化工仿真軟件發(fā)展的技術趨向

1、摘 UniSim 化工仿真技術歷史的回顧根據國際準化組織(ISO)的定義，目前實際上已將“模擬”與“仿真”兩者所含的內容統(tǒng)歸于“仿真”的范疇，而且英文都用 Simulation 一詞來代替。數字仿真是 20 世紀 40年代末以來伴隨著計算機技術的發(fā)展而逐步形成的一門新興學科。仿真（ Simulation）就是通過建立實際系統(tǒng)模型并利用所見模型對實際系統(tǒng)進行實驗研究的過程。最初，仿真技術主要用于航空、航天、原子反應堆等價格昂貴、周期長、危險性大、實際系統(tǒng)試驗難以實現(xiàn)的少數領域，后來逐步發(fā)展到電力、石油、化工、冶金、機械等一些主要工業(yè)部門?；み^程的模擬（Simulation）技術隨著計算機技術的

2、飛速發(fā)展，應用的范圍越來越廣。上世紀七十年代末期的興起的流程模擬技術，開始主要是用于化工過程的設計。ASPEN 公司的 Aspen一些優(yōu)秀的過程穩(wěn)態(tài)模擬軟件在化工過程設計中得以廣上世紀90 年代DCS的出現(xiàn)，對化工過程的模擬軟件提出1了新的市場要求OTS（OperatorTraining 態(tài)模擬軟件的發(fā)展。由于OTS的需求量比提供設計的穩(wěn)態(tài)模擬軟件大的多，當時國內幾乎所有的化工院校參與了OTS的開發(fā)。典型的OTS功能如圖1所示。屏幕顯示的溫度、壓力和流量等參數都是通過變送器從實際生產裝置上采集的。生產操作人員通過DCS對生產進行操作，保證生產裝置長期、穩(wěn)定地運行1。由于仿真模擬培訓系統(tǒng)是用數學

3、模型代替實際工廠，因而數學模型的好壞是仿真模擬培訓系統(tǒng)質量的關鍵。90年代ABBSimcon 公司的Gepurs軟件和Hyprotech公司的動態(tài)模擬軟件在培訓器市場得到廣泛的應用。隨著計算機的速度越來越快， DCS可記錄的數據越來越多。成千上萬的操作點的用戶迫切地希望了解：如何利用這些信息資源來指導生產操作。生產產品如何安排以獲取最大的利潤？生產如何控制使過程更加穩(wěn)定和最優(yōu)？改變過程的操作點，生產裝置會如何變化？能不能通過異常數據的分析，提前告訴DCS操作工：是測量儀表出了問題？還是事故將發(fā)生？用戶已經不僅僅滿足于設計過程的穩(wěn)態(tài)模擬計算和OTS培訓，要求更加準確的過程模型來指導生產操作,預測

4、過程的動態(tài)行為。這就是過程予測系統(tǒng)。由于計算機的速度越來越快，化工過程的動態(tài)程的預測成為了可能。通常預測過程的結構如由DCS后傳到過程模擬器 ,記錄下過程的當前狀態(tài) ,作為模型的初始態(tài)。如果需要的話，工程師或操作人員對模型給以不同方案的擾動(W*)，以執(zhí)行。過程模擬器通常包括穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的過程模型，并帶有優(yōu)化算法，判斷不同方案的目標函數值，以尋求最優(yōu)方案。過程預測系統(tǒng)是工廠管理者一直十分感興趣的一個課題。因為用戶迫切地希望了解：如何操作實際裝置能獲取更大的效益？我國在這方面也2走了不少彎路。80年代末期，當時的化工部科技局組織的工廠控制操作優(yōu)化的課題。鑒于計算機速度的限制和數據校正的軟件的開發(fā)技

5、術落后等原因，數據采用離線分析，過7程模型采用數據回歸等非機理的數學的模型或采用穩(wěn)態(tài)模擬軟件分析 都沒有實際使用價值。由于數據離線分析，即使算出了優(yōu)化的工藝操作條件，實際工廠的操作條件已經變了。數學模型由于缺乏機理，外延性的誤差很大。當時的南京化工研究院、化工部計算中心都參加了這個課題，也有不少的經驗教訓。但是用戶的這方面的需求也給模擬技術提供了更加廣泛的應用前景。僅僅提供設計和培外一個問題是各個軟件公司提供的過程模擬優(yōu)化軟件采用不同的開發(fā)平臺，互不兼容和重復開發(fā)的問題。例如國內某個乙烯裝置使用的軟件如表一所示。這些軟件的核心都是化工過程的數學模型，都要遵循：能量平衡、質量平衡和動量平衡。如何

