化工仿真实训..pdf
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1、第一部分化工仿真实训基础知识 一、化工仿真及其作用 仿真是对代替真实物体或系统的模型进行实验和研究的一门应用技术科学,按所用模型 分为物理仿真和数字仿真两类。物理仿真是以真实物体或系统按一定比例或规律进行微缩或 放大后的物理模型为实验对象,如飞机研制过程中的风洞实验。数字仿真是以真实物体或系 统规律为依据, 建立数学模型后,在仿真机上进行的研究。与物理仿真相比,数字仿真具有 更大的灵活性, 能对截然不同的动态特性模型做实验研究,为真实物体或系统的分析和设计 提供了十分有效且经济的手段。 过程仿真是指过程系统的数字仿真,它要求描述过程系统动态特性的数学模型,能在仿 真机上再实现改过程系统的实时特
2、性,以达到在该仿真系统上进行实验研究的目的。过程系 统仿真由三个主要部分组成,即过程系统、 数学模型和仿真机。这三部分由建模和仿真两个 关系联系在一起,如图。 过程系统仿真技术的工业应用大约始于60 年代,并于 80 年代中期随着计算机技术的快 速发展和广泛普及取得很大进展。过程系统仿真技术在工业领域中的应用已设计辅助培训与 教育、辅助设计、辅助生产和辅助研究等方面,其社会经济效益日趋显著。 采用过程系统仿真技术辅助培训,就是用仿真机运行教学模型建造的一个与真实系统相 似的操作控制系统(如模拟仪表盘、仿DCS 操作站等),模拟真实的生产装置,再现真实生 产过程 (或装置)的实时动态特性,使学员
3、可以得到非常逼真的操作环境,进而取得非常好 的操作技能训练效果。 近年来, 过程系统仿真技术在操作技能培训方面的应用在世界许多国家得到普及。大量 统计结果表明, 这种仿真培训系统能逼真地模拟工厂开车、停车、 正常运行和各种事故状态 现象。它没有危险性,节省培训费用,可以使学员在数周内取得现场25 年的经验,大大 缩短了培训时间。 化工仿真培训系统是过程系统仿真应用的一个重要分支,主要用于化工生产装置操作人 员的操作方法和操作技能培训,是一种为绝大多数化工企业和职教部门认同的,先进的、 高 效的现代化培训手段。 通过仿真实训可以使学员了解基本单元操作方法,增强对工艺过程的了解,熟悉计算机 控制系
4、统及其操作,训练“数值化”反应及理解能力,训练对“动态过程”的反应及理解能 力,学习安全、 规范化操作和复杂控制系统的投运,训练对事故的响应、分析以及排除故障 的能力等。 二、集散控制系统DCS 简介 集散控制系统(Total Distributed Control System) 是以微处理器为基础的集中管理与分散 控制的先进性控制系统,简称DCS。 集散控制系统需要检测技术实现其对工艺参数的智能测量及变送,通过先进控制技术完 成控制优化,应用网络、光纤等通信技术将显示器、芯片、多媒体等计算机硬件相连接,并 通过计算机软件进行数据的控制和管理。 目前商业化应用较多的DCS 系统有:美国霍尼威
5、尔(Honeywell) 公司的 TDC-2000(1975) 、 TDC-3000 ; 日本横河(Yokogawa)公司的 CENTUM 、 CENTUM-XL ; 美国福克斯波罗 (Foxboro) 公司的 I/A (Intelligent Automation) ;中国浙大中控ECS-100 和比利时HS2000 等系统。 工业微型机控制系统是DCS 的 PC 化、智能化、小型化、网络化、低成本化、大众化 的新形态。 工业监控组态软件具有软件通用化的优势,功能强、价格低、可直接在Windows 环境 下运行、可共享Windows 的软件资源、操作与控制画面形象细致、简便易学。目前,正以
