（化学工程专业论文）聚丙烯仿真培训系统软件开发.pdf

浙江大学硕士论文( 2 0 0 0 )摘要本文在研制开发上海石化总厂塑料厂聚丙烯仿真培训系统的背景下，完成了对该系统软件的开发工作。在文献阅读的基础上了解了目前国内外仿真软件的开发趋势。针对本软件的特点：实时性要求高、计算精度要求一般、公共设备多、化工反应装置复杂等特点，建立了化工仿真培训系统的体系结构和对象模型，并对主反应单元( 4 0 0 单元) 进行了深入分析。，本文运用面向对象的系统分析方法对化工仿真培训系统进行总体的功能需求分析，提出了“客户n 务器”模式的系统体系结构：服务器端由仿真过程计算模块、服务器控制显示、历史数据记录库和动态数据分析处理四个模块组成；客户机端由控制显示模块和动态数据处理两大模块构成。服务器与客户机的网络通讯利用w i n d o ws o c k e t 技术遵循t c p i p 传输协议实现。采用面向对象的建模方法设计了系统的对象模型，并开发了一个化工模型类库，该模型类库具有可重用性，可继承性等优点。系统在n t 环境下开发，软件编程工具选用面向对象的可视化编程语言v i s u a lc + + 。软件具有人机界面友好，操作简单的优点。从反应机理出发，对乙丙共聚反应单元( 4 0 0 单元) 建立了全流程数学模型，为保证仿真培训系统的实时性和精度的要求，对数学模型进行了合理简化。最后，通过分析该系统对于干扰的响应，显示其实际可行的。结果表明，该系统的设计思想和建模方法是可行的，能满足培训系统的要求，为一般化工仿真培训系统软件开发提供了一个有用的范叭) 浙江人学硕士论文( 2 0 0 0 )_ 一a b s t r a c tw eh a v ef i n i s h e dt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tb a s e do nr & dw o r ko ft h ep o l y p r o p y e n es i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mo fs h a n g h a ip e t r o l c h e m i c a lp l a n t h a v i n gr e v i e w e do nm a n yn e wm a t e r i a l si na n da b o a r d ，w ek n o wa b o u tt h ed e v e l o p i n gt r e n d so fc o m p u t e rs i m u l a t i o ns y s t e mi nt h ew o r l d i na c c o r d i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fo u rs o f t ，s u c ha sh i g hr e q u i r e m e n to fr e a l t i m e ，g e n e r a ld e m a n d so np r e c i s i o n ，c o m p l e x i t yo fc h e m i c a lr e a c t o r sa n dt h ep u b l i c i t yo fe q u i p m e n t ，w ew o r ko u tt h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dt h es y s t e mm o d e lo fo b j e c t s f u r t h e rr e s e a r c ho nt h em o d e l i n go fm a i nr e a c t i o nu n i t ( 4 0 0u n i t )i sa l s os h o w n h a v i n gt a k e nt h ea n a l y s isr e q u i r e m e n to fo u rp r o j e c tb yt h eo bi e e t o r i e n t e da n a l y s i sm e t h o d ，w ep r o v i d et h es y s t e ma r c h i t e c t u r eb a s e do nc 1 i e n t s e r v e rm o d e l t h es e v e ri sm a d eu po ff o u rp a r t s ，i n c l u d i n gk e r n e lc a l c u l a t em o d e i ，c o n t r o la n dd i s p l a ym o d e l ，d a t a b a s ef o rh i s t o r i c a ld a t a ，d y n a m i cd a t aa n a l y s i sm o d e l ：a n dt h ec l i e n tc o m p u t e rc o n s i s t so fc o n t r o la n dd i s p l a ym o d e la n