6、整合這些軟件，國際上幾個著名的化工模擬公司都推出自己的一攬子解決方案 ,給客戶提供全方位的服務，使過程和模型的信息在產品發(fā)展的各個階段可以共享。表一 國內某個乙烯裝置使用的軟件控制過程動 先進控制提 OTS 軟件提供 乙烯裂解HoneywellHyprotech爐數學模型模擬公司的并購風潮2.1 技術上獨出一格的HYSYSHYSYS 是Hyprotech 1976工系的教授組建的。原來的軟件叫HYSIM，主要用于穩(wěn)態(tài)模擬。1980年，推出了小型機的系統(tǒng)。1984年推出了基于IBM PC 的版本。1995 年推出了HYSYS 第一版 (HyprotechSystem for engineers)

7、。一個主要的目的是開發(fā)化工培訓仿真業(yè)務。是第一家由穩(wěn)態(tài)模擬轉向動態(tài)模擬的公司。390 年代初期，Hyprotech 公司和美國的 ABB Simcon 公司一起成為世界上當時最有名的 OTS 供應商。兩個公司幾乎瓜分了世界上仿真培訓器業(yè)務 70%市場分額。在操作系決策不同，為各自的興衰埋下了伏筆8。HYSYS 的技術特點是：基于 Window Object ）的設計思想及最新的 OLE(Object Linking and Enbedddding)軟件的設計技術，充分地利用了 Windows所設計好的數據交換通道。采用穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模擬結合技術路線。由于起家是穩(wěn)態(tài)模擬模擬公司，物性采用的是嚴格的熱

8、力學方程。模型采用嚴格的機理模型。2.2 爭奪 HYSYS之戰(zhàn)HYSYS 的這些技術特點受到國際上著名的模擬軟件公司的青睞。首先伸出橄欖枝的是 ASPEN 公司，2002 年 ASPEN 收購了 Hyprotech 公司全部股權。盡管 ASPEN 公司有自己的基于聯(lián)立方程的建模技術的 ASPEN DYNAMICS 動態(tài)過程模擬軟件?？墒撬惴ǖ姆€(wěn)定性和界面比 HYSYS 遜色不少。但 ASPEN 的收購，2004 被美國聯(lián)邦商務委員會（Federal Trade ）判決為壟斷經營。Honeywell 和 ASPEN 達成最終協(xié)議，由 Honeywell 收購 Aspen 的 HYSYS 建模軟件

9、知識產權和操作訓仿真 OTS 業(yè)務。其它條款包括：(1)Apsen 公司將保留 Hyprotech 產品許可，以繼續(xù)實施推廣、銷售和開發(fā) Hyprotech 的權利；(2)Aspen公司在三年內不參與操作員培訓服務競爭；(3) 兩年支持協(xié)議，對轉讓的 Hyprotech 產品，Aspen 公司將繼續(xù)為霍尼韋爾提供新版產品的源代碼。Honeywell 公司整合了自己原來的 shadow plant(影子工廠 ) 和 Hyprotech 公司的HYSYS2004 技術的基礎上推出了新技術: UniSim Solution。但核心技術還是HYSYS。ASPEN 公司整合了自己原來的 ASPEN DY

10、NAMICS-動態(tài)過程模擬軟件 和 Hyprotech公司的 HYSYS2004 技術的基礎上推出了 ASPEN HYSYS。DCS 產家紛紛進入 OTS 領域也是模擬公司的并購風潮的特點，橫河（YOKOGAWA）也發(fā)展了自己的 OTS OTS DCS 產家具有他們自己的DCS Link得多。4另一家穩(wěn)態(tài)模擬公司 Simsci公司的 ProII也被 Invensys公司收購。Invensys公司并購了DCSFoxboro Invensys Simsci Dynsim 如設計、操作分析、動態(tài)模擬、操作員培訓、性能監(jiān)測以及實時優(yōu)化等，以降低投資費用，提高產率，以及強化決策管理。ABB Simcon

