化工過程仿真

1、化工過程仿真摘要：化工過程系統(tǒng)，是一個大型的復雜系統(tǒng)，其仿真軟件正向著大型化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的用結構化設計 方法建立化工仿真系統(tǒng)，由于可靠性、可擴充性和可再用性較差，難以利用己有的模型產生新模型，因此， 采用面向對象的方法取代原有的結構化方法開發(fā)計算機環(huán)境，己逐漸成為軟件發(fā)展的趨勢。關鍵詞：化工過程，面向對象應用框架技術，化工仿真Chemical process simulationAbstract: Chemical process system is a large-size complex system, and its simulation software is developing

2、towards macro-scale operations technology.Due to its shortage in credibility ， extensibility， and reusability，the traditional structure method in developing chemical system is hard to build a new model with exist Therefore ， it is a developing trend using the Object-Oriented technology instead of th

3、e structure technology.Key Words: Chemical process， object-oriented application Framework，Chemical process simulation1. 引言隨著科學的進步，化工生產日趨高度集中化、復雜化、連續(xù)化，操作條件越來越嚴格， 自動化程度越來越高，而且裝置高度復雜且昂貴。如果操作失誤將十分危險。這向現(xiàn)場操作工人、儀表工人、管理人員和工藝技術人員提出了更高的要求。計算機仿真技術是一門利用計算機軟件模擬實際環(huán)境進行科學實驗的技術，它具有經(jīng) 濟、可靠、實用、安全、靈活、可多次重復使用的優(yōu)點?；し抡嫦到y(tǒng)作為

4、化工生產過程中 分析、設計、試驗、評估的必不可少的手段，它的應用對于提高生產效率和保證安全生產都 具有極其重要的意義1 2。2. 化工過程系統(tǒng)仿真技術及其進展2.1化工過程仿真技術的概念化工仿真技術是近幾十年來發(fā)展起來的一門綜合性學科，它是通過計算機對正在設計的或已有的過程做運行模擬的技術。應用這一技術，可以模擬流程在不同工藝條件下運行時可 能得到的結果。對這一結果進行分析，優(yōu)選就能夠確定最佳工藝條件，或得到對己有過程改造的最佳發(fā)方案。因此，可大大節(jié)省過去由實驗(小試與中試)探索最佳工藝條件所耗費的大量資金、時間與人力。這一技術已成為化學工程設計、原有工程改造的強有力工具，得到了 世界各國的重

5、視。2.2化工過程仿真技術的應用過程系統(tǒng)仿真既涉及過程系統(tǒng)本身，也涉及控制儀表，因此可以被看成過程工程、自動控制和系統(tǒng)仿真的交叉學科。而從實際使用的角度看，主要有三類不同的化工過程仿真系統(tǒng)：過程模擬、過程控制仿真和過程訓練仿真。(1) 過程模擬。它被用在進行過程的開發(fā)、設計及具體工藝的研究、選擇等場合。過程 模擬主要是靜態(tài)的。它們主要用來完成工藝流程設計包括方案選擇、參數(shù)確定，也可以用在 過程現(xiàn)場進行過程優(yōu)化。（2）過程控制仿真。它是用來試驗過程控制儀表的，可以用于不同場合，它常常與CADCS（控制系統(tǒng)計算機輔助設計）同時運行，它要求過程的動態(tài)模型，實時運算，但與過程 模擬比較，它僅僅要求控制

6、變量與顯示變量，及其動態(tài)的數(shù)量關系因此可以省去具體的化學、 物理關系式，從這個意義上來看模型也得到了簡化。（3）過程訓練仿真。它是用來培訓各類操組人員，提高他們各自的技能。對操作員主要是開車、停車、正常運行的操作技巧以及處理緊急事故的能力訓練；對于儀表工程師主要是儀表系統(tǒng)的調整、組態(tài)，儀表系統(tǒng)故障的分析與處理，出現(xiàn)事故后的恢復等能力的訓練；對于工藝工程師則主要是對各工藝流程變量的分析，工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇，提高產品質量與產量，節(jié)省能源等各種措施的正確使用能力的訓練。這一類仿真要求動態(tài)模型，實時運算，但無論在模型本身，以及變量的選用上都可以做較大的簡化，但是它必須要有大的逼真度。3. 化工過程仿真

7、系統(tǒng)的分析與設計3.1開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）系統(tǒng)的分析、設計、實現(xiàn)和維護，全面采用基于主題與主體框架的面向對象技術。（2）以Visua1C+作為開發(fā)平臺，采用 C+語言開發(fā)；（3）數(shù)據(jù)結構在設計上采用圖結構，實現(xiàn)上采用動態(tài)鏈表管理；（4）人機交互采用 Windows的可視化圖形界面技術，把復雜的模型輸入轉化為直觀的圖形編輯。3.2需求分析與模型抽象在化工工藝系統(tǒng)中，涉及的對象包括化學物質、化工設備和管路三方面?；瘜W物質在工 藝過程存在著流動，它包括了工藝中化工設備處理的原料、半成品和成品?；ぴO備是加工化學物質的機器，加工引起化學物質的化學變化和物理變化工設備是工藝中

