一种用于石油化工的仿真教学系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及教学仿真模型技术领域，特别涉及一种用于石油化工的仿真教学系统。
[0002]
【背景技术】
[0003]石化行业是我国国民经济的支柱产业之一，为国民经济的持续发展作出了积极的贡献。同时，石化行业的物料运行环境大多数为高压、高温、易燃易爆等高危险性特点。因此，学生无法在真实的装置上操作。并且石油化工生产属于连续性生产，生产线的自动化程度较高。
[0004]DCS系统(集散控制系统(控制分散、管理集中))已成为石化企业生产的主要控制手段之一，随着自动化水平越来越高，设备的操作及控制主要在控制室内进行，因此，企业对熟练使用DCS控制系统的技术人员的需求有所增加。而真实工厂中设备及阀门的实际操作不允许学生随意调节，因此学生工厂实习得不到锻炼，特别是一些化石化工厂也不会让学生随意的介入化工生产车间进行相应的训练。因此DCS控制系统与仿真教学系统结合是目前的发展趋势。
[0005]DCS系统与仿真系统相结合势必会成为DCS系统控制方案调试、DCS系统培训以及工业过程控制研宄的发展方向。DCS系统用于工业生产过程控制中，将高精度的模拟量、数字量输入输出模块通过接线方式与现场仪表或执行机构连接在一起，可将过程数据采集到控制器以及控制器参数传送至执行机构。因此数据传输的快速性与可靠性成为DCS系统用于工厂生产过程控制的首要前提。然而仿真系统中的虚拟仪表或执行机构并不存在接线的方式，如何既能保证DCS系统与计算机生产仿真模型之间的正常数据交换，又能保证数据传输的快速性与可靠性成为DCS系统与仿真系统相结合的一项研宄重点。
[0006]目前仿真教学有两大方面即工厂实体仿真类及整体仿真类，分别存在缺点为:前者有真实设备的仿真工厂系统，这种仿真系统有真实设备，占地面积大，投资费用高。后者采用仿真DCS系统代替真实的DCS系统，这种仿真装置只能按照固定模式操作，不能接近真实企业的控制系统真实的DCS过程控制系统。
[0007]
【发明内容】
[0008]本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种用于石油化工的仿真教学系统。本发明通过以下技术方案实现:
一种用于石油化工的仿真教学系统，包括DCS子系统以及仿真子系统，两者通过标准工业信号通讯；
仿真子系统包括:
输入值接入单元，接收来自DCS子系统的设备状态信息； 数学模型建立单元，根据物料性质及设备属性，利用物料衡算关系建立数学模型；
特征值输出单元，用以将输入值接入单元的设备状态信号按照数据模型进行计算，得到对应的状态特征量，并将计算得到状态特征量传送至DCS子系统。
[0009]较佳的，设备状态信息包括进入设备的物料量以及设备的阀门开度。
[0010]较佳的，根据物料性质及设备属性，利用物料衡算关系建立数学模型包括:
根据进入设备的物料量及设备的物理条件、化学反应的动力学方程，构建数学模型。
[0011]较佳的，仿真子系统还包括机泵和调节阀，分别连接DCS子系统，通过DCS子系统控制机泵的启停以及调节调节阀的阀门，并读取对应的状态信息。
[0012]较佳的，DCS子系统包括主控制器、若干拓展控制器，主控制器与若干拓展控制器通过现场总线连接，若干拓展控制器将各自采集到的设备状态信息发送给主控制器。
[0013]较佳的，还包括若干通过工业以太网连接DCS子系统的:工程师站、操作员站以及数据服务器；工程师站用以对主控制器及若干拓展控制器传送控制命令，以及采集设备状态信息；数据服务器用以实时接收和存储设备状态信息；操作员站用以筛选出所需的设备状态信息。
[0014]本发明使真实的DCS系统和仿真系统相结合，达到最佳教学的目的，用其中运行的实时动态数学模型取代真实的生产装置，使学生避免了实操过程中危险的化工环境，获得了大量的突发状况应急处理经验。
[0015]
【附图说明】
[0016]图1所示的是本发明的仿真子系统与DCS子系统的关系示意图；
图2所示的是本发明的与仪表、阀门的关系示意图；
