化工反應過程半實物仿真系統(tǒng)

高興泉 郭爽

（吉林化工學院信息與控制工程學院 吉林 132022； 吉林市科技信息研究所 吉林132000）

引言

化工反應過程往往伴隨著高溫高壓等現(xiàn)象，必須對運行的某些參數(shù)進行實時監(jiān)控[1-6]。如果監(jiān)控方案不成熟，直接在實際的裝置上建立監(jiān)控系統(tǒng)可能會由于反復更換硬件設備而造成成本的浪費，嚴重的會造成安全生產(chǎn)事故。建立硬件在回路仿真監(jiān)控模擬系統(tǒng)進行預研是一個行之有效的方法[7-8]，即化工反應過程用計算機數(shù)字仿真模擬，其他的控制裝置如PLC 等用實際的物理本體接入到仿真回路中，這樣的動態(tài)模擬系統(tǒng)運行有實時性，仿真過程更形象、直觀。本模擬系統(tǒng)可以用于學生的課程實驗、專業(yè)綜合設計、畢業(yè)設計等實踐教學環(huán)節(jié)，還可用于監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)人員的控制方案設計、控制設備選型等等設計任務。利用本平臺可以大大縮短研發(fā)周期，提高研發(fā)效率，并且所有的過程都是在實驗室環(huán)境內(nèi)進行的，非常安全。本文介紹這樣基于半實物仿真的化工反應動態(tài)模擬系統(tǒng)的詳細組成。

一、 系統(tǒng)組成

圖1 化工反應過程半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構示意圖

圖1 為本文介紹的化工反應過程半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構示意圖。本系統(tǒng)中，對人身安全比較有危險性的化工反應過程通過服務器用數(shù)字仿真軟件來模擬，其他控制裝置由實際的物理本體構成，通過數(shù)據(jù)采集卡與虛擬對象實時通訊。主要包括：

1.化工反應數(shù)字仿真服務器。

本系統(tǒng)采用MATLAB/Simulink 數(shù)字仿真軟件來模擬，該軟件有良好的擴展性和開發(fā)性，積木式的編程方式避免了用復雜的數(shù)值計算方法求取系統(tǒng)動態(tài)特性的過程，另外配合RTW 工具箱里的模塊進行實時仿真。

2.數(shù)據(jù)采集卡。

采用加拿大Quanser 公司生產(chǎn)的Q4 數(shù)據(jù)采集卡。Q4 采集卡擁有4 路模擬量輸入通道，4 路模擬量輸出通道，16 可編程的數(shù)字量輸入輸出通道。該數(shù)據(jù)采集卡是將數(shù)字仿真系統(tǒng)實時計算出的變量值即檢測參數(shù)通過標準的電信號送出，并將化工反應過程的控制信號（也是標準的電信號）讀入。

3.信號調(diào)理模塊。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的輸入輸出信號都是電壓信號，輸入輸出范圍是-10-10V。本系統(tǒng)中的信號調(diào)理模塊是將電壓信號轉(zhuǎn)換成標準的常見的4-20mA 信號或?qū)藴实碾娏餍盘栟D(zhuǎn)換成采集卡可接受的電壓信號，從而實現(xiàn)仿真服務器和真實的物理設備之間的通信。

4.PLC 控制設備和操作臺、觸摸屏等。

PLC 控制設備采用比較流行的西門子s7-300。PLC和虛擬對象交換數(shù)據(jù)，然后再和監(jiān)控設備或終端進行數(shù)據(jù)傳遞比如操作臺、觸摸屏及人機界面等進行監(jiān)視或操作。

二、 實驗結(jié)果

圖2 是某化工反應過程（見文獻[6]）的仿真系統(tǒng)運行的監(jiān)控界面。該系統(tǒng)需要對4 個變量如物質(zhì)A 的濃度、物質(zhì)B 的濃度、反應溫度以及冷卻溫度。在實驗過程中，假設物料進給率和冷卻套中的散熱量為系統(tǒng)的控制輸入按階躍的變化，監(jiān)控系統(tǒng)的4 個狀態(tài)的變化。圖2 的右半部分就是在3600S 反應時間內(nèi)變量的歷史趨勢曲線，可以很清晰地看到變量的變化過程。

三、結(jié)論

將化工過程的計算機數(shù)字仿真和實際的控制裝置物理本體有機融合起來，建立了能夠逼真模擬化工反應過程的半實物仿真系統(tǒng)，為縮短控制技術設計周期、減少實驗成本，提高技術人員培訓效率提供了平臺。

圖2 某化工反應過程的仿真系統(tǒng)運行的監(jiān)控界面

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