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硕士论文精对苯二甲酸装置仿真培训系统的设计与实现 摘要 精对苯二甲酸装置十分复杂，操作难度大，要求高。开发该装置的全流程仿 真培训系统对确保其平稳、高效运行具有重要意义 本文在总结了国内外化工仿真技术发展的基础上，对精对苯二甲酸装置仿真 培训系统的结构、技术原理、设计思想及开发过程、建模原则和部分单元数学模 型的建立与求解进行了详细的介绍。 文章首先回顾了仿真技术的相关概念和国内外的研究情况，并提出了本文立 题的依据和目的。接着介绍了系统的需求分析、体系结构和系统的功能模块的设 计。然后介绍了系统中的关键数学建模，论述了系统主要反应器和工艺参数及控 制模块的数学模型。最后介绍了基于p c a u t o 平台系统关键模块的设计与实现过 程，包括通讯接口模块、控制模块、评分软件模块和界面功能模块。 该系统结构优化合理、灵活，实现了d c s 的逼真模拟，具有通用且较为开放 的运行环境，为技术人员的二次开发提供了有力保障，该系统对改进现有的培训 方式，提高培训效率具有十分积极的意义。 关键词：精对苯二甲酸仿真培训系统集散控制系统p i d a b s t r a c t t h es y s t e mo fp u r i f i e dt e r e p h t h a l i ca c i d ( p t a ) e q u i p m e n tw a sv e r yc o m p l e x ，a n d i t so p e r a t i o nd i f f i c u l t yw a sb i ga n di t sr e q u s tw a s h i g h t h ed e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o n s y s t e mo ft h ee q u i p m e n to fp u r i f i e dt e r e p h t h a l i ca c i dw a s v e r yi m p o r t a n tt oi t s r u n n i n g o nt h eb a s i so fab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ed e v e l o po fc h e m i c a l s i m u i a t i o n t e c h n o l o g y , t h i sp a p e rg a v eae l a b o r a t ei n t r o d u c t i o nt ot h es t r u c t u r e t e c h n i c a l p r i n c i p l e ，d e s i g np h i l o s o p h ya n dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t h e e s t a b l i s h i n ga n d s o l v i n go fs o m eu n i t sm a t h e m a t i c a lm o d e l t h ea r t i c l ef i r s tr e v i e w e dt h er e l e v a n t c o n c e p t so fs i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n d r e s e a r c hs i t u a t i o n p r e s e n t e dt h eb a s i sa n dp u r p o s eo ft h i sp a p e r , a n a l y z e dt h ek e y p o i n ta n dd i f i c u l to ft h i ss u b j e c t t h e ni n t r o d u c e dt h e s y s t e m n e e d s a n a l y s i s a r c h i t e c t u r ea n dt h ef u n c t i o no ft h es y s t e mm o d u l ed e s i g n a n dt h e ni n t r o d u c e dt h e k e ym a t h e m a t i c a lm o d e l i n go ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h em a i nr e a c t o ra n dp r o c e s s p a r a m e t e r sa n dc o n t r o lm o d u l eo ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l f i n a