6、年均几十万套的速度应用和增长。应用较多的产品有:美国IntellutionFIX 、 iFIX 、美国 Wonderware Intouch 、德国西门子WinCC 、中国组态王、世纪星、力控2.0、开物 2000 等。 三、化工仪表及自动化控制系统 自动控制系统主要由两大部分组成。一部分是起控制作用的全套自动化装置,对于常规 仪表来说,它包括检测元件(仪表)及变送器(将检测信号转换为气压信号或电压、电流信 号等) 、控制器(或DCS 控制系统)、执行器(阀门)等;另一部分是受自动化装置控制的 被控对象(自动控制系统中,各工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等)。 在自动控制系统中, 用检测
7、元件及变送器来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定 的信号(如DDZ- 型为420mA 的统一标准信号) 。控制器将检测元件及变送器送来的测 量信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得出偏差,根据偏差的大小及变化趋势,按 预先设计好的控制规律进行运算后,将运算结果用特定的信号(如气压信号或电流信号)发 送给执行器。 执行器能自动根据控制器送来的信号值相应地改变流入(或流出) 被控变量的 物料量或能量,客服扰动的影响,最终实现控制要求。 自动控制系统按其基本结构形式可分为开环自动控制系统和闭环自动控制系统。 开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系 统,即操
8、纵变量通过被控对象去影响被控变量。但被控变量并不通过自动控制装置区影响操 纵变量。从信号传递关系上看,未构成闭合回路。 开环控制系统分为两种,一种按设定值进行控制,如图 a。这种控制方式的操纵变量(蒸 汽流量) 与设定值保持一定的函数关系,当设定值变化时,操纵变量随其变化而改变被控变 量。另一种是按扰动进行控制,即所谓前馈控制系统。如图b。这种控制方式是通过对扰动 信号的测量,根据其变化情况产生相应控制作用,进而改变被控变量。 开环控制系统不能自觉地觉察被控变量的变化情况,也不能判断操纵变量的校正作用是 否适合实际需要。 闭环自动控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制。
9、如图 a 即是一个闭环自动控制。图中控制器接受检测元件及变送器送来的测量信号,并与设定值 相比较得到偏差信号,再根据偏差的大小和方向,调整蒸汽阀门的开度,改变蒸汽流量,使 热物料出口温度回到设定值上。从如 b 所示的控制系统方块图可以清楚地看出,操纵变量(蒸 汽流量)通过被控对象去影响被控变量,而被控变量又通过自动控制装置区影响操纵变量。 从信号传递关系上看构成了一个闭合回路。在闭环控制系统中,按照设定值的不通形式又可 分为: (1)定值控制系统。 定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统。定值控制系统的作用是克服扰动对被控 变量的影响, 使被控变量最终回到设定值或其附近。以后无特殊说明控制系
10、统均针对定值控 制系统而言。 (2)随动控制系统。 随动控制系统的设定值是不断变化的。随动控制系统的作用是使被控变量能够尽快地、 准确无误地跟踪设定值的变化而变化。 (3)程序控制系统。 程序控制系统的设定值也是变化的,但它是一个已知的时间函数,即设定值按一定的时 间程序变化。 自动控制系统又可以按其回路的复杂程度分为: (1)单回路控制系统。 单回路控制系统(简单控制系统)是指由一个被控对象、一个测量变送器、一个控制器 (调节器) 和一个执行器 (调节阀) 所组成的闭环控制系统。调节阀可以通过对操纵变量的 调节简洁影响被控变量,如图,也可以直接调节被控对象。 (2)串级控制系统。 串级控制系
11、统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。 主控制器的输出作为副控制器的给定值,用副控制器的输出去操纵控制阀,以实现对主变量 的定值控制。串级控制系统的典型方块图如图。 图 1-5 串级控制系统的典型结构图(a)和方块图(b) 串级控制系统的主要特点为:在系统结构上,它是由两个串级工作的控制器构成的双 闭环控制系统; 系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制;由于副回路的 存在, 对进入副回路的干扰有超前控制的作用,因而减少了干扰对主变量的影响;系统对 负荷改变时有一定的自适应能力。 串级控制系统主要应用于:对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化 大
