站使用说明1.2.1 程序启动1.启动运行程序 AD500u.exe,弹出运行界面（如图 1-1 所示） 。图 1-1 系统启动界面2. 运行方式选择系统启动界面出现之后会出现主界面（如图 1-2 所示） ，在这里操作者可选择系统运行方式，包括单机运行、网络运行,单机运行是在没有连接教师站的情况下运行系统，而网络运行一般用于对学生学习成绩的考核，可将学生成绩提交到教师站，由教师对学生成绩统一评定和管理。另外还可以点击帮助了解
11、PISP-2000 操作系统的相关知识，帮助操作者熟练掌握操作方法。点击关于可登陆北京东方仿真公司的网址查看本公司的产品等。3工艺选择点击图 1-3 所示的右框中的“培训工艺” ，然后在右边列表里会出现STS 培训系统包括的所有的工艺，可单机或双击选择所要练习和考核的项目（如图 1-3 所示） 。若单机后，需要先点击右框列表中的培训项目，然后再在右框中再选择培训项目；若双击，则可直接在右框中选择培训项目。6图 1-2 PISP-2000 主界面图 1-3 工艺选择4.培训项目选择在“培训项目”列表里面选择所要运行的项目（如图 1-4 所示） 。7图 1-4 培训项目选择5.系统时标选择单击左框
12、列表中的“系统时标” ，在有况钟会出现相应的时标列表，单击选择所需要的时标（如图 1-5 所示） 。通常情况下，默认时标为 100，时标越大，完成操作所需要的相对时间就越小。图 1-5 系统时标选择6.DCS 类型选择 8选择所要运行 DCS 类型， “通用 DCS 风格”或“TDC3000 风格” ，单击确定，然后单击“启动培训单元”进入运行系统进行操作（如图 1-6 所示） 。图 1-6 DCS 类型选择1.2.2 程序主界面1.菜单介绍1.1 工艺菜单（如图 1-7 所示）图 1-7 工艺菜单“工艺”菜单包括当前信息总览，重做当前任务，培训项目选择，切换工艺内容，进度存盘，进度重演，冻结
13、/解冻，系统退出。当前信息总览：显示当前信息（如图 1-8 所示） 。9图 1-8 信息总览重做当前任务：重新启动当前项目（如图 1-9 所示） 。图 1-9 重做当前任务培训项目选择：可重新选择工况、重新设置时标，所有的相关信息都将被重新设置（如图 1-10 所示） 。图 1-10 工况选择切换工艺内容：重新选择运行的工艺（如图 1-3 所示） 。进度存盘：保存当前进度，以便下次调用可直接从当前进度运行（如图 1-1110所示） 。图 1-11 保存快门进度重演：读取所保存的快门文件（*.sav） ，可直接从所保存的进度开始运行程序（如图 1-11 所示） 。冻结/解冻：工艺仿真模型处于“冻
14、结” 状态时，不进行工艺模型的计算；相应地，仿 DCS 软件也处于 “冻结”状态，不接受任何工艺操作（即：任何工艺操作视为无效） 。而其他操作，如画面切换等，不受程序冻结的影响。程序冻结相当于暂停，所不同的是，它只是不允许进行工艺操作，而其他操作并不受影响。这一功能在教师统一讲解时非常有用，即不会因停止工艺操作而使工艺指标失控，又不影响翻看其他画面。系统退出：退出程序。1.2 画面菜单“画面”菜单包括程序中的所有画面。选择菜单项（或按相应的快捷键）可以切换到相应的画面（如图 1-12-1 所示） ，其中的细目画面点击后弹出一个对话框，在对话框中输入一个点名可以进入到一个显示关于此点所有信息画面
15、（如图 1-12-2 所示） 。 11图 1-12-1 画面菜单图 1-12-2 细目窗口1.3 设置菜单（如图 1-13 所示）设置菜单可以用来对控制组、趋势、报警、仿真时钟、辅助界面进行设置。图 1-13 设置菜单控制组设置：不可用12图 1-14 趋势设置窗口趋势设置：可以在对话框里重新设置需要显示趋势的点，在趋势画面里就可以察看自己所设置的点的趋势，但是再次启动系统时，所设置的点将被更新，仍为系统中原来所设置的内容（见图 1-14） 。报警设置：可以在对话框里重新设置报警点的上下限等，但是再次启动系统时，所设置的点将被更新，仍为系统中原来所设置的内容（见图 1-15） 。图 1-15
