中泰研創PC-6000采集卡在院校產品中的應用—流程級先進化工仿真實訓裝置
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中泰研創
一、 背景
1987 年北京化工大學仿真中心研究開發成功我國第一套計算機化工仿真培訓系統。在化工、石化、煉油企業、職業技術學校、大專院校廣泛應用，取得了重大的社會經濟效益。
隨著我國化工、石油化工和煉油企業的發展，裝置不斷大型化、復雜化，自動化水平普遍提高，對職業技術培訓提出了新的更高的要求。第一，將學生培養成合格的技術工人，滿足現代企業的需要。由于化工、石化和煉油企業多，裝置種類繁雜，所以要求學生畢業后的適應性比較強。第二，和企業聯合，結合行業特色，建立中國一流的化工技術工人崗位培訓基地，滿足企業員工崗位再培訓的需要。實訓系統要體現綠色環保、節能安全、現代技術、信息技術于一體，實現綜合性技能培訓與技能考核于一身。
為達到上面的目標，在培訓的硬件設施上，希望建立典型的、有代表性的、有較強適應性的流程級、規模化實訓裝置，特別是要求仿真培訓系統不但能夠模擬控制室內的計算機控制系統（DCS）的操作，還應當模擬現場裝置的實際動手操作。也就是要解決操作人員對現場裝置的幾何空間概念的把握和對操作設備與部件的操作力度、動態時機的把握。其中還必須包括控制室操作人員與現場操作人員的團隊配合及協調行動。這些訓練內容對于復雜系統的開停車、非正常工況的處理、尤其是在事故緊急狀態時特別需要。
多年的計算機仿真培訓經驗表明，對于沒有接觸過化工裝置現場的職業學校的學生，包括大專院校的學生，僅僅采用顯示屏畫面、鍵盤和鼠標形式的訓練，還是比較抽象，獲得的知識還是片面的，不完全的，尤其是缺乏團隊協作能力。
為了解決以上難題，研制開發了新一代流程級化工仿真實訓裝置。
二、新一代流程級化工仿真實訓裝置
新一代流程級實訓裝置由小型流程裝置、裝置模擬監控系統、裝置仿真軟件、計算機控制系統（DCS）仿真和實訓評價與管理系統五部分組成。
1. 全流程裝置
在金屬框架上安裝著由不銹鋼制的比例縮小（但卻能夠保持工業級大尺寸特性）的流程設備模型、管路、手動閥門、控制閥門、壓力（P）、流量（F）、溫度（T）、物位（L）、功率（N）、組成（A）和閥位（V）測控傳感器等。小型流程裝置是學生直接操作和運行過程系統的環境。
本環境給學生以全真實的空間位置感覺、全真實的操作力度感覺和過程變化的時間特性感覺。由于真實過程裝置的壓力、流量、溫度、物位、功率、組成也是無法直接觀察的，必須通過儀表檢測，因此，本系統和真實系統的觀測界面完全一致。
2. 裝置模擬測控系統
這是仿真裝置無物料運行的關鍵部分，通過模擬測控系統，可以使仿真裝置與仿真軟件聯合成一體，是仿真軟件與實物裝置的“橋梁”。測控系統一方面需要把操作設備，例如閥門的轉動變換為模擬電信號，采用計算機控制技術將現場操作點的模擬信號實時采集，并傳送到上位計算機的仿真模型中。另一方面需要把仿真模型的運算結果通過轉換變成模擬電信號，并傳送到現場的各種儀表進行模擬與數字多種方式的實時顯示。所有此類功能全部采用先進的現場總線技術和實時監控技術加以解決。
3. 裝置仿真軟件
由于該裝置是在“無物理化學過程”的狀態下運行的，裝置本身沒有任何真實進出物料，所有化工生產的工藝現象通過仿真軟件模擬來實現。并將這些模擬參數送至仿真DCS（部分參數還需送至現場儀表顯示）。讓受訓者感受到的是一個完全“真實”的工業化工裝置在運行中。
獨立運行的仿真軟件包括：工藝仿真軟件、操作評分軟件、運行管理軟件、與DCS 的接口通訊軟件、教師指令臺軟件和仿DCS 軟件。能否采用半實物仿真技術進行動態地操作實訓，動態數學模型是關鍵。為了高逼真地進行過程的開、停車、正常運行、故障狀態操作及控制，必須解決如下建模問題：動態模型應能反映被仿真裝置的實際尺寸，包括設備尺寸、管道尺寸、閥門尺寸等，應能反映系統物料和能量的變化與傳遞的定量關系；動態模型應能反映被仿真系統的物理化學變化的規律，如反應動力學特性、氣液平衡特性、流體力學特性等，這些特性常常是非線性的。動態模型應能反映被仿真系統的動態時間常數、慣性、時間滯后、多容高階特性；動態模型的求解速度應達到實時要求、求解精度應滿足實驗要求。
