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HYSYS软件及其自动化接口研究本文由wht526贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 22 卷 11 期 第 第 文章编号 : 1006 - 9348 ( 2005) 11 - 0247 - 05 计 算 机 仿 真 2005 年 11 月 HY SY S软件及其自动化接口研究 沈翠霞 ,张贝克 ,吴重光 ,张卫华 1 1 1 2 ( 1. 北京化工大学信息科学与技术学院 ,北京 100029; 2. 中石化青岛安全工程研究院设备与工艺研究室 ,山东 青岛 266071 摘要 : 复杂系统的故障诊断 ,由于潜在故障的数目极大 ,因此无法对诊断方法的实际效果进行有效地评价和验证 。在化工流 程中这一矛盾更加突出 。考虑运用仿真技术搭建“ 虚拟工厂 ”并利用计算机自动进行事故的产生 , 来对各类诊断方法进行 , 综合评价 。由于化工流程的多样性 , 要求虚拟工厂能模拟各种流程 , 且具有开放性 、 可扩展性以及动态模拟等特性 , 选用 HYSYS作为仿真平台 。针对该平台进行的事故产生和实时数据监测都涉及到与 HYSYS 的数据交互问题 。该文对基于 HYSYS进行的诊断方法评价环境作了介绍 ,并重点对利用其自动化接口进行不同进程间数据交互的问题进行了详细的研 究 。此研究对于故障诊断的验证方法有积极意义 。 关键词 : 仿真平台软件 ; 自动化接口 ; 诊断方法验证 中图分类号 : TP319. 9 文献标识码 : A HY SY S and its Automa tion In terface SHEN Cui - xia , ZHAN G Bei - ke , WU Chong - guang , ZHAN G W ei - hua 1 1 1 2 ( 1. College of Information Science and Technology, Beijing University of Chem ical Technology, Beijing 100029, China; 2. Equipment and Craft Research Room , Q ingdao Safety Engineering Institute SI OPEC Corp. Q ingdao Shandong 266071, China) N ABSTRACT:A s far as the fault diagnosis of comp lex system is concerned, because the number of the potential fault is large, the factual effect of the fault diagnosis methods cannot be assessed and validated effectively, especially in chem ical p rocesses Just for this reason we consider using sim ulation technology to put up the fictitious factory , . and utilize the computer to carry on the p roduction of the faults automatically, to carry on comp rehensive assess ment to all kinds of diagnosis methods Because of the variety of the chem ical p rocess, we require the fictitious factory to . i itate various kinds of p rocedure, and have characteristics, such as opening, expansibility and dynam ic sim ulation, m etc. So we select HYSYS as the sim ulation p latform. The p roduction of faults and the real - ti e data monitor both m ods based on HYSYS is introduced, and the utilization of its automation interface for carrying on the data per mutation in different p rocesses is studied in detail This is good for diagnosis methods validation. . KEYW O RD S: Sim ulation p latform softw are; Automation interface; D iagnosis methods validation come down to the data per mutation w ith HYSYS In this work, the assess . ment circum stance of faults diagnosis meth2 1 引言 安全领域应用仿真技术解决安全试验以及故障诊断试验的 问题 。 