d t h ed y n a m i cd a t aa n a l y s i sm o d e l t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o ni sc a r r i e db yw i n d o ws o c k e tt e c h n i q u ef o l l o w i n gt h et c p i pt r a n s p o r tp r o t o c o l s w ed e s i g nt h es y s t e mm o d e lo fo b j e c t sw i t ht h eo b j e c t o r i e n t e dc o m p u t e rm o d e l i n gm e t h o d ，a n da l s od e v e l o pac l a s sl i h r a r yo ft h em o d e lm o d u l e ，w h i c hh a sag r e a ti n h e r i t a n c ea n dr e u s a b i l i t y t h ew h o l es y s t e mi se x p l o r e du n d e rt h eo p e r a t i n gs y s t e mo fn tw i t ht h eo b j e c t o r i e n t e dv i s u a lp r o g r a m m i n gt o o l ：v i s u a lc + + w h i c hp r o v i d e su sw i t haf r i e n d l yi n t e r f a c ea n dm u c ho p e r a t i o nf a c i l i t y b a s e do nt h er e a c t i o nm e c h a n i c s w eh a v e a l s ob u i l tam a t hm o d e lo fw h o l es y s t e mo fn o 4 0 0r e a c t i o nu n i t ，t h i sm o d e lw a ss i m p l i f i e dr e a s o n a b l yt oi n s u r er e a l t i m ea n da c c u r a c y a tt h ee n do ft h ep a p e r ，t h et r a i n i n gr e s u l t so ft h eu n i tw e r ep r o p o s e d t h e ys h o wt h a tt h ed e s i g na n db u i l d i n go ft h ew h 0 1 es y s t e mi sf e a s i b l ea n dc a ns a t i s f yt h en e e d so ft r a i n i n gs y s t e m s ow er e g a r di ta sau s e f u lc a s ef o rt h ed e v e l o p m e n to fg e n e r a lc h e m i c a lc o n t r o l l e d p r o c e s ss i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e m i i浙江大学硕j 二论文( 2 0 0 0 )致谢在此论文完成之际，首先向我的导师阳永荣教授、蒋新老师表示衷心的感谢和诚挚的敬意! 感谢两位恩师近两年来的悉心指导和大力帮助! 他们以广博的知识和严谨治学、敬业爱业的精神品德，授我知识，助我成长，让我终身受益!在本课题的研究开发过程中，还得到了张勤鑫、李希、华卫琦、顾坚等联合所诸位老师的支持和帮助，都使我受益非浅，在此表示衷心地感谢。同时感谢陈惠师姐、江丽芳师妹、何奕师弟对我的帮助。在此还要感谢身边的许多朋友、同学对我的关心和支持，感谢钟崴、周剑、吕杰、时书军、王靖岱、曹彬等同学的无私帮助。思在此，向所有曾帮助我成长的老师和同学致以最诚挚的谢葛海燕二0 0 0 年二月于浙江大学浙江大学顾j 学位论文( 2 0 0 0 )第一章文献综述【本章摘要】本章首先简要介绍了聚丙烯工艺的发展，然后对现今较流行的“聚丙烯”生产工艺进行详细说明。最后介绍了本课题聚丙烯仿真软件系统开发的课题背景。1 1 聚丙烯工艺发展概况5 。7 1聚丙烯是当今世界上发展最快的一种大宗通用树脂，其应用范围已伸展到汽车，家电，食品包装，饮料容器，土木建筑，农用材料等广泛的领域。将丙烯与一种或多种单体共聚( 如乙烯，1 一丁烯) 生成的共聚物，可以大幅度地改变聚合物的性能，如减低脆性，提高其韧性，透明度等。如合成氨、合成甲醇等许多化学工业一样，聚丙烯工艺技术也是伴随着丙烯聚合催化剂的发展而发展的。最初n a t t a 等人在1 9 5 3 年首先发现用a 1 r 3 - - t i c l 3 作催化剂可将丙烯聚合成立体规则性的聚合物，并于1 9 5 7 年实现了工业化，但是采用这种催化剂虽然能生产高规整度的聚丙烯，但催化剂活性低，只能采用第一代聚丙烯生产工艺一淤浆法，产品收率低，工艺复杂，需要脱灰和脱无规聚丙烯等工序。