l l y , i n t r o d u c e dt h e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ek e ym o d u l e so ft h es y s t e mb a s e do np c a u t op l a t f o m ， i n c l u d i n gc o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c em o d u l e ，t h ec o n t r o lm o d u l e ， s c o r es o r w a r e m o d u l e sa n di n t e r f a c em o d u l e s t h es y s t e ma r c h i t e c t u r ei s r a t i o n a l l ya n df l e x i b l yo p t i m i z e d t h u st h ef i d e l i t v s i m u l a t i o no fd c si sa c h i e v e d ，w h i c hh a sag e n e r a la n dm o r eo p e n i n go p e r a t i n g c o n d i t i o n ，a n da l s op r o v i d e sao p p o r t u n i t yf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n t t h es y s t e mi s s i g n i f i c a n tt ot h ei m p r o v i n go ft h ec u r r e n tt r a i n i n gm e t h o da n dt h ei n c r e a s i n go ft h e t r a i n i n ge f f i c i e n c y k e yw o r d s ：p t as i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e md i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m p i d 声明尸i 刃 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：登盈力始年r 月否日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：! 斧篁垦细矿年r 月g 日 硕士论文精对苯二甲酸装置仿真培训系统的设计与实现 1 绪论 1 1 课题研究背景和意义 精对苯二甲酸( p t a ) 是聚酯生产的重要原料，随着全世界对精对苯二甲酸 的需求量进一步扩大，p t a 已成为世界产量最大的二元羧酸。至2 0 0 3 年，全球精 对苯二甲酸的生产能力接近3 0 0 0 万t a 。因其生产特点浆料浓度高、腐蚀性强、不 易操作，人们对p t a 的生产往往有不少顾虑。p t a 生产在国# b 7 0 年代确实是不易 驾驭的生产装置，但到了8 0 年代，技术不断改进，解决了大量的生产问题，在技 术发展上达到了更新换代的地步。国外几家专利公司自1 9 8 9 年以其最新技术，先 后建立了自己的大型p t a 装置，如三井油化于1 9 9 0 年在日本本土建成了2 5 k t a 全新 的p t a 装置，a m o c o 公司于1 9 9 1 年在比利时建成2 5 k t a 的最新技术p t a 装置，i c i 公司于19 9 2 年在台湾建成3 5 k t a 的p t a i 厂【l 2 j 。 步入二十一世纪，随着生产力的飞速发展和国际竞争的进一步加大，现代化 工生产技术也飞速发展起来。扬子石油化工厂在原有的p t a 一线、二线基础上， 提出了“以新带老，降低成本，发展优势产品，顶替出口，满足国内市场需要， 提高企业经济效益”为指导思想的第二轮改造，旨在进一步降低能耗和物耗，扩 大生产能力，提高企业竞争力【3 j 。 扬子石化公司化工厂p t a 装置原设计能力为4 5 万吨年，1 9 9 0 年4 月建成投 产；1 9 9 5 年实施“以我为主，联合设计 的滚动式大规模技术改造，使年生产能 力扩大4 8 ，达到6 0 万吨年，近年对生产装置又作了重大扩建，使年生产能力 达到7 5 万吨年。但是随着p t a 装置的不断扩大，主要工艺流程自动化程度的不 断提高以及集散控制系统( d c s ) 的广泛采用，对从事生产操作的新老职工的技 术水平和操作实践经验提出了更高的要求；同时，由于装置日趋大型化复杂化， 且必须防爆防震、安全、稳定、长周期、高负荷、连续优化运行，装置的停工的 次数越来越少，而且对健康和环保的要求也越来越高，这对各类运行人员的操作 水平提出了更高的要求。原有的员工培训体制已不能满足工厂的需要，因此，迫 切需要探索一种解决这个问题的方法。 