16、报警设置窗口仿真时钟设置：即时标设置，设置仿真程序运行的时标。选择该项会弹出13设置时标对话框（如图 1-16 所示） 。时标以百分制表示，默认为 100%，选择不同的时标可加快或减慢系统运行的速度。系统运行的速度与时标成正比。图 1-16 仿真时钟设置窗口辅助界面设置:改选项可选择需要播放的辅助文档（文档可以是 word 文件，或是动画，支持的格式比较广泛） ，加载后就可随时点击画面菜单中的辅助界面播放所加载的文档。1.4 工具菜单（如图 1-17 所示）图 1-17 工具菜单学员信息：不可用变量监视：监视变量。可实时监视变量的当前值，察看变量所对应的流程图中的数据点以及对数据点的描述和数据
17、点的上下限（如图 1-18 所示） 。14图 1-18 变量监视变量监视中有文件菜单，查询菜单，组态菜单和帮助菜单。文件菜单（如图 1-19）：文件菜单中有通讯方式、存快门、读快门、存点库数据、存模型数据、读模型数据等，这些不用于操作，所以操作者不必掌握。图 1-20 查询菜单图 1-19 文件菜单查询菜单（如图 1-20）：查询菜单中有几种查询方法，下面将作详细介绍。(1)显示所有即显示所有的变量（如图 1-18）(2)ID 号查询是根据变量的排列顺序号来查询所要查找的变量及其相关内容（如图 21） 。图 1-21 ID 号查询(3) 位号查询即根据流程图中的数据点名称来查询（如图 22 所
18、示） 。图 1-22 位号查询(4) 变量查询示根据模型中所定义与数据点对应的变量来查询（如图 23 所示）15。图 1-23 变量查询1.5 帮助菜单（如图 1-24）图 1-24 帮助菜单帮助菜单包括帮助主题、产品论坛、产品反馈、主页、关于。2.画面介绍2.1 流程画面流程画面是主要的操作界面，包括流程图，显示区域和可操作区域。显示区域用来显示流程中的工艺变量的值。显示区域又可分为数字显示区域和图形显示区域。数字显示区域相当于现场的数字仪表（如图 25 所示） 。图形显示区域相当于现场的显示仪表（如图 1-26 所示） 。16图 1-25 数字显示区域 图 1-26 图形显示区域（罐外面的
19、液柱）可操作的区域又称为触屏，当鼠标光标移到上面时会变成一个手 的形状，表示可以操作。鼠标单击时会根据所操作的元素有不同的效果，如点击按钮可以切换到 DCS 图，但是对于不同风格的操作系统即使所操作的元素相同也会出现不同的效果 ：(1)对于通用 DCS 风格的操作系统包括：弹出不同的对话框、显示控制面板等。现场图中出现的对话框的标题为所操作区域的工位号及描述。对话框一般包括下面两种（如图 1-27、图 1-28 所示） 图 1-27 弹出对话框 1 图 1-28 弹出对话框 2图 1-29 控制面板 图 1-30 控制面板对话框 1 一般用来设置泵的开关，阀门开关等一些开关形式（即只有是与否两
20、个值）的量。点击“ 开 ”或“关”按钮上面的文本框内会显示确认的信息。对话框 2 一般用来设置阀门开度或其他非开关形式的量。上面的文本框内显示该变量的当前值。在下面的文本框内输入想要设置的值，然后按回车键即17可完成设置，如果没有按回车而点击了对话框右上角的关闭按钮，设置将无效。在 DCS 图中会出现控制面板（如图 1-29 所示） ，在控制面板中显示所控制变量参数的测量值、给定值、当前输出值、 “手动”/“自动”方式等，可以切换“手动”/“自动”方式，在手动方式下设定输出值，另外还有串级方式设定。(2)对于 TDC3000 风格的操作系统包括：在流程图下面显示操作区。操作区内包括所操作区域的
21、工位号及描述。操作区有下面三种形式（如图 31、图32、图 33 所示）：图 1-31 操作区 1该操作区一般用来设置泵的开关，阀门开关等一些开关形式（即只有是与否两个值）的量。点击 OP 会出现“OFF”和“ON” 两个框，执行完开或关的操作后点击“ENTER”，OP 下面会显示操作后的新的信息，点击“CLR” 将会清除操作区。图 1-32 操作区 2该操作区一般用来设置阀门开度或其他非开关形式的量。OP 下面显示该变量的当前值。点击 OP 则会出现一个文本框，在下面的文本框内输入想要设置的值，然后按回车键即可完成设置，点击“CLR”将会清除操作区。图 1-33 操作区 3在 DCS 图中会