因为在t i c l 3 催化剂的结晶表面上仅仅存在有限的具有活性的t i 原子，所以可以通过增大t i c l 3 的比表面积来提高其活性。7 0 年代初期，s o l v a y 公司开发了具有多孔、大比表面积的a 型t i c l 3 催化剂( t i c l 3 r 2 0 t i c l 4 - - a i ( c2 h 5 ) c 1 ) 体系，在提高催化剂活性和定向性方面有了重大发展，活性提高至20 0 0 0 克聚丙烯克催化剂，定向规则聚合达到9 5 以上，可完全省略脱挥和脱无规聚丙烯工序，使液相本体法工业化成为可能。但是这种型号的催化剂仍以t i c l 3 晶粒为载体，催化剂活性的提高有一定限度。1 9 7 7 年日本三井油化和意大i 刊m o n t e d i s i o n 公司采用在m g c l 2 承载的t i 催化剂上导入苯酸乙酯为代表的给电子体的方法，由此制得的催化剂不但活性高，而且制得的聚丙烯立体规则度也很高。以后由于两个公司的共同研究又改进了催化剂的性能，与t i c l 3 型催化剂相比，活性提高了近1 0 0 0 倍，而且由此生产的聚丙烯等规指数超过了9 8 ，平均粒径超过了l m m ，粒度分布极狭，流动性能好。浙江人学硕士学位论文( 2 0 0 0 )液相本体法的生产工艺始于1 9 6 4 年，美国d a r t 公司率先开发出以第一代催化剂和釜式反应器为特色的液相本体法生产聚丙烯的工艺。然而早期的催化剂活性低，定向能力差，产品规整度低。随后新型催化剂的开发和推广为液相本体法的实现奠定了基础。7 0 年代后，日本的宇部兴产，三井东压，美国的e l p a s o 公司和p h i l l i p s 石油公司都采用环管反应器实现了液相本体法生产工艺的工业化。丙烯气相聚合工艺始于1 9 7 7 年，日本三井油化和意大利的m o n t e d i s i o n 公司在世界上率先采用高活性高立体规则度的催化剂，实现用无脱挥、无脱无规聚丙烯过程的气相法制造工艺，使聚丙烯生产工艺跨入了新时代。生产装置多采用低压气相流化床，与传统的生产工艺相比，可大大节省资本的投入和能源的消耗。1 9 8 5 年，意大利的m o n t e d i s i o n 公司开发了“s p h e r i p o l ”型本体聚合新工艺，并在意大利的b r i n d s l 建立了8 万吨年的生产装置，同年1 1 月，该公司与美国大力神公司合并为h i m o n t 公司，该公司发展了“s p h e r i p o l ”工艺，能生产均聚、无规共聚、嵌段共聚等产品。该工艺的特色在于反应器的设计：在高效催化齐u g f 2 a 和f t 4 s 的催化作用下，均聚和无规共聚采用液相环管式反应器，而嵌段共聚采用气相法密相流化床反应器。1 2 聚丙烯生产工艺流程介绍本课题所开发的仿真培训系统：上海石化公司塑料厂聚丙烯车间生产装置采用s p h e r i p o l 工艺流程，如图1 1 所示。丙烯首先在个预聚合环管反应器内进行预聚合，以提高催化剂活性和产品等规度。然后进入两个大环管反应器内进行本体聚合，或同时通入乙烯进行无规共聚合，生成的聚合物送后处理单元进行高压闪蒸、低压脱气及单体回收。若生产嵌段共聚物，自环管反应器导出的均聚物先通过闪蒸罐除去未反应的液相丙烯再从流化床上部送入，丙烯和乙烯气体从反应器下部导入，未反应的单体从流化床顶部引出，经冷却循环使用，生成的共聚产物则从反应器底部出料，送后处理单元。以下详细介绍有关单元：浙江大学顶l 学位论文( 2 0 0 0 )硼眙反应耳f 丘臣丹l 一重化庠反应图1 1 工艺流程简图( 1 ) 催化剂和助催化剂的贮存、配制及计量单元( 1 0 0 单元)本单元主要负责对t i 主催化剂，t e a l 助催化剂和d o n o r 给电子体的配制，输送和精确计量。对于t i 主催化剂的配制，通过搅拌混合后的油脂用n 2 除去其中的轻组分，然后在催化剂分散筒( d 1 0 6 ) 中按规定的配比与催化剂混合。用n 2 压入到催化剂注射器送预接触罐。配制好的催化剂通过调节计量泵( p 1 0 8 ) 的冲程来控制其流量，而后进入反应器。对于助催化剂t e a l 的输送和计量则考虑到其燃爆特性进行严格控制。te a l 的流量通过调节计量泵( p 1 0 1 ) 冲程来控制，并在泵出口装微位移流量计进行流量精确计量。d o n o r 作为等规度的调整剂，在生产均聚物时，需用白油配2 5 浓度的d o n o r 溶液，然后用计量泵( p 1 0 4 ) 将过滤后的配制溶液到预接触罐。do n o r 的流量也用计量泵的冲程来控制。( 2 ) 预聚合和本体聚合单元该单元是整个聚丙烯装置的心脏，它完成全部聚合反应( 指均聚过程) ，因此也是建立仿真系统模型的重点。下面分别加以介绍：浙江人学硕士学位论文( 2 0 0 0 )催化剂预接触罐催化剂在预接触罐中与t e a l 和d o n o r 的混合体进行均匀混合，混合后的浆料以溢流方式出罐，并在混合器( z 2 0 3 ) 中与经过冷却后的新鲜丙烯进行混合，最终送预聚反应器( r 2 0 0 ) 进行预聚合。在此过程中，通过混合器的丙烯流速有一最低流速限制，以防止堵塞。