由计算机网络技术、过程控制技术和化工工程技术相结合的计算机仿真技术， 通过建立石油化工过程和装置的动态数学模型的手段，在计算机网络平台上逼真 地模拟真实过程和装置的开车、停车、正常运行和事故处理等现象。采用这类培 训装置成本低廉，没有危险性，而且见效迅速，可以在数周内获得现场数年的实 际生产经验，还可以对紧急事故等平时难以发生需要短时间内做出正确决定的事 件进行培训，培养学员对于突发事故的处理能力。 采用计算机仿真技术对其生产过程和操作现场进行模拟，成为操作人员技能 培训的现代化手段。基于此，我们与扬子石化公司化工厂合作开发一线、二线和 三线p t a 装置仿真培训系统软件，该系统采用工业组态软件p c a u t o 和面向对象 1 绪论精对苯二甲酸装置仿真培训系统的设计与实现 高级编程语言v c + + 来完成。通过仿真培训系统的使用可以使工人更加深入了解和 熟悉生产工艺流程并对p t a 生产线的成功运行起着巨大的帮助作用。 1 2 系统仿真在化工中的国内外应用现状 1 2 1 系统仿真概述 对于仿真技术的定义，国内外学者从不同的角度作了描述，可简单归纳为： 仿真技术是通过用系统模型对真实系统或设计中的系统进行实验，达到分析、研 究和设计该系统的目的。如果这种系统模型的建立是以计算机为基础手段的，我 们就称之为计算机仿真，本文提到的仿真即属于计算机仿真的范畴【4 ，) j 。 仿真技术的定义指明了系统仿真所关心的三个主要组成部分，即：过程系统、 数学模型和仿真机。三个部分由两个关系沟通。其一，过程系统与数学模型之间 的关系，称“建模”；其二，数学模型和仿真机之间的关系，称“仿真 。其相互 关系如图1 1 所示。 图1 1 系统仿真的组成关系 对于过程系统从范畴定义来看，即是我们所关注的实际世界的某个部分。这 个系统可能是自然的或是人工的，现在存在的或未来计划与设计的。我们从事仿 真工作主要面向过程工业系统，这类系统包括：石油炼制、石油化工、化学工业、 冶金和焦化、污水处理、煤气、天然气加工、火力发电、核动力发电、造纸、食 品加工、制药等工业系统。这些工业系统在国民经济中占有极其重要的地位，并 且具有许多共同的特点。例如，它们都是由一系列单元操作装置通过管道组合成 复杂系统。常见单元装置有：各种反应装置、压缩机、离心泵、蒸汽透平机、热 交换器、蒸发器、指示仪、记录仪、调节阀或较先进的集散计算机控制系统( d c s ) 等。由于这些过程系统具有许多共同的规律，仿真方法也十分相似，因此在仿真 时，可以将上述过程系统转化为被关注变量( 如：温度、压力、流量等) 对时间 的行为数据源。 数学模型是依据过程系统数据源由人工建立的数学描述。这种数学描述能够 产生与过程系统相似的行为数据。数学描述常用代数方程法、微分方程法或状态 2 硕士论文精对苯二甲酸装置仿真培训系统的设计与实现 方程法等。 仿真机是以现代高速电子计算机、网络设备、多媒体设备为基础，由人工建 造的模拟实际操作控制或现场装置环境的机器，同时也是数学模型软件实时运行 的硬件环境。 从不同的角度仿真系统可以有不同的的名称。按被仿真对象的性质划分，可 分为连续系统仿真、离散事件系统仿真、混合系统仿真；按仿真系统的结构和实 现手段不同可分为数学仿真、硬件在回路仿真( 半实物仿真) 、软件在回路仿真； 按仿真应用可分为训练仿真和工程仿真；根据虚实结合的程序又分为构造仿真、 虚拟仿真、实况仿真。 1 2 2 系统仿真在化工中的应用现状 随着计算机技术广泛普及，大大促进了仿真技术的发展。仿真技术在过程工 业领域中的应用己涉及教育与训练、工程设计、辅助生产和辅助研究等方面，其 社会经济效益日趋显著。 采用过程仿真技术辅助训练，简而言之就是由人工建造一个与真实系统相似 的操作控制设备或直接采用真实工业控制设备，如模拟仪表盘、集散控制系统 d c s 工作站等，作为学员的操作控制环境。用计算机及其中运行的实时动态模型 取代真实的生产装置，在这样的仿真环境下学员可以得到非常逼真的操作技能训 练。 过程仿真技术在操作技能训练方面的应用近十年来在全世界许多国家得到普 及，这是因为过程工业在世界各国国民经济中的地位日显重要。工艺流程和工厂 设备越来越复杂化、连续化，自动控制水平迅速提高。工业技术发展对操作工人、 现场技术人员、管理人员和仪表工人提出了更高的要求，传统技术培训方式己无 法满足需要。所谓传统的培训方式是先学习技术理论和操作规程，再到生产现场， 以师傅带徒弟的方法进行技能培训。其主要缺点是：正常生产的大型装置决不允 许操作工人任意开、停车和制造事故，所以，学员动手和独立操作的机会很少。 这样，学员掌握操作技能的周期长。此外，由于师傅的水平不齐，教学质量很难 得到保障。显然，传统培训方式己无法适应现代过程工业的发展。八十年代初， 美、英、德、法、加拿大以及日本等西方发达国家的大型石油化工企业相继建立 了计算机仿真培训系统及培训机制。大量统计结果表明，仿真培训可以使工人在 数周之内取得现场2 5 年的经验。这种仿真培训装置能逼真地模拟工厂开、停车、 正常运行各种事故状态的现象，没有危险性，能节省培训费用，大大缩短培训时 间。