化工仿真軟件發(fā)展的技術(shù)趨向

1、摘 UniSim 化工仿真技術(shù)歷史的回顧根據(jù)國(guó)際準(zhǔn)化組織(ISO)的定義，目前實(shí)際上已將“模擬”與“仿真”兩者所含的內(nèi)容統(tǒng)歸于“仿真”的范疇，而且英文都用 Simulation 一詞來(lái)代替。數(shù)字仿真是 20 世紀(jì) 40年代末以來(lái)伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一門新興學(xué)科。仿真（ Simulation）就是通過建立實(shí)際系統(tǒng)模型并利用所見模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過程。最初，仿真技術(shù)主要用于航空、航天、原子反應(yīng)堆等價(jià)格昂貴、周期長(zhǎng)、危險(xiǎn)性大、實(shí)際系統(tǒng)試驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的少數(shù)領(lǐng)域，后來(lái)逐步發(fā)展到電力、石油、化工、冶金、機(jī)械等一些主要工業(yè)部門?；み^程的模擬（Simulation）技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的

2、飛速發(fā)展，應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣。上世紀(jì)七十年代末期的興起的流程模擬技術(shù)，開始主要是用于化工過程的設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)中得以廣上世紀(jì)90 年代DCS的出現(xiàn)，對(duì)化工過程的模擬軟件提出1了新的市場(chǎng)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(shè)計(jì)的穩(wěn)態(tài)模擬軟件大的多，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)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(shù)都是通過變送器從實(shí)際生產(chǎn)裝置上采集的。生產(chǎn)操作人員通過DCS對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行操作，保證生產(chǎn)裝置長(zhǎng)期、穩(wěn)定地運(yùn)行1。由于仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)是用數(shù)學(xué)

3、模型代替實(shí)際工廠，因而數(shù)學(xué)模型的好壞是仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)鍵。90年代ABBSimcon 公司的Gepurs軟件和Hyprotech公司的動(dòng)態(tài)模擬軟件在培訓(xùn)器市場(chǎng)得到廣泛的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)的速度越來(lái)越快， DCS可記錄的數(shù)據(jù)越來(lái)越多。成千上萬(wàn)的操作點(diǎn)的用戶迫切地希望了解：如何利用這些信息資源來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)操作。生產(chǎn)產(chǎn)品如何安排以獲取最大的利潤(rùn)？生產(chǎn)如何控制使過程更加穩(wěn)定和最優(yōu)？改變過程的操作點(diǎn)，生產(chǎn)裝置會(huì)如何變化？能不能通過異常數(shù)據(jù)的分析，提前告訴DCS操作工：是測(cè)量?jī)x表出了問題？還是事故將發(fā)生？用戶已經(jīng)不僅僅滿足于設(shè)計(jì)過程的穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算和OTS培訓(xùn)，要求更加準(zhǔn)確的過程模型來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)操作,預(yù)測(cè)

4、過程的動(dòng)態(tài)行為。這就是過程予測(cè)系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)的速度越來(lái)越快，化工過程的動(dòng)態(tài)程的預(yù)測(cè)成為了可能。通常預(yù)測(cè)過程的結(jié)構(gòu)如由DCS后傳到過程模擬器 ,記錄下過程的當(dāng)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(duì)模型給以不同方案的擾動(dòng)(W*)，以執(zhí)行。過程模擬器通常包括穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的過程模型，并帶有優(yōu)化算法，判斷不同方案的目標(biāo)函數(shù)值，以尋求最優(yōu)方案。過程預(yù)測(cè)系統(tǒng)是工廠管理者一直十分感興趣的一個(gè)課題。因?yàn)橛脩羝惹械叵Ｍ私猓喝绾尾僮鲗?shí)際裝置能獲取更大的效益？我國(guó)在這方面也2走了不少?gòu)澛贰?0年代末期，當(dāng)時(shí)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(jì)算機(jī)速度的限制和數(shù)據(jù)校正的軟件的開發(fā)技

5、術(shù)落后等原因，數(shù)據(jù)采用離線分析，過7程模型采用數(shù)據(jù)回歸等非機(jī)理的數(shù)學(xué)的模型或采用穩(wěn)態(tài)模擬軟件分析 都沒有實(shí)際使用價(jià)值。由于數(shù)據(jù)離線分析，即使算出了優(yōu)化的工藝操作條件，實(shí)際工廠的操作條件已經(jīng)變了。數(shù)學(xué)模型由于缺乏機(jī)理，外延性的誤差很大。當(dāng)時(shí)的南京化工研究院、化工部計(jì)算中心都參加了這個(gè)課題，也有不少的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。但是用戶的這方面的需求也給模擬技術(shù)提供了更加廣泛的應(yīng)用前景。僅僅提供設(shè)計(jì)和培外一個(gè)問題是各個(gè)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(tái)，互不兼容和重復(fù)開發(fā)的問題。例如國(guó)內(nèi)某個(gè)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(shù)學(xué)模型，都要遵循：能量平衡、質(zhì)量平衡和動(dòng)量平衡。如何