仿真技术是以相似原理 、 信息技术 、 系统技术及其应用 石油化工是我国的重要支柱产业之一 ,关系到国民经济 能源 、 材料等许多方面 , 然而也是危险性极大的产业 。随着 科学技术发展 ,石油化工生产规模不断扩大 , 工艺流程越来 越复杂 ,生产装置趋向大型化以及生产过程的连续性 、 自动 化程度不断提高等 , 使得事故发生几率和危害程度大大增 加 。对于化工流程中的故障诊断以及安全分析已经成为亟 待解决的问题 。由于一些破坏性试验无法在实际中实施 ,故 领域有关的专业技术为基础 ,以计算机和各种物理效应设备 为工具 ,借助系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究 的一门综合性技术 。虽然仿真代替不了实际中各种情况 ,但 可以模拟 、 验证方案的可行性 。所以近年来 , 化工过程的计 算机辅助评价和故障诊断得到迅速发展 1, 2 。由于化工过程 的日趋复杂 ,其潜在的故障也越来越多 , 危险性也随之提高 。 目前工业中常用的诊断方法很多 , 例如事故树法 、 模糊聚类 法、 经验诊断法等 , 然而各种诊断技术的完备性 、 准确性 、 分 辨率高低等都需要验证 。所谓完备性是指诊断方法应将所 基金项目 : 国家高技术研究发展计划 ( 863) 项目 ( 2003AA412310) 收稿日期 : 2004 - 08 - 12 247 有的故障原因识别出来 ; 准确性即诊断系统能够对不同的故 障有分辨能力 ,诊断系统的结果输出集应当与未发生的故障 集正交 。但迄今还没有一个合适的平台可以对这些评价和 诊断方法进行合理的验证 。 鉴于此问题 ,运用 HYSYS软件作为过程仿真环境 , 搭建 通用和专用的化工流程 。利用其自动化接口进行诊断方法 的验证 ,从而实现了一个故障诊断验证平台 。 (这就是 W I DOW S的多任务 ) ,观察它们对产品的影响以及 N 变化规律 。还可以随时停下来 ,转回静态 。由于动态和静态 是相同对象的共享 ,所以动静之间转换非常容易 。 HYSYS提 供了 P I 控制器 、 D 传递函数发生器 、 数控开关 、 变量计算表等 进行动态模拟的控制单元 。 3. 3 事件驱动加物性计算包等 HYSYS提供了一组物性计算包 ,其基础数据经过严格的 校验 ,包括 16000 个交互作用参数和 1500 个纯物质数据 。 2 故障诊断验证平台背景 对于一个具有多变量的流程 ,其故障的通路随着变量个 数迅速递增 。例如一个 7 个变量的流程 ,每个变量有 2 种非 正常状态 ,则其异常的排列组合数为 : 2 = 128 2 100 7 为实现复杂工艺流程的模拟提供了基础 。 将模拟技术和完全交互的操作方法结合 , 使 HYSYS获 得成功 。而利用面向目标的技术使 HYSYS这一交互方式提 高到一个更高的层次 , 即事件驱动 。在研究方案时 , 需要将 (1) ( 2) (3) 30 许多工艺参数放在一张表中 。当变化一种或几种变量时 ,另 一些也要随之改变 ,算出的结果也要在表中自动刷新 。 另外 HYSYS还提供了数据回归包 , 内置人工智能等功 能 。为我们的验证方案提供了较好的试验平台 。 = 1. 27 1030 Pmax = 2 N 若有 100 个变量 ,则异常组合的总数达到 1. 27 个 ! 10 对于 N 个变量的流程 , 异常用式 ( 3 ) 进行计算 , 显然这是个 天文数字 。而人工进行各种异常的验证几乎是不可能的 。 所以利用模拟软件进行验证 。 由于我们要对各种化工流程进行研究 ,其多样性决定必 须有一种通用的平台 ; 而且为了研究故障演变的过程 , 还需 要一个动态仿真软件 ; 为了真正模拟相似复杂程度的工艺流 程 ,此平台还需要是基于机理的模型 , 而不是定性模型 。目 前比较好用的软件就是 HYSYS。 4 Automa tion 接口特性 数据接口技术 ,即通过开放服务器程序的部分接口 (或 称为对象 ) ,使得其他程序开发员可以通过相应的 Automation 技术调用这些接口对象 , 来执行相关的输入与输出 , 实现数 据的交互 。开发数据接口技术的目的即以最少的资源 (人 力、 物力等等 )来实现复杂的操作 , 通过接口调用 , 我们就可 以实现这一点 。 