因此有许多企业己将仿真培训列为考核操作工人取得上岗资格的必要手段。 例如：美国石油化工企业己有上千套仿真培训系统投入使用 4 - 3 o 八十年代以来相继成立了许多专营石油化工仿真器硬件和软件的公司。比较 3 1 绪论精对苯二甲酸装置仿真培训系统的设计与实现 著名的仿真系统公司有：a u d y ，c a e ，s a c d a ，s i m c o n ，a t l a n t i cs i m u l a t i o n ， s i n g e r l i n k ， e n c o r e ，n o r c o n t r o ls i m u l a t i o n 等。其中：a u d y 公司在炼油、石油 化工企业推出4 0 0 余套仿真培训系统。仿真软件所涉及的工艺流程包括催化裂化、 常压和减压蒸馏、合成氨、乙烯、合成纤维、气体加工、纸浆和造纸、发电系统 笙 6 】 寸 o 国内近年来新建或扩建了许多现代化石油化工企业。这些公司规模大、技术 新、自动化程度高，新增加职工数以万计，急需技术培训。如果不采用先进的仿 真技术进行深层次的技能培训，很难适应现代化企业发展的要求。因此，化工部 和中国石化总公司都对计算机仿真培训系统的开发和推广工作给予了极大的关 注。自1 9 8 5 年开始，我国化工和石油化工企业相继投资约5 0 0 万美元引进了7 套美国a u d y 公司和s i m c o n 公司的仿真培训系统。同时在吸收引进国外仿真培训 技术的基础上，北京化工大学与燕山石化公司合作研制成功我国第一套通用型石 油化工仿真培训系统。并且在燕山石化公司炼油厂催化裂化烟机余热发电引进装 置上取得开车方案论证及操作工技术培训的成功。自此，我国石油化工仿真培训 事业得到了迅速的发展。目前国内已有众多专业开发公司或科技实体，能够为用 户设计制造适合于任何国家、任何厂商、任何型号的集散控制系统( d c s ) 仿真 器硬件以及相应的仿真培训软件。据不完全统计，我国自行开发的仿真软件已经 覆盖了炼油、化肥、乙烯、合成纤维与合成橡胶等五十多种工艺过程，为我国炼 油、化工和石油化工领域职业技术训练开辟了一条新的高效的途径。 1 2 3 化工仿真技术的分析 近几年来，随着计算机技术的快速发展，化工仿真技术的发展也得到了长足 的进步，取得了丰硕的成果，体现出重大的社会效益和经济效益。主要化工仿真 技术的分析如下： ( 1 ) 建立基于稳态数据的化工过程动态模型 在化工过程仿真培训系统的开发过程中，建模者所能得到的数据是十分有限 的，对于新建装置开发的培训系统更是如此。如何由有限的数据出发，去建立起 满足仿真培训系统一般要求的模型( 如全流程仿真、动态偏差小于5 、稳态偏差 小于3 等) ，无疑是每一个开发者所要面临的课题。因此，充分利用稳态数据， 建立起过程的动态模型，是模型开发成功的关键。 基于稳态数据的动态模型给出了对象在时间域中对系统输入的响应的简化描 述。它具有如下特点：建模所需的数据量少，开发周期短，能满足一定精度。因 此，它可以应用于新建装置的工艺、控制方案的可行性分析，装置开停车方案论 证，以及新开工操作工人技术培训等需要较短开发周期的领域中。 建立动态模型的过程：确定建模目的，确定建模对象，搜集资料，工程分析， 4 硕士论文 精对苯二甲酸装置仿真培训系统的设计与实现 关键变量的导出，建立仿真程序，动态模型评价【5 。1 训。 ( 2 ) 化工流程模拟的基本方法 化工流程模拟实质上就是整个化工系统的模型进行求解。典型化工流程模拟 方法有以下三种：序贯模块法：序贯模块法是最常用的流程模拟方法，特别是在 全流程仿真方面。其基本思想是：从系统入口物流开始，通过接受该物流的单元 模块计算得到输出流股变量，依次进行计算，经过过程系统的各个单元，最终得 到系统的输出流，从而可以解出系统中所有股的变量值。联立方程法：联立方 程法就是将整个过程系统中所涉及到的各个单元模块的方程以及模块之间的连接 方程，组成一个庞大的方程组联立求解。联立模块法：这种方法又被称作双层 法，它把整个计算分成了模块水平和流程水平的两个层次，模块水平计算利用常 规模型，而流程水平计算则用简化方程组联立求解。由于使用了简化模型，一方 面减少了调用严格模型次数而减少了工作量：另一方面就有可能在迭代求解时使 用高阶的或更为有效的算法，提高计算效率【l5 。2 2 。 ( 3 ) 化工流程模拟系统的组成 化工流程模拟系统通常都是由系统模型、物性数据和解算方法三部分组成， 称之为模拟三要素。其中：系统模型：系统模型即描述化工系统性能的数学模 型，不仅包括组成系统的各个单元的模型，而且还包括能对系统结构给予明确表 述的部分。数学模型建立过程中要依据质量守恒定律、能量守恒定律、传递速率 方程、状态方程、相平衡方程及化学反应动力学等基本定律。物性数据：用于 流程模拟的物性数据可分为两类：热力学物性数据和传递过程物性数据。前者反 映了过程在平衡方面的特性，如密度、压缩因子、焓、熵、自由能、生成热、反 应热及进行气液平衡常数计算所需的逸度系数、活度系数等；后者反映了过程在 速率方面的特性，如导热系数，粘度、扩散系数等。求解方法：以化工流程的 物料衡算和热量衡算为基础的化工过程系统模型，从数学角度看，最后归结为数 学方程的求解问题。