11、 的技術也被法國 RSI公司購買，成為 RSI-Simcon company. ,主要為石油上下游流程提供動態(tài)模擬的服務。這些公司在中國都有技術服務隊伍或合作伙伴。UniSim 運營套件，用于生產過程的動態(tài)分析和控制系統(tǒng)檢查。也可以訓練操作員和工程師處理事故的能力。UniSim 優(yōu)化套件，可以進行從單個操作單元到全廠范圍內的動態(tài)優(yōu)化。UniSim 動態(tài)工程研究，評估過程變動對未來工廠業(yè)績的影響。UniSim 過程知識系統(tǒng)，收集和分析DCS 和數據，利用原有操作經驗，增強操作能力。ASPEN 公司也提出了一攬子解決方案 ：ASPEN 工程套件(Aspen Engineering Suite)53

12、 新一代仿真模擬軟件發(fā)展和集成的方向在表一中我們已經列出了國內某個乙烯裝置在設計、培訓、裝置投運使用的軟件。但各個軟件公司提供的提供軟件采用不同的開發(fā)平臺，題。新一代模擬軟件軟件發(fā)展和集成的設計思想是讓用戶建立一個模型可以用于化工過程發(fā)展的各個階段。包括：穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模擬，參數估計和數據校正。在設計階段，模型可以用于概念設計、實際工廠的詳細的工程設計。最后，還可用于可操作性研究。(OTS)生產操作過程的改進，安全研究和過程優(yōu)化，如圖 4 所示。由于 DCS OTS）提出需求，大大促進了動態(tài)模擬技術的發(fā)展。90 年代末期由于計算機速度的限制，OTS 培訓器的計算機大都采用小型機。例如我國 80 O

13、TS 計算機的運行速度提高了幾十倍，現(xiàn)在的一臺PC 機都比當年值數萬美元的X機要快的多。這就給動態(tài)模擬采用更加嚴格的化工過程的機理模型留下了許多發(fā)展的空間。動態(tài)模擬技術對于圖 4 的過程模型都采用遵循能量平衡、質量平衡和動量平衡的嚴格的化工過程的機理模型。物性采用嚴格的熱力學模型，物性庫可以采用穩(wěn)態(tài)模擬的數據庫，包含 3000 多個組成。6容器：兩相或三相閃蒸，罐；反應器：轉化反應器，反應動力學反應器，PlugFlow 反應器,CSTR 反應器等；轉動設備：泵，壓縮機，膨脹機等；塔：精餾塔，吸收塔等。這也是幾個傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬公司(ASPEN，Simsci 和 Hyprotech) 轉向動態(tài)模擬

14、后比單純的 OTS 型技術用于動態(tài)模擬中來。3.3 采用了多層流程結構ASPEN HYSYS 和 UnisimMain Flowsheet都采用了多層流程結構, 如圖 5 所示。建立物性集后，SubflowsheetAF用戶可以輸入主流程, 在主流程內建立任何的子流程。多層流程結構有點類似于ASPEN 流程分塊。但是子流程概念的引入可以使主Subflowsheet(Column) BSubflowsheetE圖 5多層流程結構流程的功能僅在主流程中相當一個黑箱模塊。子流程從主流程中的到輸入物流的信息，交互式求解和收斂后, , 因而可以簡化流程的收斂。3.4 模擬數據的信息共享軟件集成設計考慮模

15、擬的數據和模型可用于產品的整個發(fā)展過程：設計、操作和過程優(yōu)化。應該特別指出的是：在設計階段，不僅可用于工廠的PFD工程設計，還可用于產品的概念設計，又稱為“預設計”過程。預設計是根據開發(fā)基礎研究成果、文獻的數據、現(xiàn)有類似的操作數據和工作經驗，按照所開發(fā)的新技術工業(yè)化規(guī)模而作出的設計，用以指導過程研究及提出對開發(fā)性的基礎研究進一步的要求，所以它是實驗研究和過程研究的指南，是開發(fā)研究過程中十分關鍵的一個步驟。73.5 動態(tài)模擬和穩(wěn)態(tài)模擬的結合 6態(tài)的流程模擬采用模塊算法過程模塊表示一個算法：。11 12t=t0 q修改穩(wěn)態(tài)模型：1.加上必要壓力組件：如閥或泵等。單元操作壓力作為狀態(tài)變量計算；圖 6