Automation对象就是指实现了 Idispatch 接口的 COM 对 3 HY SY S软件介绍 HYSYS是组成 AES (A spen Engineering Suite) 基础的仿 象 。 COM 的优点是多方面的 : 可以将系统中的组件用新的 替换 ,以便随时进行系统的升级和定制 ; 可以在多个应用系 统中重复利用同一个组件 ; 可以方便地将应用系统扩展到网 络环境下 ; 与语言 、 平台无关 , 支持各种编程语言 , 尤其是动 态语言 。虽然自动化性能不如过程调用 ,但是 , Automation 接 口统一 、 向前兼容 ,使得版本问题不用担心 ,且由于化工过程 是慢过程 ,往往几秒 ,甚至几十秒才是一个过程 , 对于我们来 说已经足够 。 HYSYS流程仿真软件正是基于 COM 标准进行开发的 , 真和最优化家族产品的一个重要部分 。AES是一个开放的 环境 , 支 持 和 促 进 开 放 的 工 业 标 准 , 例 如 CAPE - OPEN , OPC, AS E, CODAP, PD5500, D I , J IS, TEMA。 M N 3. 1 集成式工程环境 HYSYS使用了面向目标的新一代编程工具 ,实现了集成 式的工程模拟软件 。在这种集成系统中 , 流程 、 单元操作是 互相独立的 。 流程只是各种单元操作这种目标的集合 , 单元 操作之间靠流程中的物流发生联系 。在工程设计中稳态和 动态使用同一个目标 , 然后共享目标的数据 , 不须进行数据 传递 。从而得到最大的效益 ,对复杂的工艺流程分成几个部 分模拟 。由于其小流程分析方便 , 速度快 , 且对不同体系采 用不同的热力学方法以取得更精确的结果 。其集成式的工 程环境能在一个模拟环境中将流程分为若干个子流程 , 可大 可小 。独到之处是子流程 、 主流程之间的数据相互共享的 , 不须传递 。它们之间还可以采用不同的物性计算包 。 3. 2 动态模拟功能 在与之相关的功能扩展软件开发中 , HYSYS都给予了完善的 对象开放与接口支持 。 5 HY SY S 自动化接口 HYSYS中开放了超过 340 个 Automation 对象 ,这些对象 动态模拟的方法及过程是流程稳态模拟收敛后 , 首先定 义单元操作的动态数据 (如分离器的几何尺寸 、 液位高度 等 ) ,安装控制仪表 , 然后就可以进入动态 , 开始动态模拟 。 动态模拟过程中 ,可以随时调整温度 、 压力等各种工艺变量 248 集合性的包含了超过 5000 种属性和方法 。在使用 Automa2 tion对象种 ,耗时长和困难的任务就是确定什么对象是可用 的和如何获取感兴趣的属性 。图 1 所示即为 HYSYS自动化 接口的对象层次简图 。下面就对这些对象进行详解 。 、 5. 1 HY SY S对象层次 图 1 没有包括 HYSYS 类型库中的所有对象 , 只列出了 最常访问的对象 。根据关键对象及其属性 ,这些对象被分为 串 。V isual Basic提供了一个额外的可变值作为变量 。一个 变量可以是任何一个可变形式 ,比如整型 , 双精度型 ,字符串 型 ,队列或者对象 。 如果一个对象属性返回大小可以依靠事件变化的数组 的话 ,那么变量就可以用来获取该值 。举例 , ProcessStream 对象的 Component assFractionValue 属性返回一个双精度数 M 组 ,并且大小取决于与流体相关的成分数目 。 在 V isual B asic中 ,如果某个可变量没有在外部声明 ,那 么它其实也还算一个变量 。使用变量会占用相当可观的存 储空间 ,因此对于大型的应用程序 , 最好限制变量的使用个 数 。而且只要有可能最好也可以声明外部变量 。 数组的维数依赖于被呼叫的属性 。表 1 列出了最常用 的返回数组的属性名 ,以及该数组的维数 。 表 1 属性和维数 HYSYS常用变量 图 1 HY SY S对象层次简图 返回值属性 一维数组 二维数组 二维数组 八 个 大 类 : Conta iner Objects, Support bjects, O ilO bjects, Ba2 O sisObjects, StreamObjects, OperationObjects, ExtensionObjects和 PFD Objects。 5. 1. 1 App lication和 Sim ulationCase对象 组件成分质量分数 柱状成分分数值 反应参数 为了开始客户端和服务器应用程序之间的通讯 , 一个服 务器应用程序的初始化链接必须被建立 。对 HYSYS里任何 5. 1. 3 流程图对象 变量的引用必须从 HYSYS案例 ( Sim ulationCase)或应用 (Ap 2 p lication )开始 。App lication对象是 HYSYS中最重要的对象 , 主流程图对象可以通过 Sim ulationCase 对象获取得到 。 