但对于复杂的方程或方程组，解析解的求取非常困难或不可 能实现，因此数值解法就成为一种十分重要的手段。对于线性代数方程组，常用 的解法有消去法、迭代法、l u 分解法；非线性方程组常用解法有牛顿一拉夫森法、 韦格施坦法、布洛伊顿法、优势特征值法等；微分方程常用显式欧拉法、隐式欧 拉法、龙格库塔法等【1 2 讲】。 1 3 本文结构 第一章叙述了课题的研究背景和意义，论述了系统仿真在化工中的国内外应 用现状，包括系统仿真概述、系统仿真在化工中的应用现状和化工仿真技术的分 析。 第二章论述了精对苯二甲酸装置仿真培训系统的需求分析及体系结构，阐述 6 1 绪论精对苯二甲酸装置仿真培训系统的设计与实现 了系统的设计目标和设计思想、系统的体系结构和功能模块。 第三章论述了精对苯二甲酸装置仿真培训系统中的关键数学模型，包括p t a 装置数学模型中主要的反应器和主要工艺参数的数学模型以及系统控制模块的数 学模型。 第四章详细论述了基于工业组态软件p c a u t o 的p t a 装置仿真培训系统的关 键模块的设计与实现方法，包括通讯接口模块、p i d 控制模块、评分软件模块和 界面功能模块的设计与实现。 硕士论文精对苯二甲酸装置仿真培训系统的设计与实现 2 精对苯二甲酸装置仿真培训系统的需求分析及体系结构 本章介绍了精对苯二甲酸装置仿真培训系统的需求分析及体系结构，首先论 述了系统的需求分析，然后论述了系统的设计目标和设计思想，最后论述了系统 的体系结构和功能模块。并且论述了装置模型软件、控制算法软件、通讯软件、 仿d c s 操作站软件和评分软件的功能。 2 1 系统需求分析 随着石油化工装置日趋大型化和复杂化，操作工艺条件越来越严格，自动化 水平越来越高，对从事或将要从事石化行业的新老职工的技术水平和操作实际经 验提出了更高的要求，他们急需技术培训。同时，由于装置必须保证安全、稳定、 长期、高负荷、连续优化的运行，开工次数越来越少，因此传统的以师傅带徒弟 的操作技能的培训方式，无论是在训练内容还是在训练的速度方面都远远满足不 了需要。8 0 年代国际上出现的计算机仿真培训技术大大改变了这种局面。 集计算机技术、控制工程和化学工程于一体的石油化工仿真培训系统，通过 建立和求解过程与装置的动态数学模型，能在专用硬件设备上，逼真地模拟过程 与装置的开工、停工、正常运行及事故处理。采用这类培训装置，无需实物，没 有危险，而且形象生动，在数周内就能获得现场1 2 年的实际生产操作经验，效 果十分明显。 中国石油化工总公司对计算机仿真培训技术十分重视。经过大量认证，在8 0 年代中期，从西方发达国家引进了多套大型石油化工仿真培训系统。9 0 年代初期， 在消化吸收国外仿真培训系统的基础上，又联合国内高校及计算机专业厂家，研 制成功我国自己的通用型石油化工仿真培训器。并在其所属企业相继建立了仿真 培训基地进行推广。在保证装置安全生产、降低操作成本，节省开停工费用、减 少或避免事故所造成的经济损失等方面发挥了有效作用。 集散控制系统( d c s ) 的应用给计算机控制带来了飞速发展，随着d c s 的广 泛应用，同时提出了如何加深d s c 应用深度和加速操作人员的培训问题。再者， 对于新建或改建装置，也同样存在对d c s 操作的培训问题。为此，应设法研究出 一套既能适合各类技术人员开发、又可供上岗人员操作培训的仿真培训系统。 目前，随着计算机技术的迅猛发展及其在化工生产中的广泛应用，特别是集 散控制系统( d c s ) 的使用，使得计算机仿真培训的作用受到越来越多的重视。 利用仿真技术，模拟装置的开工、停工、生产调整及事故处理等，使操作工和工 艺人员能很快地熟悉装置的特性，掌握各种操作和处理方法，从而保证装置稳定、 安全、长时间地运行。 7 2 精对苯二甲酸装置仿真培训系统的需求分析及体系结构精对苯二甲酸装置仿真培训系统的设计与实现 扬子石化公司化工厂一线、二线p t a 装置是一套己运行的老装置，而三线 p t a 装置是新建的d c s 控制的大型的化工生产装置，属于公司计划内的改扩建项 目，又由于所用的d c s 型号为t d c 3 0 0 0 型，因而必须对工人和工艺人员进行岗 前培训以熟练掌握装置的工艺操作及t d c 3 0 0 0 的操作。为保证p t a 装置顺利开 车，加强操作工开车前的培训及开车后事故处理培训，以及开车后为装置的优化 运行提供操作指导。我们与扬子石化公司化工厂合作开发了一线、二线和三线p t a 装置仿真培训系统软件。 2 2 系统的设计目标和设计思想 经过对精对苯二甲酸装置仿真培训系统的需求认真分析后，我们制定了该系 统的设计目标和设计思想。 ( 1 ) 系统的设计目标 p t a 仿真系统内容要全面：包括p t a 装置的催化剂配制与催化剂回收系统、 空气压缩与透平系统、能量回收系统、氧化反应系统、氧化产品结晶系统、氧化 产品干燥系统、母液处理系统、溶剂回收系统以及机组等部分，以实现p t a 装置 的全流程仿真培训要求。 仿真培训软件的操作培训内容要全面：仿真培训软件可以对p t a 装置的开 工、停工、正常操作调节、事故处理等工况进行培训，且每种工况都具备教师指 令功能，可以任意选择培训工况。 