图3所示的是本发明与机泵的关系示意图。
[0017]
【具体实施方式】
[0018]以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0019]为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
[0020]一种用于石油化工的仿真教学系统，包括DCS子系统以及仿真子系统，DCS子系统可运用现有的技术，本发明对其选择不做限制。仿真子系统完全按真实装置设计，与真实控制系统的差别主要在于其信号来源不同，本发明的DCS子系统检测到的数据是由仿真子系统通过数学模型的演算得来。
[0021]如图1所示，仿真子系统是一个由计算机系统构成化工过程设备性能、过程反应工程特性的仿真系统；仿真子系统利用物料衡算关系建立数学模型模拟出的物料属性，与DCS子系统进行通讯，它将由一个系统的特征值根据实际过程的设备能力尺寸和机械原理，写出关于工艺状态量和进入系统的物料流量之间的数理方程，或是根据该设备内部的化学反应过程机理，写出其关于工艺状态量的反应动力学的数理方程，利用数学的方法，将引起该特征值变化的众多因素组合并构成数学模型。通过检测相关因数的状态值，经数学模型计算，得出当前特征值的数值和状态。
[0022]S卩，所述仿真系统，至少包括输入值接入单元、数学模型建立单元、特征值输出单元，其中，
输入值接入单元，接收来自DCS子系统的设备状态信号；
数学模型建立单元，用于工艺状态量和进入系统的物料流工艺状态量的之间的数理方程，或是根据设备内部的化学反应过程机理，预先存储工艺状态量的反应动力学的数量方程，再将该些特征值构成数据模型，并将进行保存；
特征值输出单元，用于将输入值接入单元接入的数据按照数学模型建立单元建立的模型进行计算，得到特征值后，传送至中央操作室.所述仿真子系统有自己的输入参量，这些参量通常是代表进入某个设备的物料量，如蒸汽量、压缩空气量等。这些量进入仿真子系统后，系统则根据设备的物理条件和化学反应的动力学方程，计算得出该设备状态变化、化学反应状态变化的状态特征量，如温度、压力成分等。由于输入的量是个随时间变化的物理量，因而，仿真子系统的输出量也是一个动态的变化量。
[0023]仿真系统的输入信号，主要是进入系统物料、中间物料的阀门开度。因为，阀门的开度与流过阀门的物料流量有一定的对应关系。在工作点附近，与实际的情况有较好的吻合度。仿真子系统通过计算后的输出量，应该是化工系统运行状态的特征量，相当于仪表对实际系统的测量值，可通过计算机的I/o端口直接送到就地显示或送到DCS子系统集控显示记录。
[0024]如图2和图3所示，仿真子系统对阀门和机泵的机械性仿真，是用数学的方法，刻画出阀门与机泵的机械特性和运动规律；所述的仿真系统配有接受阀门开度或是机泵启停信号的输入端口，包括现场启动设备信号；也即仿真子系统接受DCS子系统对于阀门的操作的信号和对于机泵的操作信号，仿真子系统经过对系统的实时模拟产生的输出信号经就地显示仪表或变送器的接线端子送到DCS子系统。
[0025]以常压蒸馏塔塔釜液位高度参数的计算为例，具体计算方案为:
流量计算:
①单位采样周期液体增量:AVi=(F1 - F2) +3600Xk
②常压塔剩余液体体积计算:ν?=ΣAVi 高度计算= V1/D
式中:Λ Vi一一单位采样周期液体增量(m3)
Fl一一入常压蒸馏塔液体量(m3/h)
F2一一为出常压蒸馏塔液体量(m3/h ))
K 系统米样周期(S )
Vl一一常压塔内液体体积(m3)
H一一常压塔塔釜液位高度(m)
D一一常压塔塔釜直径(m) 利用半实物仿真技术用于过程控制研宄的DCS子系统与仿真子系统的通讯架构包括:第一、建仿真模型的计算机作为1数据转发模块工作的上位机使用，所有的过程变量传输支持工业标准的Modbus RTU协议，可将过程数据同时传输至其他支持Modbus RTU的上位机客户终端；
第二、利用建仿真模型的计算机，配置Modbus RTU协议相关参数，编写每个1数据转发模块中与之对应的仿真系统的过程变量名称、