6、整合這些軟件，國(guó)際上幾個(gè)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(wù)，使過程和模型的信息在產(chǎn)品發(fā)展的各個(gè)階段可以共享。表一 國(guó)內(nèi)某個(gè)乙烯裝置使用的軟件控制過程動(dòng) 先進(jìn)控制提 OTS 軟件提供 乙烯裂解HoneywellHyprotech爐數(shù)學(xué)模型模擬公司的并購(gòu)風(fēng)潮2.1 技術(shù)上獨(dú)出一格的HYSYSHYSYS 是Hyprotech 1976工系的教授組建的。原來(lái)的軟件叫HYSIM，主要用于穩(wěn)態(tài)模擬。1980年，推出了小型機(jī)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(gè)主要的目的是開發(fā)化工培訓(xùn)仿真業(yè)務(wù)。是第一家由穩(wěn)態(tài)模擬轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)模擬的公司。390 年代初期，Hyprotech 公司和美國(guó)的 ABB Simcon 公司一起成為世界上當(dāng)時(shí)最有名的 OTS 供應(yīng)商。兩個(gè)公司幾乎瓜分了世界上仿真培訓(xùn)器業(yè)務(wù) 70%市場(chǎng)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(shù)特點(diǎn)是：基于 Window Object ）的設(shè)計(jì)思想及最新的 OLE(Object Linking and Enbedddding)軟件的設(shè)計(jì)技術(shù)，充分地利用了 Windows所設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)交換通道。采用穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬結(jié)合技術(shù)路線。由于起家是穩(wěn)態(tài)模擬模擬公司，物性采用的是嚴(yán)格的熱

8、力學(xué)方程。模型采用嚴(yán)格的機(jī)理模型。2.2 爭(zhēng)奪 HYSYS之戰(zhàn)HYSYS 的這些技術(shù)特點(diǎn)受到國(guó)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(gòu)了 Hyprotech 公司全部股權(quán)。盡管 ASPEN 公司有自己的基于聯(lián)立方程的建模技術(shù)的 ASPEN DYNAMICS 動(dòng)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(gòu)，2004 被美國(guó)聯(lián)邦商務(wù)委員會(huì)（Federal Trade ）判決為壟斷經(jīng)營(yíng)。Honeywell 和 ASPEN 達(dá)成最終協(xié)議，由 Honeywell 收購(gòu) Aspen 的 HYSYS 建模軟件

9、知識(shí)產(chǎn)權(quán)和操作訓(xùn)仿真 OTS 業(yè)務(wù)。其它條款包括：(1)Apsen 公司將保留 Hyprotech 產(chǎn)品許可，以繼續(xù)實(shí)施推廣、銷售和開發(fā) Hyprotech 的權(quán)利；(2)Aspen公司在三年內(nèi)不參與操作員培訓(xùn)服務(wù)競(jìng)爭(zhēng)；(3) 兩年支持協(xié)議，對(duì)轉(zhuǎn)讓的 Hyprotech 產(chǎn)品，Aspen 公司將繼續(xù)為霍尼韋爾提供新版產(chǎn)品的源代碼。Honeywell 公司整合了自己原來(lái)的 shadow plant(影子工廠 ) 和 Hyprotech 公司的HYSYS2004 技術(shù)的基礎(chǔ)上推出了新技術(shù): UniSim Solution。但核心技術(shù)還是HYSYS。ASPEN 公司整合了自己原來(lái)的 ASPEN DY

10、NAMICS-動(dòng)態(tài)過程模擬軟件 和 Hyprotech公司的 HYSYS2004 技術(shù)的基礎(chǔ)上推出了 ASPEN HYSYS。DCS 產(chǎn)家紛紛進(jìn)入 OTS 領(lǐng)域也是模擬公司的并購(gòu)風(fēng)潮的特點(diǎn)，橫河（YOKOGAWA）也發(fā)展了自己的 OTS OTS DCS 產(chǎn)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(gòu)。Invensys公司并購(gòu)了DCSFoxboro Invensys Simsci Dynsim 如設(shè)計(jì)、操作分析、動(dòng)態(tài)模擬、操作員培訓(xùn)、性能監(jiān)測(cè)以及實(shí)時(shí)優(yōu)化等，以降低投資費(fèi)用，提高產(chǎn)率，以及強(qiáng)化決策管理。ABB Simcon