仿真数学模型的计算结果符合实际生产装置：采用机理和经验相结合的建 模方法，采用以低阶动态拟合暂态响应的技术，开发的全流程仿真数学模型的计 算结果与实际生产装置相符，要求数据可靠、逼真度高。主要相关变量的变化趋 势与实际生产相符，变化的过渡过程与现场相吻合。在正常工况下，主要变量的 静态误差在4 - 3 之内，变量的动态误差在5 之内。 开发的仿真操作界面与装置真实的d c s 操作界面一致，人机界面友好，画 面丰富，操作方便。 仿真培训软件具有较好的评分考核系统，可以对培训人员的开工过程、停 工过程等操作进行客观的评分，可用于操作人员的技能考核和评定。 设定了灵活的仿真时标，可以满足不同层次的操作培训。该仿真培训软件 可以改变仿真培训系统程序的快慢，以适应不同层次的培训人员的操作节奏。 ( 2 ) 系统的设计思想 本课题开发的精对苯二甲酸装置仿真培训系统是针对p t a 装置的操作培训与 操作员工的技能考核而研发的，目的是应用该系统提高p t a 装置操作培训的效率 和质量。该仿真培训系统要真实的模拟p t a 装置的工作过程，关键的技术一是运 8 硕士论文精对苯二甲酸装置仿真培训系统的设计与实现 算速度，二是仿真精度。 为了在保持适中仿真精度下提高系统运行速度，我们设计了仿真运行软件与 运行数据分离的系统软件程序结构；把显示画面的显示内容和对操作对象的显示 数据( 运行数据) 与p t a 装置数学模型( 仿真运行软件) 分离在不同的计算机上 运行：仿真运行软件在教师指令台上运行，运行数据在学员操作站计算机上运行。 这样做，一方面便于系统软件模型调试和画面构造：另一方面，减轻教师指令台 负担，在通讯上实施教师指令台和学员站间数据交换，操作记录和成绩评定过程 仅在相应按扭请求下传送，对于当前监控的操作站同时传送p t a 装置的过程数据。 考核规则由教师指令台在考试开始或者练习时下传给学员站，确保了整个系统具 有良好的可靠性与运行速度。 2 3 系统的体系结构 精对苯二甲酸装置仿真培训系统整体结构由教师指令台、仿d c s 操作站和现 场操作站通过局域网形式组成，它们以工业组态软件p c a u t o 为开发平台，公用同 一个实时数据库，采用t c p i p 协议进行通讯。该系统整体结构如图2 1 所示。其中 教师指令台采用d e l l j 艮务器配置，责完成装置模型开停车控制、模型运算、控 制参数调节等大部分常用功能；三台仿d c s 操作站和一台仿现场操作站采用d e l l 个人计算机配置，分别负责运行仿d c s 操作站软件和仿现场站软件。 当培训学员在操作站上按规定进行相关内容学习和操作时，其操作参数上传 到教师指令台上的实时数据库，相关装置模型和控制算法软件通过取得实时数据 库中的对应数据进行运算后返回，最后将运行结果反映在操作站界面上，从而模 拟实际p t a 装置的生产过程来达到培训目的。 2 4 系统的功能模块 仿真系统软件的整体结构是基于任务分散的原则，在不同的站点上分配了完 成相应功能的软件。教师指令台的装置模型软件、控制算法软件、评分软件、通 讯软件均自行开发完成。操作站上的软件如仿d c s 操作站软件、仿现场站软件等， 则是以d c s 本身为标本的功能软件【2 5 1 。其结构如图2 2 所示。 p t a 仿真培训的功能模块包括装置模型软件、控制算法软件、评分软件、通讯 软件和仿d c s 操作站软件等。具体功能描述如下： ( 1 ) 装置模型软件：是仿真过程核心软件，采用面向对象编程语言v c + + 来描 述各种化工生产的动态过程，建立各种单元、设备的动态特性模型，实现生产过 程的开车、停车、正常运行、事故处理等操作。装置模型的仿真直接影响仿真系 统的质量和使用效果，既要保证模型的精度，又要满足仿真系统大范围操作的要 求。 9 2 精对苯二甲酸装置仿真培训系统的需求分析及体系结构精对苯二甲酸装置仿真培训系统的设计与实现 用户层 通信协议 及i o 接口 功能层 平台层 团 图2 1p t a 仿真系统结构 ( 2 ) 控制算法软件：是根据仿真系统的要求，由用户提供d c s 系统本身的技 术资料和真实d c s 的组态结果，利用己有的d c s 软件工具，基于普通计算机软件 系统，有针对性地进行开发，实现与真实d c s 操作相同的仿d c s 操作站软件。 ( 3 ) 通讯接口软件：在本系统中，网络通讯采用基于t c p i p 协议的e t h e r n e t 局域网形式，数据通讯接口软件是联系操作站界面，实时数据库和装置模型的关 键。本系统设计的几个主要部件分布式地运行在不同的计算机内，通过网络等方 l o 硕士论文精对苯二甲酸装置仿真培训系统的设计与实现 图2 2p t a 系统功能模块划分 式实现部件间的通信。教师指令台和学员操作站之间的通讯采用定时通讯和随机 通讯两种方式。定时通讯是指学员机从教师指令台定时获取数据包；随机通讯是 指根据学员操作站的操作随时向教师指令台发送数据。采用定时通讯方式时，学 员操作站每隔一段时间从教师指令台获得刷新的数据，这可保证学员操作站上的 数据总是最新的。