8、的心臟部分?？刂啤⑾拗莆镔|的設施，廣義地講，管路包括管道和管道上的設備等一起傳遞、管路是起連接 了各種化工設備和傳遞化學物質的作用。所以說化學物質、化工設備和管路是化工工藝設計計算系統(tǒng)的基本對象，工藝設計的目的就是如何有目的地構造這三者的相互關系，確定達到目的所需要的化工設備、管路和控制，而計算是如何確定每個工藝位置上化學物質的化學成份和物理狀態(tài)。工藝設計和計算需要考慮化學物質在流動過程中的成份變化和物理狀態(tài)變化，考慮的位 置一般選擇設備進出點或管路中的某些測量點。我們簡稱流動的物質為物流，而把考慮點和測量點上的物質成份和物理狀態(tài)稱為物流狀態(tài)點。從原則上講，物流經(jīng)過每一個化工設備和管路設施都要

9、改變其狀態(tài)，從這一點上講，化工設備和管路沒有本質的區(qū)別，這就為我們進行模型抽象和統(tǒng)一提供了方便。但是在工藝上也有一些設施是沒有物質通過的，或是有物質通過，但是對物流狀態(tài)的影響可以忽略，從而它們的存在不會引起物質狀態(tài)的變化。例如各種設備上和管路上的測量儀器等。從面向對象技術的角度考慮，需要對物流和設備進行分類。把物流經(jīng)過的，將引起物流狀態(tài)變化的化工設備和管路統(tǒng)稱為邏輯設備；而把物流不經(jīng)過的、或經(jīng)過但不影響物流狀態(tài)的或影響可以忽略不計的設備統(tǒng)稱為非邏輯設備。例如，化工工藝上使用的塔、泵、容器、 壓縮機、換熱器、反應器、混合器、管道、分叉、閥門等都屬于邏輯設備；而像裝在設備或管路上的壓力表、溫度計、

10、流量計、不工作的放空等都可以認定為非邏輯設備。所以在化工工藝系統(tǒng)中主要考慮的是物流、邏輯設備和非邏輯設備三大抽象家族對象類。引起物流狀態(tài)改變的只有邏輯設備，而非邏輯設備只要考慮它被安裝的邏輯關系和安裝 位置。所以在工藝計算上， 主要考慮物流和邏輯設備對物流狀態(tài)的影響。而在工藝設計上需要考慮設備之間的邏輯關系、位置關系以及物流的流動路徑。在建立化工工藝設計計算模型 時，對物流、管路和邏輯設備作以下幾個基本模型假定：第一、一個邏輯設備在工作時，它有m(m 1)路物流流入，n(n 1)路物流流出，如圖1所示，m和n的數(shù)量根據(jù)具體的邏輯設備而定，流入與流出物流的狀態(tài)由物流狀態(tài)對象來標識。第二、一個物流

11、狀態(tài)點，它的狀態(tài)最多可以與兩個邏輯設備相連接，并從一個邏輯設備流出，流入另外一個邏輯設備，流出物流的邏輯設備稱為前綴邏輯設備，或前綴設備， 被流入的邏輯設備成為后繼邏輯設備，或后繼設備。第三、非邏輯設備，因為對工藝不產生直接影響，只考慮被安裝的位置，見圖2。m i圖1化工設備基本單元假定4#設備圖2設備與管路上的非邏輯設備我們可以對一些特定的邏輯設備進行抽象,例如管道、管道上的閥、匯流三通和分流三#通等，見圖3。b.抽象反管廳上鷹棲型，-活 出匚堆鎮(zhèn)百的習踣分冥.一進出出 撻弾忘的靜特合合.一進一出#圖3幾個具體的邏輯設備模型3.3問題域的對象模型分析由于應用框架法強調面向抽象對象，邏輯設備、

12、非邏輯設備和物流自然成為構成框架的抽象對象，且是最高層次的抽象對象，所以可以直接采用自頂向下法 （Top to Down）進行系統(tǒng)分析。分析內容主要包括對象繼承關系分析、邏輯關系（數(shù)據(jù)結構分析）、聚合關系分析、抽象對象分析和實例對象分析。至于實例對象類何時開發(fā)、何人開發(fā)和如何開發(fā)，都不影響系 統(tǒng)的體系結構。3.3.1對象繼承關系分析在系統(tǒng)總體的分析階段， 不需要確定具體的設備對象，需要確定的只是設備的抽象對象類。圖4中的每一種對象，代表了一種設備的家族或子家族，可以在各自的“專業(yè)”繼續(xù)派 生出許多對象，如在邏輯設備的基礎上派生了工藝設備對象，而在工藝設備基礎上可以繼續(xù)派生如：派生出塔、泵、換熱