11、 的技術(shù)也被法國(guó) RSI公司購(gòu)買，成為 RSI-Simcon company. ,主要為石油上下游流程提供動(dòng)態(tài)模擬的服務(wù)。這些公司在中國(guó)都有技術(shù)服務(wù)隊(duì)伍或合作伙伴。UniSim 運(yùn)營(yíng)套件，用于生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)分析和控制系統(tǒng)檢查。也可以訓(xùn)練操作員和工程師處理事故的能力。UniSim 優(yōu)化套件，可以進(jìn)行從單個(gè)操作單元到全廠范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。UniSim 動(dòng)態(tài)工程研究，評(píng)估過程變動(dòng)對(duì)未來(lái)工廠業(yè)績(jī)的影響。UniSim 過程知識(shí)系統(tǒng)，收集和分析DCS 和數(shù)據(jù)，利用原有操作經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)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(jīng)列出了國(guó)內(nèi)某個(gè)乙烯裝置在設(shè)計(jì)、培訓(xùn)、裝置投運(yùn)使用的軟件。但各個(gè)軟件公司提供的提供軟件采用不同的開發(fā)平臺(tái)，題。新一代模擬軟件軟件發(fā)展和集成的設(shè)計(jì)思想是讓用戶建立一個(gè)模型可以用于化工過程發(fā)展的各個(gè)階段。包括：穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬，參數(shù)估計(jì)和數(shù)據(jù)校正。在設(shè)計(jì)階段，模型可以用于概念設(shè)計(jì)、實(shí)際工廠的詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)。最后，還可用于可操作性研究。(OTS)生產(chǎn)操作過程的改進(jìn)，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(jìn)了動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)的發(fā)展。90 年代末期由于計(jì)算機(jī)速度的限制，OTS 培訓(xùn)器的計(jì)算機(jī)大都采用小型機(jī)。例如我國(guó) 80 O

13、TS 計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度提高了幾十倍，現(xiàn)在的一臺(tái)PC 機(jī)都比當(dāng)年值數(shù)萬(wàn)美元的X機(jī)要快的多。這就給動(dòng)態(tài)模擬采用更加嚴(yán)格的化工過程的機(jī)理模型留下了許多發(fā)展的空間。動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)對(duì)于圖 4 的過程模型都采用遵循能量平衡、質(zhì)量平衡和動(dòng)量平衡的嚴(yán)格的化工過程的機(jī)理模型。物性采用嚴(yán)格的熱力學(xué)模型，物性庫(kù)可以采用穩(wěn)態(tài)模擬的數(shù)據(jù)庫(kù)，包含 3000 多個(gè)組成。6容器：兩相或三相閃蒸，罐；反應(yīng)器：轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器，PlugFlow 反應(yīng)器,CSTR 反應(yīng)器等；轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備：泵，壓縮機(jī)，膨脹機(jī)等；塔：精餾塔，吸收塔等。這也是幾個(gè)傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬公司(ASPEN，Simsci 和 Hyprotech) 轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)模擬

14、后比單純的 OTS 型技術(shù)用于動(dòng)態(tài)模擬中來(lái)。3.3 采用了多層流程結(jié)構(gòu)ASPEN HYSYS 和 UnisimMain Flowsheet都采用了多層流程結(jié)構(gòu), 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(nèi)建立任何的子流程。多層流程結(jié)構(gòu)有點(diǎn)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(jié)構(gòu)流程的功能僅在主流程中相當(dāng)一個(gè)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(jiǎn)化流程的收斂。3.4 模擬數(shù)據(jù)的信息共享軟件集成設(shè)計(jì)考慮模

15、擬的數(shù)據(jù)和模型可用于產(chǎn)品的整個(gè)發(fā)展過程：設(shè)計(jì)、操作和過程優(yōu)化。應(yīng)該特別指出的是：在設(shè)計(jì)階段，不僅可用于工廠的PFD工程設(shè)計(jì)，還可用于產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，又稱為“預(yù)設(shè)計(jì)”過程。預(yù)設(shè)計(jì)是根據(jù)開發(fā)基礎(chǔ)研究成果、文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)、現(xiàn)有類似的操作數(shù)據(jù)和工作經(jīng)驗(yàn)，按照所開發(fā)的新技術(shù)工業(yè)化規(guī)模而作出的設(shè)計(jì)，用以指導(dǎo)過程研究及提出對(duì)開發(fā)性的基礎(chǔ)研究進(jìn)一步的要求，所以它是實(shí)驗(yàn)研究和過程研究的指南，是開發(fā)研究過程中十分關(guān)鍵的一個(gè)步驟。73.5 動(dòng)態(tài)模擬和穩(wěn)態(tài)模擬的結(jié)合 6態(tài)的流程模擬采用模塊算法過程模塊表示一個(gè)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(jì)算；圖 6