而当学员操作站上要改变相关参数时( 例如，阀门开度的改变) ， 则采用随机通讯方式，这可保证学员操作站上的变化能够及时反馈给教师指令台。 ( 4 ) 仿d c s 操作站软件：模拟真实d c s 的显示、监视和操作等功能。它用于 管理、调度仿d c s 学员操作站软件各部分，实现动态实时数据库、各类标准画面、 键盘操作和各种算法以及通讯的协调配合，完成所仿真实d c s 操作站的显示和操 作，是学员进行工艺仿真操作的主要界面。 ( 5 ) 评分软件：评分的功能建立在各个单元模型中，在做单元模型培训及考 核时运行评分软件，跟踪记录学员的操作动作和操作表现，并按组态定义的评分 标准进行评判，给出学员的操作成绩。评分软件包括报警评分、事故处理评分和 顺序操作评分，评分标准是根据用户提供的评分标准和操作准则进行的。 3 精对苯二甲酸装置仿真培训系统中的关键数学建模 精对苯二甲酸装置仿真培训系统的设计与实现 3 精对苯二甲酸装置仿真培训系统中的关键数学建模 本章重点论述了精对苯二甲酸装置仿真培训系统中的关键数学建模。包括精 对苯二甲酸生产装置中主要反应器和主要工艺参数的数学建模以及系统控制模块 的数学建模，其中p t a 装置的数学建模，主要论述了p t a 装置主要反应器的数学 模型及主要罐体的液位模型、压力模型和温度模型；系统控制模块的数学建模， 主要论述了常规p i d 控制算法和数字p i d 调节器参数的整定及对系统性能的影响 等内容。 3 1 系统中p t a 装置的数学建模 本系统中p t a 装置数学模型采用了集中参数模型，并以机理为主，用生产数 据或设计数据修正，建立数学模型，并采用回归方程和经验公式，适当加以动态 补偿，最终能够准确预测变量的稳态值，逼真地模拟各种操作状况下的动态响应 过程【2 6 。3 0 】。主要设备的实际运行数据与仿真数据相吻合，模型实时性、准确性、 逼真性与连续性符合仿真要求( 稳态误差 b ；尸( p ) = 0 ，当lr ( k ) - c ( k ) i = p ( 七) b ( 3 3 4 ) 带死区的p i d ( 增量式) 氓：r k p ( e 一气一1 ) + k 气+ ( 气一2 一1 + 乞驯乞l 召 ( 3 筋) ” l 0 ；ie n | s e t t i t l e ( ” 驱动程序”) ： 载入i o a p i d l l 后立即调用，这时信道，设备，包，点都不存在。 b e x t e m ”c a f xe x ta p iv o i do n s o r t l t e m ( c d e v i c e * p d e v i c e i n t & n f i r s t s o r t k e y w o r d ，i n t & n s e c o n d s o r t k e y w o r d ) 以1 0 连接项结构n 8 数组中的n o 】( 第一关键字) 和n 1 】( 第二关键字) 排 序c i t e m * 数组 n f i r s t s o r t k e y w o r d = 0 ； ? _ n s e c o n d s o r t k e y w o r d = 1 ； ) 所有点l o a d 完毕后调用( 动态分包后也调用) 堡至呈唑堕坠茎曼堕型! 墨竺萎堡堕堡业塑翌盟壁燮墅型型坚 c e x t e m c a f x _ e x t _ a p iv o i d o n l t e m t o p a c k e t ( c p a c k e t 宰p p a c k e t ， c l t e m 譬p i t e m ) d p a c k e t a d d i t e m ( p l t e m ) ； 打包后每个设备调用一次( 动态分包后不调用) d e x t e r n 州c ，a f xe x t a p ii n to n c r e a t e d e v i c e l i n k ( c d e v i c e 幸p d e v i c e ， l p t s t rl p s z s e n d s t r i n g ，i n t & n s e n d s t r i n g l e n ) p d e v i c e - g e t c h a n n e l ( ) s e t t i m e o u t a c t i o n ( 1 ) ； s t e p = 5 0 0 o 2 f i = 1 0 0 0 ； f o = 1 0 0 0 ； e v e l2 = 5 0 0 ： e v e l _ 1 = 5 0 0 ； v l = 1 0 ： v 2 = 5 0 0 ； v 3 = 1 0 ； v 4 = 5 0 0 ： t e m p ( o ) ： r e t u r n ( s k i p ) ； ) 循环多次添加所有的点到各个包中( 动态分包后也调用) e e x t e mn c ”a r xe x t _ a w i n to n r e a d d a t a ( c p a c k e t 枣p p a c k e t ， l p t