13、器，而這三類仍可繼續(xù)派生，如塔可以繼續(xù)派生出板式塔、填 料塔等等，但各自派生的對象必須符合系統(tǒng)抽象對象提出的要求，使得后期派生的對象能夠進入到系統(tǒng)的主體框架中。這一點也充分體現(xiàn)了抽象對象與主體框架的優(yōu)越性。繼生圖4設備對象家族的繼承關系有層次地確定對象之間的繼承關系，不僅提高了系統(tǒng)重用度，而且實現(xiàn)了系統(tǒng)的形式和現(xiàn)實分離，而抽象對象僅僅是形式部分的表達。3.3.2對象邏輯關系分析對象邏輯關系指的是對象與對象之間的相互聯(lián)系。必須注意抽象對象是對系統(tǒng)對象的抽象表示，代表的仍是對象，但是具體的類型并不確定，所以它無法直接構造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構， 需要在抽象對象基礎上構造邏輯對象，通過邏輯對象管理抽象對象地

14、址方法來構造應用框架的數(shù)據(jù)結構。所以構造圖頂點對象（簡稱頂點）和弧對象（簡稱?。庙旤c對象管理計算單元， 用弧對象管理流。3.3.3數(shù)據(jù)結構對象分析設備和物流是框架抽象對象，由這兩個抽象對象就可以組成系統(tǒng)的主體框架。但是由于各設備單元和物流的實例對象類型不一，無法直接構造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構。所以需要構造這兩類抽象對象的數(shù)據(jù)結構。由于非邏輯設備對工藝計算和工藝控制不產生影響，所以在建立化工工藝設計計算的數(shù)據(jù)結構時，需要把邏輯設備和非邏輯設備分開來考慮。邏輯設備對物流產生影響，所以它的數(shù)據(jù)結構應該能夠表達邏輯設備和物流的關系，而非邏輯設備只要考慮它與被安裝設備的關系。由于邏輯設備對計算產生影響，所以

15、在以后的論述中有時也稱其為 應用框架建立時暫時不考慮它。以后提到的單元僅指邏輯設備。3.4關于非邏輯設備的處理由于非邏輯設備對工藝計算不產生影響，所以在建立系統(tǒng)的核心計算模型時，可以不考慮非邏輯設備。但是，在工藝設計要求完整的情況下，就必須考慮非邏輯設備因素。非邏輯 設備與物流沒有關系， 只與設備存在著安裝與被安裝的關系，非邏輯設備可以安裝在邏輯設備上，也可以安裝在非邏輯設備上，見圖5。6#圖5非邏輯設備的安裝關系所以，可以為非邏輯設備構造這樣的數(shù)據(jù)結構：加入非邏輯設備節(jié)點，管理非邏輯設備指針和設備指針（可以是邏輯設備，也可以是非邏輯設備）。非邏輯節(jié)點的結構見圖 6。圖6非邏輯設備的節(jié)點圖因此

16、，把以非邏輯設備節(jié)點為元素構成的非邏輯設備節(jié)點鏈表放入系統(tǒng)的框架類里，就可以表達出非邏輯設備在系統(tǒng)內的邏輯關系，從而保證了設計的完整性。但是，應該注意， 把非邏輯設備節(jié)點鏈表放入應用框架時，必須相應的構造非邏輯設備的圖形節(jié)點，然后把由圖形節(jié)點構成的鏈表放入圖形編輯框架。4.小結通過需求分析，抽象出物流和設備兩大抽象對象類，而設備由根據(jù)對工藝的影響分為邏輯設備和非邏輯設備。 邏輯設備對工藝產生影響，非邏輯設備對工藝不產生影響，所以在構造工藝計算和控制的應用框架時，為了簡化模型，只考慮了邏輯設備。 但是由于各計算單元和物流的實例對象類型不一， 無法直接構造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構，所以需要構造這兩類抽象對象

17、的數(shù)據(jù)結構。通過有向圖結構來表達化工工藝的邏輯關系，圖的頂點管理邏輯設備，而弧管理輸入輸出物流，弧的方向表示了物流的流動方向，而圖的所有頂點的集合和所有弧的集合就構成了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構。由于系統(tǒng)的模型輸入是通過圖形編輯實現(xiàn)的，所以系統(tǒng)存在著圖形編輯框架和核心計算框架，兩個框架通過消息傳遞實現(xiàn)交互。參考文獻1 王恒霖，系統(tǒng)仿真的發(fā)展沿革與展望，系統(tǒng)仿真學報J,2007,9(1)12-142 許正宇.我國化工仿真的發(fā)展歷史和展望J.化工進展，2009,(10):9-123 顧銀芳苑士華，李 瑋,安永江仿真技術的發(fā)展與展望J.河北工業(yè)科技2008,17(63):36-384 楊永杰.化工仿真培訓系統(tǒng)技

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