22、出现该操作区，该操作区主要是显示控制回路中所控制的变量参数的测量值、给定值、当前输出值、 “手动”/“ 自动 ”方式等，可以切换“手动”/“自动”方式，在手动方式下设定输出值等，其操作方式与前面所述的两个操作区相同。2.2 控制组画面控制组画面包括流程中所有的控制仪表和显示仪表（如图 1-34、1-35 所示） ，18不管是 TDC3000 还是通用的 DCS 都与它们在流程画面里所介绍的功能和操作方式相同。图 1-34 DCS 风格控制组图 1-35 TDC3000 风格控制组2.3 报警画面选择“报警”菜单中的“显示报警列表”，将弹出报警列表窗口（如图 1-36 所示） 。报警列表显示了报
23、警的时间、报警的点名、报警点的描述、报警的级别、报警点的当前值及其他信息。19图 1-36 报警列表2.4 趋势画面（1） 通用 DCS：在“趋势”菜单中选择某一菜单项，会弹出如图 1-37 所示的趋势图，该画面一共可同时显示 8 个点的当前值和历史趋势。（2）图 1-37 趋势画面 （3） 如图 1-38 所示，去试图的上半部共有 10 列，分别是点名、点当前值、20对应点的描述、历史趋势的显示时间、当前显示的趋势的时间、纵坐标的最小值、纵坐标最大值、各点趋势画线的颜色、选择该点趋势是否显示。图 1-38 趋势画面主要内容介绍 其中，历史趋势的显示时间即为当前画面所能显示的历史趋势时间，默认
24、值为 20 分钟，即可显示 20 分钟的历史趋势，但是这个时间也可有操作着自己改变，双击时间栏，输入所需要的值，按 ENTER 键即可；当前显示的趋势的时间即趋势线最右端所对应的时间，为当前趋势的时间；纵坐标的最小值默认值为 0，但是若有点的数值小于 0，则显示不出此刻可趋势，操作者可根据点值的大小改变纵坐标最小值，从而可以查看所有的趋势；纵坐标最大值应用方法同纵坐标最小值；操作者可根据各点趋势画线的颜色方便快速的查找到所要查看的点的趋势线；系统默认的是显示所有点的趋势，所以最后一列全为对钩，如果操作者只想查看其中一个点或某几个点的趋势，则可去掉其它点所对应的对钩。2.5 动画演示画面可以点击
25、察看与单元结构相关的多媒体播放（如图 1-39 所示） 。图 1-39 动画演示21在通用 DCS 系统中还有两排功能纽，点击功能纽可进入相关画面（如图 1-40 所示） 。图 40 功能钮图 1-40 功能按钮1.2.3 退出系统直接关闭流程图窗口和评分文件窗口都会退出系统，另外，还可在菜单工艺菜单重点击“系统退出”退出系统。1.2.4 位号定义说明表 1-1 位号定义说明序号 位号 说明1 TI101 温度指示2 LIC101 液位指示控制3 PIC101 压力指示控制4 PI101 压力显示5 PI103 压力显示6 PI102 压力显示7 PI104 压力显示8 FIC101 流量指示
26、控制9 P101A,P101B 泵9 ON 开10 OFF 关11 MAN 手动状态12 AUTO 自动状态13 CAS 串级控制 Cascade Option14 DCS 分布（集散）控制系统distribute control system15 缩写：16 P: Pressure 压力17 I: Indicator 指示18 C: Control 控制19 F: Flowrate 流量20 L: Level 液位22序号 位号 说明21 V: Valve 阀22 op OUTPUT 输出值23 sp SET POINT 设定值24 pv PROCESS VARIABLE过程值 (测量值)2
27、5 P(PID) Proportiona 比例26 I(PID) Integral 积分27 D(PID) Derivative 微分231.3 过程仿真系统平台 PISP-2000 评分系统使用说启动 STS 系统进入操作平台，同时也就启动了过程仿真系统平台 PISP-2000评分系统，评分系统界面如图 1-41 所示：图 1-41 评分系统界面过程仿真系统平台 PISP-2000 评分系统是智能操作指导、诊断、评测软件(以下简称智能软件)，它通过对用户的操作过程进行跟踪，在线为用户提供如下功能:1操作状态指示：对当前操作步骤和操作质量所进行的状态以不同的图标表示出来（图 42 所示为本操作