预聚合反应液相丙烯和催化剂混合后的浆料进入一组由两根管组成的环管反应器( r2 0 l ，r 2 0 2 ) 内进行预聚合反应，其目的是为了缓慢地在催化剂上形成聚丙烯的薄层，以保护颗粒，以免破碎而产生大量的碎屑，反应产生的热量通过反应器套管内的冷却水带走。反应物料由轴流循环泵强制循环，使环管内浆料流量达n 2 ：3m s 。该反应器的操作条件为：温度1 4 2 0 ；压力3 4 0ba r ( 表压) ：反应器停留时间约4 分钟，每克催化剂反应掉5 0 1 5 0 克丙烯。本体聚合( 均聚及嵌段共聚过程)本体聚合在两只大的环管反应器内进行，进入第一环管反应器的浆料包括三股：预聚合的丙烯浆料，新鲜丙烯及反应器内循环泵的冲洗丙烯。进入第二环管反应器的浆料也包括三股：第一环管反应器已部分聚合的丙烯；新鲜丙烯及第二环管反应器循环泵的冲洗丙烯。环管内的反应物料也均由轴流循环泵强制循环，使反应器内的浆料密度、温度均匀，环管内的浆料流速达到7 7m s 。反应产生的热量也通过夹套内的冷却水带走。环管反应器内的操作条件为：环管内温度为7 0 ，环管内压力为3 4b a r ( 表压) ，两个反应器的停留时间分别为1 2 和0 8 小时。在聚合过程中，生产不同牌号的产品，主要通过改变产品的熔融指数实现，熔融指数( m f r 或m i ) 的控制用改变反应器中h 2 加入量来改变。生产乙丙嵌段共聚物时，该单元流程与本体聚合相同，只是环管反应器出料通入共聚流化床；而本体聚合出料进入下一闪蒸单元。无规聚合乙烯和丙烯无规共聚也在两个大环管反应器内进行，因此要向两个反应器通入一定量的乙烯，反应器出料进入闪蒸单元。( 3 ) 闪蒸单元( 3 0 0 单元)该单元的主要任务是通过闪蒸和过滤来回收未反应的丙烯单体。从大环管反应器出料的浆料通过直径逐渐加粗的蒸汽套管进行闪蒸，然后进入闪蒸罐，闪蒸罐内的分离器将固体拦下，气体单体则从罐顶排出，并浙江人学颂i ：学位论文( 2 0 0 0进入循环丙烯洗涤塔( t 3 0 1 ) ，以除去单体中夹带的少量聚合物颗粒。闪蒸后的固体聚合物颗粒从罐底排出，进入袋式过滤器，以分离出其中所含的少量气相单体。过滤后的聚合物送入汽蒸干燥单元( 5 0 0 单元) 或送入流化床生产嵌段共聚物，分离出的单体送入低压丙烯洗涤塔( t 3 0 2 ) ，用油进行洗涤，以除去聚合物细粒和残存的烷基铝，然后经压缩机压缩，并汇合闪蒸罐排出的单体，一同进入丙烯洗涤塔作进一步洗涤，以去除聚合物细粒，洗涤好的单体送入丙烯进料罐。丙烯进料罐同时接受丙烯精制单元( 7 0 0 单元) 送来的精制丙烯，然后以一定的流量送给反应单元，实现了丙烯的回收利用。( 4 ) 气相共聚单元( 4 0 0 单元)嵌段共聚在气相密相流化床内进行，所使用的f t 4 s 高效催化剂粒径大而且圆，生成的聚合物颗粒也大，呈球形，不但流动好，而且不易被吹走。均聚的浆料从流化床上部引入，乙烯和丙烯的气体从反应器底部通入，这些气体不仅使床内物料充分流态化，同时也带走了反应热。生成的产物从流化床底部出料，送后处理单元。该反应器的操作条件为：反应温度为5 0 8 0 ，压力为2 0b a r 。( 5 ) 汽蒸和干燥单元( 5 0 0 单元)该单元的主要任务是将聚合物进行汽蒸和干燥，使残存的催化剂失活，并去除聚合物中的水分，使其满足进一步加工的要求。由前一单元送来的聚合物首先进入汽蒸器( d 5 0 1 ) 。汽蒸器是个带低速搅拌装置的流化床，水蒸汽从底部吹入，将聚合物中的单体进一步蒸出，并使残存的催化剂彻底失活。汽蒸出的单体经汽蒸器洗涤塔( t 5 0 1 ) 洗涤，除去其中的固体和水分，重新送回至循环气体过滤器( f 3 0 1 ) ，而汽蒸后的聚合物则再经干燥器用热氮干燥后，送入挤出单元( 8 0 0 单元) 。( 6 ) 丙烯、乙烯精制和乙烯、氢气压缩单元( 7 0 0 单元)该单元的主要任务是去除丙烯单体中含有的对聚合反应有害的两种物质：c o s 和c o ，完成丙烯的精制。从界区来的丙烯，在丙烯进料槽( d 3 0 2 ) 的液位控制的流量控制下送入本单元。经c o s 脱除塔的进料预热器( e 7 0 5 ) 加热后，进入c o s 脱除塔，流经塔内催化剂床层，丙烯单体中含有的c o s 被吸附脱除，出来的丙烯流入c o汽提塔( t 7 0 1 ) ，该塔为填料塔，塔底有再沸器，塔顶有回流冷凝器，液体丙烯由塔顶喷下，加热产生的气体丙烯由塔底上升，在填料表面充分接触后，干净的丙烯单体从塔底排出送入丙烯进料槽，塔顶排出的富含c o 的丙烯气浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 )体，e h c o 汽提塔的回流冷凝器( e 7 0 1 ) 冷凝后，将不凝气排放，防止c o 累积，其余的冷凝液全部回流。1 3 聚丙烯仿真培训软件课题背景：计算机仿真培训系统正在成为现代化企业特别是大型石化企业运转的必不可少的环节。现代化企业要求高效率、高产出，随着自动化程度的提高，对员工的素质和岗位技能的培训显得非常重要，如何让员工在较短的时间内完成对装置的全面了解和操作，传统的现场培训方式是难以胜任的。归结起来，现场培训面i 临的主要困难1 1 是培训内容无法加深；培训周期长；培训成本太高或者条件不允许：难以全面掌握各种非稳态过程的处理。