12、、对控制质量要求较高的场合。 (3)比值控制系统 比值控制系统主要是指实现两个或两个以上的参数符合一定比例关系的控制系统。通常 为流量比值控制系统,用来使两种物料的流量保持一定的比值关系,其结构图如图。 (4)分程控制系统 分程控制系统就是一个控制器的输出信号被送往两个或两个以上的控制阀,每个控制阀 都只在控制器的某段信号范围内工作。其应用场合主要有:用于扩大控制阀的可调范围, 改善控制品质; 用于控制两种不同的介质流量,以满足工艺生产的要求;用作生产安全 的防护措施。分程控制系统的结构如图。 在自动控制系统中,构成一个回路的每一个仪表(或元件)都有自己的仪表位号。仪表 位号由字母代号组合和回
13、路编号两部分组成。仪表位号中的第一个字母表示被测变量,后继 字母表示仪表的功能;回路的编号由工序号和顺序号组成,一般用三位至五位阿拉伯数字表 示,如图: 在管道及仪表流程图中,仪表位号的标注方法是:字母代号填写在仪表圆圈的上半圆中; 回路编号填写在下半圆中,如图: 仪表信号中表示被测变量和仪表功能的字母代号见下表所示。 字母第一位字母后继字母 被测变量修饰词功能 A 分析- 报警 C 电导率- 控制(调节) D 密度差- E 电压- 检测元件 F 流量比(分数)- I 电流- 指示 K 时间或时间程序- 自动 -手动操作器 L 物位- - M 水分或湿度- - P 压力或真空积分、累积- Q
14、数量或件数- 积分、累积 R 放射性安全纪录或打印 S 速度或频率- 开关、联锁 T 温度- 传送 V 黏度- 阀、挡板、百叶窗 W 力- 套管 Y 供选用- 继动器、或计算器 Z 位置- 驱动、执行或未分类 的终端执行机构 四、化工仿真培训系统的使用方法 本书所介绍的化工仿真培训系统是基于STS 结构(School Teaching System) ,STS 结构硬 件系统是由一台上位机(教室指令台)和多台下位机(学员操作站)组成的网络系统,教室 指令台是教师组织管理仿真培训的控制台,与学员操作站无关。该结构软件可以上、下机联 网培训, 也可以单机培训,STS 结构主要针对单元级和工段级仿真
15、培训软件,适用于大中专 及职业技术学校学生和工厂新职工的岗前培训。 (一)程序启动 学员站软件安装完毕之后,软件自动在“桌面”和“开始菜单”生成快捷图标。 1.学员站启动方式。 软件启动有两种方式。 (1)双击桌面快捷图标“CSTS2007” ; (2)通过开始菜单 所有程序 东方仿真 化工单元操作启动软件。 软件启动之后,会弹出运行界面。(图,书上P10,图 1-10 系统启动界面) 2.运行方式选择 系统启动界面出现之后会出现主界面(图P11,图 1-11 PISP.net 主界面),输入“姓名、 学号、机器号” ,设置正确的教师指令站地址(教师站IP 或者教师计算机名) ,同时根据教 师
16、要求选择“单机练习”或者“局域网模式”,进入软件操作界面。 【单机练习】是指学生站不链接教师机,独立运行,不受教师站软件的监控。 【局域网模式】 是指学生站与教师站连接,老师可以通过教师站软件实时监控学员的成 绩,规定学生的培训内容,组织考试,汇总学生成绩等。 3.工艺选择。 选择软件运行模式之后,进入软件“培训参数选择”页面,如图1-12 所示(书上P11) 【启动项目】按钮的作用是在设置好培训项目和DCS 风格后启动软件,进入软件操作 界面。 【退出】按钮的作用是退出仿真软件。 点击“培训工艺”按钮列出所有的培训单元。根据需要选择相应的培训单元。 4.培训项目选择。 选择“培训工艺”后,进
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