流程图对象是一个包含所有 ProcessStream 对象和 Operations 对象的容器 ,正好比于一个与流程图相关的 FluidPackage 对 象的链接 。每一个流程图对象和子流程图对象都拥有自身 的流体包 ,并且也拥有自身的属性包和一套组成成份 。子流 程图能通过流程图集合对象从主流程图对象获取 。 5. 1. 4 其它对象 Container Objects对象描述了包涵其它对象或形成大量 并且代表了 HYSYS程序本身 。根据 App lication 对象 , 几乎 tionCase对象是获取和打开特定仿真事件的起始对象 。 所有在 HYSYS类库中列表了的对象都可以被获取 。 Sim ula2 对象序列通过特殊的点函数进行设定 。一个对象的属 性和方法也可以通过点函数获取得到 。最好保持对象序列 最小化 ,因为每一个点函数都是链接客户与服务器应用程序 的一个响应 。 在 Automation的使用中 ,对象继承是很重要和基础的概 念 。一个特定属性只能通过特定的对象关链来获取 。这种 关链通过 App lication 或者 Sim ulationCase 对象开始 , 终止于 包含有所需要属性的对象 。 对象方法的获取和属性的获取是一样的 ,都是利用点函 数 。特定对象的方法就是一个函数或者一个子程序 , 它们的 行为都与对象在某些方面相关 。特别地 , 一个对象的方法在 被呼叫时需要某些成员被传递 。类库提供与那些成员需要 呼叫特定的方法有关的信息 。函数返回一个值 。 5. 1. 2 集合对象 对象继承的基础 环境 。例 如 , App lication 对象 可包 含许多 Sim ulationCase 对象 , Sim ulationCase 对象包含了所有与事件 相关的残余对象 。流程图对象包含所有的流体对象和事件 单元操作对象 。流程图也包含了其它流程对象 , App lication 或 Sim ulationCase对象 。 Basis Objects主要涉及到了被 HYSYS Basis anager操作 M 的对象 。在 HYSYS 中 的 Basis anager 对 象 负 责 操 作 一个 M HYSYS仿真事件的广义方面 。这些对象包括反应器 ,组成成 份和属性包 。 Basis anager对象通过 Sim ulationCase 对象获 M 取 得 到 。根 据 Basis anager 对 象 , FluidPackages 和 Hypo2 M Group s集合对象可以获取得到 。通过 Basis anager直接或 M age, Components和 Hypotheticals, 都需要 HYSYS仿真环境给 一个集合对象就是一个包含有一套其它对象的对象 。 这和数组对象有点相近 。集合对象和数组对象的不同就在 于集合对象包含有一套属性和方法来浏览和操作集合中的 对象 。 属性可以返回一系列变量类型 。数值比如温度和压力 以双精度或 32 位浮点值返回 。流体名称属性返回一个字符 者间接获取而变化的对象 , 例如 FluidPackages, PropertyPack2 予注意 。Basis anager对象包含的方法允许环境基础的变化 M 平缓进行 。如下的方法必须被用在对 Basis对象作出改动的 任何代码的外部限制上 。 O il Objects 主 要 指通 过 O il anager 获 取 得 到 的 对 象 。 M 249 对象提供了可以获取 O il环境的通道 。就像对由通过 Basis2 M anager获取得到的对象做出的改动 , 在调整化验或混合的 dO ilChange的方法来完成 。在调用 StartB asisChange 方法之 时候需要通知仿真环境 ,可以通过调用 StartO ilChange 和 En2 前调用默认的 StartO ilChange 方法可以直接导致 StartB asis2 Change方法被调用 Stream Objects的 主 要 对象 是 ProcessStream 和 Fluid 对 象 。 Fluid对象是一类流体对象 , 它不和操作相关而能继承 自 ProcessStream。 Fluid对象能被操作而不影响操作和事件 中的流体 。 ProcessStream 对象能通过流程图或者相关的操 作获取得到 。 对象是可获取的 。操作可以通过流程图对象获取得到 。每 一个操作都拥有很特殊的一套属性和方法 。每一个操作都 有一些公共属性 。Operation Objects包含如下属性 : 确定供 应 ,输出和连接到操作的附加对象 。操作对象也包含将某些 操作从流程图和 HYSYS事件中添加或移除的方法 。 Support Objects主要用于对 HYSYS 中的一个对象执行 一个功能或者提供服务 。