传统的“师傅带徒弟”式的现场培训再也不能适应生产技术高速发展的需要。现代化的、全新的计算机仿真培训系统呼之欲出。与现场培训相比，计算机仿真培训主要有如下优点：【1 1( 1 ) 能自由地安排培训项目，不受客观条件的限制。可以模拟实际装置生产过程中不允许产生的各种故障，克服了工人在生产现场学习技术动手机会少的缺陷，有利于培养操作人员的快速应变能力。( 2 ) 允许操作人员在培训中发生错误，并能演示出错误操作的种种后果。( 3 ) 可人为地制造各种故障来培训操作人员处理故障的能力。( 4 ) 可重复和记录一个操作过程，甚至可以“冻结”运行，这样为学习操作提供了极大的方便。( 5 ) 能使操作人员在短时间内接受大量培训项目，从而缩短培训时间周期。在极短的培训期内，即可以经历开、停车，各种异常事故的处理等在正常生产中不能遇到的各种特殊工况，而且可对各种工况进行反复的操作训练，在短期内积累丰富的实际操作经验。应用实践证明，计算机仿真培训系统在石化企业中有明显的应用效果。我们的目的是为上海石化公司塑料厂聚丙烯车间生产装置开发微机仿真培训系统，此前已有一套小型机上的培训软件，但是，由于操作不便，功能不健全等原因，一直没有被基层部门应用。而我们开发的这套系统吸收了原有系统的长处，同时具有操作简单，界面友好，功能涵盖广泛的优点。浙江人学顺j 二学位论文( 2 0 0 0 )本仿真培训系统在n t 环境下开发，以面向对象的可视化编程语言v i s ua lc + + 为开发工具，系统具有良好的可重用性。培训系统研制工作的主要内容：( 1 ) 稳态工艺操作的建模与仿真；( 2 ) 开停车过程( 完全停车和紧急停车) 的建模与仿真；( 3 ) 常见故障的建模与仿真：( 4 ) 联锁保护的建模与仿真；( 5 ) 现场控制( 外操职能) 的建模与仿真。本论文从该课题入手，着重阐述了用面向对象的系统分析方法建立聚丙烯仿真培训系统的体系结构，并在此基础上建立了合理的对象模型。特别详细分析了该装置主反应单元4 0 0 单元的流程和主反应器的建模，并对模型的可靠性进行了验证。结果表明，该系统的设计思想可行，系统的体系结构和对象模型的建模思想可以通用于一般的化工反应过程控制仿真培训软件系统模型，主反应单元的模型也基本达到仿真培训系统的要求。浙江人学顺 学位论文( 2 0 0 0 )第二章系统仿真技术【本章摘要】本章介绍了系统和计算机仿真的基本概念，包括系统的定义和分类，系统模型和系统仿真等，随后介绍了连续系统的仿真技术以及系统仿真在化工中的应用，最后综述化工过程仿真培训系统软件的开发现状e2 1 系统仿真的基本概念2 1 1 系统的定义和分类 3 6 , 3 7 系统一词已被广泛应用于各种领域，一般而言，系统是由有特定功能的、相互间有机联系的许多要素所构成的整体。其特点在于：系统的整体性和相关性。正如人体一样，它由头、躯干、四肢等各部分组成，各部分密切相关而且不可分割。系统的分类方法很多，但其中最重要的一种分类方法是按系统中起主导作用的状态的变化是否连续分为连续和离散两种系统。连续系统：系统的状态变量是随时间连续变化的。在化工设备中，例如进出换热器的物流的温度都是随时间连续变化的。离散系统：系统状态变量的变化仅发生在时间的离散时刻上，而且往往又是随机的。在工程和计划管理中有许多这类系统，如交通管理、通讯系统、计算机系统等。2 1 2 系统模型和系统仿真跚3 7 】系统模型是系统的一种表示，是为了研究系统的目的而开发的，是系统的内在联系及它与外界的关系的一种描述。系统模型根据模型的表示方法分为物理模型和数学模型。物理模型是实际系统在尺寸上缩小或放大后的相似体，如化工研究中常用的小试装鹭。其优点是能较大限度地反映系统的物理本质，而缺点在于建造物理模型的费用高，周期长，易受外部环境干扰。数学模型是用数学方程来描述实际系统的结构和性能的模型。其优点是经济，方便，通用性强。随着计算机的发展，计算机求解复杂系统数学模型的功能浙江人学硕上学位论文( 2 0 0 0 )也越来越强，数学模型因此成为当今使用最广泛的系统描述方法。系统仿真是根据被研究的真实系统的模型，利用计算机进行实验研究的一种方法。系统仿真根据系统的状态不同分为连续系统仿真和离散系统仿真。系统仿真的过程就是建立系统模型并通过模型在计算机上的运行来对模型进行检验和修正，使模型趋于不断完善的过程。其基本步骤包括：1 ) 系统定义；2 ) 构造模型；3 ) 数据准备；4 ) 模型的转换，即用计算机高级语言或专用仿真语言来描述数学模型，以便用计算机运行模型来仿真被研究的系统；5 ) 模型运行；6 ) 分析并评论仿真结果。图1 1 描述了系统仿真的基本步骤。图1 系统仿真过程浙江人学硕i 一学位论文( 2 0 0 0 )2 1 3 连续系统仿真脚】连续系统是工程上最常用的系统，其仿真方法也是系统仿真学科中最基本、最常用和最成熟的方法。连续系统的动态特性，一般可用微分方程、状态方程、传递函数以及系统的结构图等形式来描述。为了研究连续系统的性质，首先就要建立描述该系统的数学模型，然后对其进行仿真。对连续系统的仿真，就是用数字计算机求解这些数学模型，本质上就是对微分方程求解数值解。如何将连续系统的数学模型转换成计算机可接受的等价仿真模型，并使其在计算机上运转，就是连续系统数字仿真算法和仿真软件要解决的问题。以下分别介绍连续系统的数学模型和仿真算法。