16、 模塊的計算 uxq 為圖 7 出變量, v 為模塊的參數。動態(tài)模擬方程一般為：dx/dt = f( x,u,q，v)和穩(wěn)態(tài)模擬不同，狀態(tài)向量 x 除溫度，組成等變量外，還包括模塊所處的壓力 P。參數向量 v 還包括設備的尺寸，其不影響模擬的穩(wěn)態(tài)結果，但影響過程的動態(tài)響應的快慢。過程的控制由 PID 算法模塊來完成。而穩(wěn)態(tài)模擬方程一般為： dx/dt = f( x,u,q，v)=0狀態(tài)向量 x 不隨時間變化。壓力P 不是狀態(tài)變量，通常作為參數輸入。所以向量v 包括模塊所處的壓力 P。由于設備的尺寸不影響模擬的穩(wěn)態(tài)結果，參數向量不包括括設備的尺寸。過程的設計規(guī)定用 Adjust 模塊來完成。穩(wěn)態(tài)

17、模擬和動態(tài)模擬的轉換如圖 7 所示。穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬采用同樣的物性集。轉換提供了一些方便的輔助工具, 化工單元操作設備都需要流量作為輸入變量 , 流量和壓力的分布由壓力和流量的解法13（PF Solver）來計算，是動態(tài)模擬計算中最重要的部分 。單元操作的模塊都是基于熱平衡、質量平衡和動量平衡。通常模塊的計算順序由系統(tǒng)自動來決定。單元操作的模塊是流體網中的一個組件，其局部的動量平衡由每個單元操作( F= f p) PF Solver 8 所示。8Heat BalanceMaterial BalnceMomentumBalanceP, F8 圖 9 模塊和 P-F Solver的順序動態(tài)模擬平

18、臺計算順序由如圖 9 所示, 穩(wěn)態(tài)模擬得到動態(tài)模擬的初始值。穩(wěn)態(tài)模擬運行之前，工程師要確定流程各點的壓力值，從而確定流程各個單元的阻力系數。單元操作的模型調用嚴格的物性模型，保證計算的準確性。3.7 開放式的環(huán)境化工過程系統(tǒng)中常用的建模方法是向對象方法較好地克服了結構化方動態(tài)模擬法按功能將系統(tǒng)分解的缺點?；み^程模擬軟件在架構和實現(xiàn)上有很大不同,但它們都具有相同的功圖 10 UniSim Design Unitop Cape-Open Socket 1.0,一個模擬器可以看作有個不同的組件組成1415單元操作庫(unit operation),數值解題器(number solvers):數值解

19、題器提供了針對線性方程、非線性方程、差分方程的解決方案。熱力學和物性包(thermodynamics and physical property):熱力學和物性包能夠計算物料的熱力學和物性。仿真器執(zhí)行器(simulator executive): 它是仿真器的核心,負責安裝其它組件并注冊到操作系統(tǒng), 管理人機界面訪問和存儲數據報告和分析仿真結果。由于每一個化工模擬軟件都使用各自的數據庫，大多數都使用不同的數據格式。因此 ,程序間的數據轉換只天能通過手動,這樣的程序不僅費力冗繁,而且還易于出錯。9Cape-Open(computer-aided process engineering open

20、simulation enviroment)下一代過程工程,它發(fā)起于 1999 年 6 發(fā)、測試、描述,以及公布一個過件接口的標準化,使得模擬器的自ASPEN 、RSI 和 UniSim Design 都在開發(fā)自己軟件的 Cape-Open 的接口。UniSim Design Cape-Open Socket 1.0 如圖 10 所示。采用了 Cape-Open 的軟件接口后， 11 Cape-Open 的軟件接口可以方便的連接 G2,ASPEN 和 UniSim Design等軟件?；み^程模擬技術自上世紀七十年代末興起，已有三十多年的歷史。流程模擬軟件采用工藝設計、操作培訓、生產控制、過程檢測、動態(tài)預測、事故的報警和過程的數據分析，提供全方位的服務，已是大勢所趨。過去單一模式將會被這種全方位的服務所替代。1 ,化工過程的模擬培訓器，化工進展. 1996, 356-602 ,我國仿真培訓器的發(fā)展歷史和展望， 化工進展, 2001,381-863. 郭彥,邱彤,何小榮, 陳丙珍, 體分餾裝置軟測量模型在線修正策略的研究, 2004, .21(3): .407-4104 ,邱彤,陳丙珍,用于化工過程的SDG故障分析方法,化工進展,2006, 25(012):.1484-14885 ,錢宇，溫艷芹,化工過程實時狀態(tài)監(jiān)測與模糊診斷系統(tǒng)研究與實現(xiàn),計算機與應用化