28、系统中所用的光标说明） 。（1） 操作步骤状态图标及提示：图标 ：表示此过程的起始条件没有满足，该过程不参与评分。图标 ：表示此过程的起始条件满足，开始对过程中的步骤进行评分。图标 ：为普通步骤，表示本步还没有开始操作,也就是说,还没有满足此步的起始条件。图标 ：表示本步已经开始操作，但还没有操作完，也就是说,已满足此步的起始条件，但此操作步骤还没有完成。图标 ：表示本步操作已经结束，并且操作完全正确（得分等于 100） 。图标 ：表示本步操作已经结束，但操作不正确（得分为 0） 。图标 ：表示过程终止条件已满足，本步操作无论是否完成都被强迫结24束。（2）操作质量图标及提示：图标 ：表示这条
29、质量指标还没有开始评判，即起始条件未满足。图标 ：表示起始条件满足，本步骤已经开始参与评分，若本步评分没有终止条件，则会一直处于评分状态。图标 ：表示过程终止条件已满足，本步操作无论是否完成都被强迫结束。图标 ：在 PISP-2000 的评分系统中包括了扣分步骤，主要是当操作严重不当，可能引起重大事故时，从已得分数中扣分，此图标表示起始条件不满足，即还没有出现失误操作。图标 ：表示起始条件满足，已经出现严重失误的操作，开始扣分。图 1-42 图标说明2操作方法指导：可在线的给出操作步骤的指导说明，对操作步骤的具体实现方法给出一个文字性的操作说明（如图 1-43 所示） 。对于操作质量可给出关于
30、这条质量指标的目标值、上下允许范围、上下评定范围，当鼠标移到质量步骤一栏，所在栏都会变蓝，双击即可出现所需要的详细信息对话框。 （如图 1-44 所示） 。253操作诊断及诊断结果指示：实时对操作过程进行跟踪检查，并根据用户组态结果对其进行诊断，将操作错误的操作过程或操作动作一一说明，以便用户对这些错误操作查找原因以便及时纠正或在今后的训练中进行改正及重点训练（如图 1-45 所示） 。4作评定及生成评定结果：实时对操作过程进行评定，对每一步进行评分，并给出整个操作过程的综合得分，还可根据需要生成评分文件。图 1-43 操作步骤说明26图 1-44 详细信息对话框图 1-45 操作诊断结果5其
31、它辅助功能PISP-2000 评分系统除以上功能外具有其它的一些辅助功能：（1）学院最后的成绩可以生成成绩列表，成绩列表可以保存也可以打印。如图 1-46 所示，电击“浏览”菜单中的“成绩”就会弹出如图 1-47 所示的对话框，此对话框包括学员资料、总成绩、各项分部成绩、及操作步骤得分的详细说明。27图 1-46 成绩列表图 1-47 学员成绩单（2）单击“文件”菜单下面的“打开”可以打开以前保存过的成绩单， “保存”菜单可以保存新的成绩单覆盖原来旧的成绩单， “另存为”则不会覆盖原来保存过的成绩单（如图 1-48、1-49 所示） 。 图 1-48 图 1-49 打开成绩单（3）如图 1-5
32、0 所示打开文件下面的“组态” ，就会弹出如图 1-51 所示的对话框，在该对话框中可以对评分内容重新组态，其中包括操作步骤、质量评分、所得分数等。28图 1-50 评分内容重新组态图 1-51 评分组态对话框（4）可直接单击“文件”下面的“系统退出”退出操作系统。（5）如图 1-52 所示，单击“帮助”可弹出如图 1-2 所示的对话框，查看相关的光标说明，帮助操作者进行操作。图 1-52 光标说明291.4 PISP 系统教师站说明1.4.1 系统介绍PISP.NET 教师站系统用户分为教师、学员两类，系统中使用到的业务名称有：授权、思考题、工艺题、事故、策略、培训室、当前成绩、历史成绩、报
33、表。1.授权授权是指学生在进行考试、培训、练习等教学过程中所拥有的权限。常用的权限有：读写进度、工艺重选、查看评分、设置时标、冻结系统、设置报警、设置趋势。如下图所示：图 1-53 授权信息表各种不同权限的组合即为授权配置。PISP 教师站系统默认授权配置有：开卷考试授权、闭卷考试授权、自由培训授权、联合操作授权。如下图所示：图 1-54 系统默认授权配置2.思考题PISP 系统中的思考题为多项选择题的形式。如图所示：30图 1-55 思考题设计界面多道思考题组合成思考题试卷。思考题可以由老师手工编辑或者使用东方仿真公司提供的工具由其他系统导入。3.工艺题工艺题即为 PISP 学员站系统中的工艺单元。如图所示：图 1-56 工艺选择菜单4.事故事故是指根据预先设定的条件在学员运行工艺的过程中使其工艺指标或设备产生一系列的变化。如下图所示：