4. 計算機控制系統（DCS）仿真
可以選擇使用化工常用典型的 DCS 仿真系統，用于本裝置的控制與操作。仿DCS 類型包括TDC-TPS、CS-3000、I/AAP70 系統，每種4 個DCS 仿真鍵盤。仿真 DCS 系統操作站包括：4 臺操作站（有工業鍵盤）。包括：4 臺19 寸液晶PC，12 塊工業DCS 鍵盤，及3 種類型仿DCS 軟件。外加一個輔助操作臺進行事故報警及連鎖系統監控。
DCS 仿真軟件用于管理、調度仿DCS 操作軟件各部分，實現動態實時數據庫、各類標準畫面、鍵盤操作、各種算法，以及通信的協調配合，完成DCS 操作站的顯示、操作等各種功能。
裝置模擬測控系統的結構示意圖見下圖所示：
仿 DCS 操作控制軟件模擬了真實DCS 的以下畫面功能：
**菜單畫面 **流程圖畫面 **控制組畫面 **報警畫面 **細目畫面
仿真 DCS 系統可以對控制方案、控制畫面、流程圖畫面、趨勢畫面和報警畫面進行軟件組態。仿DCS 操作站見下圖所示。
5. 實訓評價與管理系統
運行培訓項目及事故設置軟件，運行操作評價軟件。主要滿足培訓的組織和管理問題。其中操作評價軟件具有特殊的功能，可以通過組態方式修改和編輯。當實訓裝置運行時，軟件會自動記錄、分析和評價操作員的操作水平。這是國外同類軟件所沒有的重要功能。
流程級仿真實訓裝置總體結構示意圖
以上五個部分通過小型實時數據庫、實時數字通信協調運行，完成復雜的、高逼真度的半實物模擬實訓。五個部分采用以太網和現場總線方式互聯，其中信號采集部分采用了北京中泰研創科技有限公司生產的PC-6000系列數據采集卡，結合先進的工業過程控制設計，具有模塊化、標準化、通用化結構。系統可以方便地擴展或重新組合。系統具備軟件診斷功能。
三、新一代流程級化工仿真實訓裝置特點
新一代流程級實訓裝置，通過將小型半實物流程裝置、微機控制系統與全數字仿真技術結合，實現了集多種教學和實訓功能于一身、全工況可操作、真實感強、一機多用、無須物料、沒有產物和副產物、維修簡單、節能、安全、環保、投資省、見效快等理想實訓系統的要求，是工業實訓技術的一個新的飛躍。本裝置的特點如下：
1. 采用不銹鋼精密制造的縮小型全流程設備、精致的設備框架系統、管路、手動閥門、控制閥門、測控傳感器系統等，具有實際裝置的全部空間幾何三維分布實體概念；
2. 采用先進測控電子技術成果，現場總線和電子操作器等專有設備，所有操作點都可以全量程手動或自動調整，具有真實的操作力度和動態響應；
3. 運用高精度仿真數學模型，可以不受約束地模擬實際裝置物理化學特性，可以全工況動態實時模擬裝置的開車、停車、正常運行調控、緊急停車和事故處理；
4. 控制系統（DCS）采用仿真DCS，其要求和真實DCS 一致，并有工業鍵盤。能夠給受訓者一個真實化工生產操作控制模式、方法與環境。
5. 具備運行培訓項目軟件、事故設置軟件和運行操作評價軟件。可以滿足培訓的自動評價、組織、全工況記錄和管理問題。
6. 所有動設備都處于空轉低負荷運行狀態，因此運行能耗很低，設備磨損小壽命長；
7. 不需要任何物料，節省費用、時間和人力，沒有腐蝕、污染和環境保護問題；
8. 危險工況和事故狀態由仿真模型模擬，不存在任何爆炸燃燒危險；
9. 設備大多是不銹鋼殼體，幾乎沒有維修工作量；
10. 可以通過計算機控制實施自動即開即停，工況凍結與繼續，這是任何其它實訓裝置所無法比擬的超級功能，也是最適合于實訓的功能；
11. 占地面積小，一般適合于職業技術學校的標準型新一代流程級實訓裝置，控制室占地約60 平米，裝置現場占地約180 平米；
12. 結合本中心完成的國家高技術發展項目（863）“大型石化企業安全評估”的智能化計算機自動危險與可操作性分析（HAZOP）技術, 新一代流程級實訓裝置可以升級為操作安全為內容的實訓系統，同時也是智能化自解釋高級實訓系統。
我們堅信，新一代流程級實訓裝置的推廣應用，必將使得我國的化工職業技術訓練進入一個全新的世界！
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