连续系统的数学模型大体上可有两种描述方式：用微分方程描述的模型和用传递函数描述的模型。一、微分方程数学模型用微分方程描述系统的数学模型的一般形式为：y ”+ 口月一l y ”一1 + + q y 1 + 口o y = 6 j j ( 州+ 6 一1 “”一+ + 6 0 “( 2 一1 )y ，u 分别为系统的输出量和输入量y ( i ) ，a j 分别为输出量各阶导数和输出量的系数u ( ”，b _ - 一分别为输入量各阶导数和输入量的系数当系统没有输入函数，则该微分方程变为齐次方程：y ”+ 口y “+ + a l y 1 + a o y o = 0( 2 2 )二、传递函数数学模型传递函数是研究线形系统动态响应和性能的重要方法。因为它表达了系统输入量转换成输出量的传递函数关系。它只和系统本身的结构、特性和参数有关，而与输入量的变化无关。假设系统微分数学模型为已知，且假定输入函数和输出函数的各阶导数的初值为零，对该微分方程两边取拉氏变换得：( s ”+ a n _ i s ”叫+ + a l s + a o ) y ( s ) = ( k s “+ k l s “一+ + b o ) u ( s )( 2 - 3 )故得系统的传递函数为：0浙江大学顺 ：学位论艾( 2 0 0 0 )一器= 篙鲁端( 2 4 )三、数学模型的选用原则 4 0 1数学模型根据用途不同，对其要求也不同。例如：用于仿真培训系统的数学模型需要有良好的实时性，精简的计算工作量，但精度要求不高。而用于过程设计的数学模型，对模型精度要求一般，实时性要求不高，只要求包括一部分的主要变量。一般而言，选用模型的复杂性是根据使用模型时所要提供的功能复杂性，系统要求的精度，以及计算设备的速度和容量来决定的。连续系统仿真的基本算法包括数值积分法、离散相似法两种。常用的数值积分法为：欧拉法、四阶龙格一库塔法、梯形法。而离散相似法是另一种广泛使用的数字仿真算法，它是先将连续系统的传递函数模型进行离散化，得到各个环节的离散化模型，再对等价的离散化模型进行仿真计算的一种方法。2 2 仿真技术的发展现状2 ，3 8 】仿真技术在它发展初期都用于生物，原子物理等学科。随着系统理论、计算机技术、建模技术、图形技术的发展，仿真技术得到迅速发展，已广泛地应用于航天、航空系统、交通运输系统、库存系统、市场预测系统，以及人口、生态、能源规划等领域中，并取得了明显的效果。现今仿真工作主要面向于过程工业系统。这类系统包括：石油化工、化学工业、冶金和焦化、污水处理、天然气处理、火力发电、核动力发电、造纸、制药、食品加工等工业系统。过程系统仿真的主要内容包括：1 ) 开发仿真培训系统；2 ) 对工艺过程和控制系统的初步设计方案和施工设计进行可行性分析：3 ) 探索兴建装置的开、停车或事故状态的工艺操作规程；先进控制策略评估；最优控制方案的可行性分析；技术改进方案的可行性分析等。4 ) 求解系统流体动力学问题；化学反应动力学问题；工艺试验装置的浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 )仿真放大；工业污染对环境的影响的研究；仿真配合虚拟现实技术研制新型催化剂、高分子材料、药物或分子生物学问题。面向对象的仿真( o b j e c t o r i e n t e ds i m u l a t i o n ) 是当前仿真研究领域最为引人注意的研究方向之一。面向对象的仿真在理论上突破了传统仿真方法的观念，它根据组成系统的对象及其相互作用关系来构造仿真模型，模型的对象通常表示实际系统中相应的实体，从而弥补了模型和实际系统之间的差距，而且它分析、设计和实现系统的观点与人们认识客观世界的自然思维方式极为一致，因而增强了仿真研究的直观性和易理解性。面向对象的仿真具有内在的可扩充性和可重用性，为仿真大规模的复杂系统提供了极为方便的手段。面向对象的仿真容易实现与计算机图形学、人工智能和管理决策科学的结合，从而可以形成新一代的面向对象的仿真建模环境，更便于在决策支持和辅助管理中推广使用仿真决策技术。传统的仿真软件主要提供仿真运行的机制和通用的数据结构和函数，建模的任务就是把实际系统中对象之间的相互关系转换在数据结构内部对数据的操作。不同的软件使用不同的术语，语法，仿真建模策略，因此使用这些软件进行仿真研究就必须利用软件提供的设施来建立仿真模型。而在面向对象的仿真系统中，系统中的对象往往与现实世界中的实际对象一一对应，建模的主要任务就是把系统类库中提供的对象进行适当的修改与组合形成仿真模型，而且用户也可根据问题的需要自己建立适当的对象并可以保存在系统类库中。面向对象建模的一般步骤为：1 ) 确立构成系统的各个组成部分( 对象) 和它们的属性；2 ) 确定每个对象的操作和功能；3 ) 确定每个对象相对于其它对象的可见度；4 ) 确定每个对象的接口；5 ) 实现每个对象。面向对象的仿真系统的运行是通过对象之间相互发送消息来执行的。当系统运行时，产生需要的对象，消息随着程序对数据内部处理和用户输入的响应从一个对象发送到另一个对象，当对象不再需要时就被删除。面向对象仿真的时钟控制通常采用两种方式：一种是建立一个时钟对象来控制仿真时钟的推进。该对象负责推进仿真时钟，激活过程或发送消息；另一种方法是让各对象控制自己的仿真时钟，每个对象可执行自己的操作，并推进自己的仿真时钟，但各对象时钟必须与中心某个仿真时钟保持同步。