在仿真环境中的 HYSYS事件可能 没有支持对象的可视化表达 。支持对象可以在 HYSYS中通 过很多对象获取得到 。在类库中被最经常调用的 2 个支持 对象是 FixedA ttachments和 RealV ariable。 可以使用 PFD Objects来移动 、 缩放 、 镜像 、 旋转 、 隐藏任 何的 PFD 成员 ,也可以允许导入导出 PFD 成员到 V isio、 CAD 以及 Excel中 。 5. 2 通过 VB 访问 HYSYS 方法等 。 案例 ( Sim ulationCase ) 或 应 用 ( App lication ) 开 始 。特 殊 的 A tiveX 对象结构支持其中一个获取应用程序接口 ,另一个获 取应用程序文档 。例如 , 要取出某物料流的温度值 , 代码如 下: Sim ulationCase. Flow sheet M aterialStream s Item ( Feed . . Sim ulationCase. Flowsheet . Stream s . Item ( Feed O il anager对象通过 Basis anager进行设定 ,并且包含了 A s2 M M say和 B lend 对象 。通过 Basis anager进行设定 , O il anager M M Sim ulationCase. Flow sheet M aterialStream s Item ( Feed . . Stream ) . Temperature. GetV alue ( F ) or Sim ulationCase. Flow sheet . 5. 2. 2 修改变量的值 Stream s . Item ( Feed Stream ) . Temperature. GetV alue ( F ) 通过 VB 还可以实时改变 HYSYS中变量的值 ,只要此变 量是可指定的 。方法是在输入框的 change 或 losefocus函数 中利用 setvalue方法即可 。例如 : hystream. Item (0). Pressure. Set alue Text1, kpa V 需要注意的是 , 我们只能改变流程中那些可指定的参 数 ,对于由 HYSYS自动计算得出的变量 ,我们无法对其进行 修改 。 5. 2. 3 对象变量声明 VB 中对象变量的声明格式为 : D im ( or Public / Private) objV ariable A s Object 。所有的对象变量被声明为一般对象 , 绝大多数的 HYSYS中的单元操作可以作为 Automation 叫做后绑定 (Late B inding) 。编译器不能把对象变量同对象 类型联系起来 ,直至程序运行 。这里有更好的方法解决此问 题 ,即早绑定 ( Early B inding) 。 VB 允许早绑定 , 意味着对象变量可以不被声明为一般 对象 ,而被声明为特殊对象 。早绑定允许编译器把对象变量 和它的固有类型在设计时联系起来 。此时对象变量的声明 形式类似 : D im (or Public / Private) objV ariable A s objType 例如 : D im hyCase A s Sim ulationCase Public ( Private) hyFlow sheet A s Flow sheet 通过 VB (或 VBA )访问 HYSYS首先要在其工程中引用 1) 选择 Projects菜单下的 References; HYSYS类库 。步骤如下 : 2 ) 选中 HYSYS type library复选框 ,然后确定 ; 此后 在 设 计 过 程 中 即 可 选 择 V iew 菜 单 下 的 Object B row ser(或用 F2 快捷键 ) , 查看 HYSYS类库的对象 、 属性和 5. 2. 1 访问变量 如前所述 , HYSYS中任何变量的引用都必须从 HYSYS 图 2 酸气处理过程的 PFD 图 6 案例 最后我们模拟了一个典型的酸气处理系统 , 工艺流程如 图 2 所示 。 利用 HYSYS自动化接口 ,可以实现对流程信息 ,例如属 性包 ,组分 ,操作等的读取和写入 ,以及剧情设定等 。基于如 上所述软 件 特 点 及 接 口 , 我 们 利 用 VB 开 发 了 一 套 基 于 HYSYS进行的诊断方法评价软件 。软件结构如图 3 所示 。 Stream ) . TemperatureValue or Stream ). TemperatureValue 这里返回的参数单位默认是国际单位制 SI,如果想改变 软件功能 : 操作人员监控 HYSYS剧情发生器 ,剧情发生 器实现自动设定故障剧情 ,连接到 HYSYS模拟的工艺流程 , 单位制 ,对象层次可如下 : 250 再从监控接口获得信息分 析故障诊断 , 最终的结果送 往控制台进行比较 , 验证和