16、 模塊的計(jì)算 uxq 為圖 7 出變量, v 為模塊的參數(shù)。動(dòng)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(shù)向量 v 還包括設(shè)備的尺寸，其不影響模擬的穩(wěn)態(tài)結(jié)果，但影響過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快慢。過程的控制由 PID 算法模塊來(lái)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(shí)間變化。壓力P 不是狀態(tài)變量，通常作為參數(shù)輸入。所以向量v 包括模塊所處的壓力 P。由于設(shè)備的尺寸不影響模擬的穩(wěn)態(tài)結(jié)果，參數(shù)向量不包括括設(shè)備的尺寸。過程的設(shè)計(jì)規(guī)定用 Adjust 模塊來(lái)完成。穩(wěn)態(tài)

17、模擬和動(dòng)態(tài)模擬的轉(zhuǎn)換如圖 7 所示。穩(wěn)態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)模擬采用同樣的物性集。轉(zhuǎn)換提供了一些方便的輔助工具, 化工單元操作設(shè)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(lái)計(jì)算，是動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算中最重要的部分 。單元操作的模塊都是基于熱平衡、質(zhì)量平衡和動(dòng)量平衡。通常模塊的計(jì)算順序由系統(tǒng)自動(dòng)來(lái)決定。單元操作的模塊是流體網(wǎng)中的一個(gè)組件，其局部的動(dòng)量平衡由每個(gè)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(dòng)態(tài)模擬平

18、臺(tái)計(jì)算順序由如圖 9 所示, 穩(wěn)態(tài)模擬得到動(dòng)態(tài)模擬的初始值。穩(wěn)態(tài)模擬運(yùn)行之前，工程師要確定流程各點(diǎn)的壓力值，從而確定流程各個(gè)單元的阻力系數(shù)。單元操作的模型調(diào)用嚴(yán)格的物性模型，保證計(jì)算的準(zhǔn)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?qū)ο蠓椒ㄝ^好地克服了結(jié)構(gòu)化方動(dòng)態(tài)模擬法按功能將系統(tǒng)分解的缺點(diǎn)?；み^程模擬軟件在架構(gòu)和實(shí)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(gè)模擬器可以看作有個(gè)不同的組件組成1415單元操作庫(kù)(unit operation),數(shù)值解題器(number solvers):數(shù)值解

19、題器提供了針對(duì)線性方程、非線性方程、差分方程的解決方案。熱力學(xué)和物性包(thermodynamics and physical property):熱力學(xué)和物性包能夠計(jì)算物料的熱力學(xué)和物性。仿真器執(zhí)行器(simulator executive): 它是仿真器的核心,負(fù)責(zé)安裝其它組件并注冊(cè)到操作系統(tǒng), 管理人機(jī)界面訪問和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)報(bào)告和分析仿真結(jié)果。由于每一個(gè)化工模擬軟件都使用各自的數(shù)據(jù)庫(kù)，大多數(shù)都使用不同的數(shù)據(jù)格式。因此 ,程序間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換只天能通過手動(dòng),這樣的程序不僅費(fèi)力冗繁,而且還易于出錯(cuò)。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(cè)試、描述,以及公布一個(gè)過件接口的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)自上世紀(jì)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(shè)計(jì)、操作培訓(xùn)、生產(chǎn)控制、過程檢測(cè)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、事故的報(bào)警和過程的數(shù)據(jù)分析，提供全方位的服務(wù)，已是大勢(shì)所趨。過去單一模式將會(huì)被這種全方位的服務(wù)所替代。1 ,化工過程的模擬培訓(xùn)器，化工進(jìn)展. 1996, 356-602 ,我國(guó)仿真培訓(xùn)器的發(fā)展歷史和展望， 化工進(jìn)展, 2001,381-863. 郭彥,邱彤,何小榮, 陳丙珍, 體分餾裝置軟測(cè)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(jìn)展,2006, 25(012):.1484-14885 ,錢宇，溫艷芹,化工過程實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與模糊診斷系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn),計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化