面向对象的软件工程方法是面向对象方法在软件工程领域的全面运用。它包括面向对象的分析( o o a ) ，面向对象的设计( o o d ) ，面向对象的编程( o o p ) ，面向对象的测试和面向对象的软件维护( o o s m ) 等主要内容。近几年来，随着建模技术、图形技术、人工智能技术、程序自动设计等浙江大学硕i ：学位论文( 2 0 0 0的综合应用，采生了各种形式的仿真支持环境，仿真支持环境的发展已成为仿真软件开发的主要趋势。其研究的主要目标是，在用户进行仿真研究的整个过程中，以一致的用户接口，为用户提供尽可能多的支持。建模与仿真系统功能的智能化、集成化，仿真软件设计和自动化是仿真支持环境的主要内容。集成化、智能化的仿真系统和仿真环境的目标就是要对用户提供仿真全过程的支持，将所有的支持完整的仿真过程所需的工具和信息集成于一个环境中，包括智能化的人机界面、智能化的仿真模型构造器、自动程序生成器、可视化的仿真实验运行系统、图形化的仿真结果分析工具与仿真数据及文件管理工具。一个具有代表性的集成化仿真环境包含了数据预处理环境、模型开发环境和模型分析环境。模型预处理环境的主要功能是分析、组织来源于系统外部的新数据，将新数据转换成与系统内部数据组织结构一致的形式；该环境包含一些数据分析软件包和以数据表形式组织的数据库。模型开发环境由仿真语言编辑器、菜单编辑器、文本编辑器、图形化模型编辑器，模型原代码库组成，形成一个交互式建模环境。模型分析环境的主要功能是支持仿真实验的进行；提供实时的、可视化的仿真功能，同时可根据用户的需求、控制、优化仿真实验。综上所述，面向对象的仿真是当前仿真领域中最新的研究方向之一，它与计算机图形和人工智能的结合将会极大地增强人们的仿真建模能力。同时，在仿真环境软件技术方面己发展到新的时期，为实际用户提供广阔的应用前景。2 3 计算机仿真培训系统的构成与类型2 3 1 系统组成 i - 4 , 3 5 4 9 】计算机仿真培训系统是含有计算机的特殊系统，它的软硬件组成一般包括：学员操作台、教师控制台、计算机、系统软件、仿真软件、生产过程数学模型等。各部分的关系一般如图2 2 所示。学员操作台提供给操作员一个能进行操作的人一机接口。通过它操作员可以监视“生产过程”的运行，也可对该过程进行操作。教练操作台是教师控制仿真培训系统运行和监视操作员行为的人一机接口，它提供设置初始条件，启动系统运行，设置故障等功能。系统软件是仿真培训系统协调工作的实时管理操作系统。它包括操作系浙江人学顾二l 学位论义( 2 0 0 0 )统、实时管理软件、图形软件、数据通道处理程序、教师控制台支持系统、各种功能处理程序等。它的开发是计算机仿真培训系统研制工作的重要组成部分。仿真软件是工厂动态特性的仿真程序，它一般采用模块式结构。整个工厂可看成由许多算术、逻辑、动态、数据功能模块组成，每个模块或一组模块描述工厂中一个设备的动态特性，这些模块有机地连接在一起按一定的顺序求解就能描述整个工厂的动态特性。过程数学模型是用来描述工厂的动态特性的微分和代数方程组。它是决定过程仿真逼真度的关键。生产过程数学模型图2 2 计算机仿真培训系统组成2 3 2 仿真培训系统分类n ，2 】综合过程工业中所用仿真培训系统，可分为下列几种类型：一、控制室复合型这种仿真培训系统的特点是具有一个与实际工厂完全一样的复制控制室。复制控制室的布局、大小、颜色、视昕效果、仪表和操作台配置都与实浙江人学硕i ：学位论文( 2 0 0 0 )际工厂一样，操作员可获得如同在实际岗位上一样的感觉。这种系统需使用高性能计算机、开发高精度数学模型，配置所有控制室设备和仪表，所以造价极高，目前只有少数大型电厂才使用。二、通用模拟仪表盘型该系统用含有若干个控制回路的模拟仪表盘作为学员操作台，一个c r t 和键盘作为教师控制台。模拟仪表盘上仪表完全仿照实际模拟仪表，配备有调节器、记录仪、报警灯、手操器、开关等，但一般不具有全部仪表和控制室环境。这种系统的特点是一机多用，只要更换软件和标签就可仿真各种各样的流程。如美 虱a u t o d y n a m i c 公司的m o d e l1 5 0 1 型仿真培训系统就是典型产品。三、集散仪表型该系统使用彩色c r t 和集散系统基本操作键盘作为学员操作台，它能提供某种集散系统操作站的各种画面显示和操作功能。利用它不但可以学习具体工艺操作，还可以熟悉新型集散系统的使用。这种系统特别适用于使用集散系统的工厂。近年来国外一些公司纷纷开发这种系统。如美国c o m b u s t i o ne ng i n e e r i n gs i m c o n 公司的p r o g r e s3 2 0 0 系列仿真培训系统能提供t d c - - 3 0 0 0 等10 余种集散系统仿真操作台。四、普通键盘型它是用一台微型计算机、普通键盘和c r t 上的画面熟悉工厂的动态特性，学习操作。该系统的特点是结构简单、软硬件成本低，易于推广和使用，虽然培训逼真度不如前三种类型，但设计得好是可以收到培训效果的。如美国k e h o g g 公司与a t l a n t i cs i m u l a t i o n 公司合作开发的合成氨厂仿真培训系统就属于这种类型。2 4 化工过程仿真培训系统软件的开发现状1 3 4 ，5 0 】由于化工过程系统自身的复杂性和危险性等因素，使得研制用于化工过程的仿真培训系统非常重要。