s t rl p s z s e n d s t r i n g ， i n t & n s e n d s t r i n g l e n ) m o d u l e ( ) ； t e m p ( o ) ： f o r ( i n ti ：0 ；i g e t l t e m c o u n t ( ) ；i + + ) c l t e m 事p i t e m = p p a c k e t 一 g e t l t e m ( i ) ； i o i t e m d e f 事p l t e m s t r u = p l t e m - g e t i t e m s t r u ( ) ； i n tn o = p l t e m s t r u - n 0 】； 硕士论文精对苯二甲酸装置仿真培训系统的设计与实现 p l t e m - s e t d a t a ( f d a t a n 0 】) ； s l e e p ( 1 ) ； p p a c k e t - s e t r e a d y ( ) ： r e t u r n0 ； 循环调度，形成数据请求命令串 e x t e m ”c ”a f x e x t _ - a p ii n to n w r i t e d a t a ( c l t e m 木p l t e m ， 。lpctstr l p s z w r i t e d a t a s t r i n g ， l p t s t r l p s z s e n d s t r i n g ， i n t & n s e n d s t r i n g l e n) c p a c k e t 木p p a c k e t = p i t e m 一 g e t p a c k e t ( ) ： c d e v i e e 母p d e v i c e = p p a c k e t 一 g e t d e v i c e ( ) ； d o u b l ed b l d a t a = a t o f ( 1 p s z w r i t e d a t a s t r i n g ) ： i n tn d a t a ； i f ( d b l d a t a - - _ - 0 ) n d a t a = i n t ( d b l d a t a + 0 5 ) ； ) e l s e n d a t a = i n t ( d b l d a t a - 0 5 )；) i n tn o = p l t e m 一 g e t i t e m s t r u ( ) - n 【o 】； f d a t a n 0 】= ( f l o a t ) d b l d a t a ； t e m p ( 1 ) ； p l t e m 一 s e t w r i t e s u c c e s s ( ) ： r e t u r no ； 关键扫描函数的实现 装置数学模型数据和实时数据库数据交换过程主要涉及两个函数： 1 、数据上传函数。其主要负责不断把从各个设备采集到的数据发送给数据库。 函数形式如下： i n to n r e a d d a t a ( c p a c k e t 宰p p a c k e t ，l p t s r ts z c o m m a n d ，i n t & n c m d l e n ) ； 具体实现代码如下： 3 3 4 基于p c a u t o 的p t a 装置仿真培训系统关键模块的设计与实现精对苯二甲酸装置仿真培训系统的设计与实现 e x t e r n ”c ”a f xe x ta p ii n to n r e a d d a t a ( c p a c k e t 木p p a c k e t ，l p t s t rl p s z s e n d s t r i n g ，i n t & n s e n d s t r i n g l e n ) 循环调度形成数据请求命令参数 m o d u l e ( ) ；调用装置数学模型函数 t e m p ( 0 ) ；上传数据到实时数据库 f o r ( i n ti = o ；i g e t i t e m c o u n t 0 ；i 十+ ) c l t e m * p i t e m = p p a c k e t - g e t l t e m ( i ) ； 取数据包里第i 个点 i o i t e m d e f * p l t e m s t r u = p l t e m 一 g e t l t e m s t r u 0 ； i n tn o = p l t e m s t r u n o 】； 传送实时数据库通道号 i n tn l = p l t e m s t r u n 【1 】；传送实时数据库地址号 p l t e m s e t d a t a ( a n 0 n 1 ) ；传送到实时数据库对应点 循环打包数据点 p p a c k e t 一 s e t r e a d y 0 ； r e t u r n0 ： 2 、数据下置函数。