它便于操作人员熟练掌握其开工、停工以及各种故障的处理操作，提高产品质量，减少潜在的不安全因素。所谓仿真培训系统【1 4 】就是用计算机来仿真实际的生产工艺和控制工程，通过人在其上的操作，达到生产岗位人员培训教育的结果。化工过程仿真培浙江大学坝l ：学位论文( 2 0 0 0 )训系统的开发研究的关键在于建立化工过程的全流程仿真模型。仿真培训系统对模型的技术要求如下1 们：1 ) 对模型的精度要求不高。一般要求正常运行数据完全在实际操作范围之内；在开停车过程中，各种参数变化与现场相一致，其中关键性参数的变化要于现场完全吻合；开车到稳态时，各参数数值应在实际操作的正常范围之内。2 ) 仿真模型计算应具有较高的实时性，模型应尽量简单；对流程中较为复杂，计算时间长的要做适当的简化处理：3 ) 仿真模型还应具有良好的通用性，以避免软件开发的重复。化工过程数学模型的建立是以物料守衡方程、能量守衡方程和动量守衡方程，以及相平衡方程和化学反应物料平衡方程为基础的。建模的重要技巧在于提出合理的假设，使模型能满足要求而又足够简单。同时，建立化工过程的数学模型还需要获得一些类型的数据，如各装置的几何尺寸，部分装置的特性曲线( 包括各类阀门的流量一阀开度的特性曲线，各调节器的p i d 参数等) ，各种工艺参数的物性数据等。其中，对化工过程关键设备的建模是化工仿真培训系统设计的核心之一。许多学者在这方面已做了不少工作。如陈宗海、鲍远律等人比在“流化床反应器的建模与仿真”一文中详细介绍了丙稀腈生产工艺的核心设备：流化床反应器的建模思路，即采用从机理出发的“大范围非线形”的建模方法。西安交通大学系统工程研究所的吴靖等人 3 0 1 对化工仿真培训系统中常见的换热器设备的动态模型进行了讨论，并着重比较了基于平均传热温差和基于传热单元数的仿真算法，指出其不同的适用范围。施有铸、陈宗海等 5 0 1 也对化工仿真过程中多效蒸发器的工作原理及建立其数学模型的设计思想和处理方法进行了全面地阐述。许多研究工作者也对控制器的仿真模型进行了研究，其中北京化工大学仿真中心的朱晓燕等人3 1 1 在“石油化工过程中控制与连锁自保系统的仿真”一文中给出了详细的调节器和调节阀的仿真模型。为了克服传统的面向结构，面向过程的仿真软件开发方法所具有易变性差、结构复杂、重复性差以及周期长的缺点，在国内马玉璋和徐光佑“提出了“用面向对象的思想设计仿真培训系统”，介绍了面向对象的分析设计方法。我们对化工过程系统的认识经历了系统过程单元物料、热量及相平衡的过程，面向对象方法所特有的高度的抽象性为描述这种抽象提供了一个很好的方法。通过对化工流程不断抽象，分类，建立不同层次的化工单元类，接着通过类对象的封装和继承建立化工单元模型，然后再“通过类对浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 0 )象的聚集生成过程系统模型”，最后用现今广泛使用的面向对象语言c “实现面向对象的建模方法。国内已有不少工作者探索如何将该思想广泛应用于化工过程系统软件的开发。如宋吴爽等人 2 6 1 从过程系统的角度完成了对化工过程的多次抽象，并提出了用面向对象方法建立化工单元和过程系统面向方程模型的思想，为迅速、有效地建立化工模型探索了一条新途径。紧接着，宋吴爽，陈捷等人 2 7 1 又在“o o c p ：面向对象的化工过程计算机辅助开发环境( i i ) o o c p 计算机环境”一文中介绍了他们开发并实现了的化工仿真培训系统的计算机环境，具备以下特点：1 ) 良好的图形化人机界面；2 ) 灵活、快速的面向方程的建模体系；3 ) 丰富方便的扩充接口等。近期，青岛化工学院的李玉刚等人又提出了为重用而系统地建立化工过程模拟类库的思想，并给出了化工过程模拟类库应具有的基本特点为正确性、一致性、扩展性和重用性。由于化工工艺流程中管路繁多，控制回路也较为复杂。如何有效地表达化工过程的网络结构并由此系统地管理好管路内各物流数据以及各设备的操作数据，已成为许多化工仿真培训软件开发者共同关注的问题1 5 - 2 0 1 0 北京化工大学仿真中心的楚纪正u 提出的将整个化工工艺过程归结为“由积、流、控制组成的统一体”，巧妙的解决了这一问题，并且该思想普遍适用于化工工艺流程的分析和分解。其中所谓“积”既“容积过程，为物料或和能量积蓄的空间”；“流”为“连接积的物料或和能量通道”，既化工过程中的各管路物流；而“控制”是“施加于流上的信号指令系统”，也就是化工过程的众多控制回路。基于此化工网络思想，我们对化工工艺过程进行进一步抽象，认为流不仅包括实际的管路物流，而且可包含为存放各设备进行物料衡算、热量衡算等过程中的数据而建立的虚拟物流：同时，控制器，控制阀等控制回路设备与积的实现都是基于流的操作，因此我们将“积”和“控制”统一为设备，故可将整个化工流程可看成是由设备和物流交织成的一个网络结构。这也是运用面向对象的思想方法在化工过程系统分析中的有效应用之一。总结近十几年来国内外关于化工过程仿真系统模型求解的相关文献2 1 -2 4 ，常见的模型求解方法主要序贯模块法、变帧速方法和动态递阶仿真方法三种，简要介绍如下：一、序贯模块法序贯模块法是稳态流程模拟中对整个流程所有单元数学模型进行解算常用的方法。它是通过估计再循环流股变量值的方法对整个系统进行分割、排序，然后再按顺序依次解算各单元模型。一