化工仿真实训

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2~5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-Ⅲ型为4~20mA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。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：①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；②系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制；③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；④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、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：①用于扩大控制阀的可调范围，改善控制品质；②用于控制两种不同的介质流量，以满足工艺生产的要求；③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。

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，进入“培训项目”列表里面选择所要运行的项目，如冷态开车、正常停车、事故处理等。每个培训单元包括多个培训项目。（书上P12，图1-13 培训项目选择）

5.DCS类型选择。

ESST提供的仿真软件，包括四种DCS风格，有通用DCS风格、TDC3000、IA系统和CS3000风格。根据需要选择所要运行DCS类型，单机确定，然后单机“启动项目”进入仿真软件操作界面。（书上P13，图1-14 DCS类型选择）

【通用DCS】仿国内大多数DCS厂商界面。

【TDC3000】仿美国Honywell公司的操作界面。

【IA系统】仿Foxboro公司的操作界面。

【CS3000】仿日本横河公司的操作界面。

（二）程序主界面

1.菜单介绍。

（1）工艺菜单。

仿真系统启动之后，启动两个窗口，一个是流程图操作窗口，一个是智能评价系统。首先进入流程图操作窗口，进行软件操作。在流程图操作界面的上部是“菜单栏”，下部是“功能按钮栏”。（图1-15，P14）

“工艺”菜单包括当前信息总览，重做当前任务，培训项目选择，切换工艺内容，进度存盘，进度重演，冻结/解冻，系统退出。

【当前信息总览】是指显示当前培训内容的信息。（图1-16，P14）

【重做当前任务】是指系统进行初始化，重新启动当前培训项目。

【切换工艺内容】是指退出当前培训项目，重新选择培训工艺。

【培训项目选择】是指选择所要运行的项目。

【进度存盘】是指进度存档，保存当前数据。以便下次调用时可直接进入当前工艺状态。（图1-17，P15）

【进度重演】是指读取所保存的快门文件（*.sav），恢复以前所存储的工艺状态。

【冻结/解冻】类似于暂停键。系统“冻结”后，DCS软件不接受任何操作，后台的数学模型也停止运算。

【系统退出】指退出仿真系统。（图1-18，P15）

（2）画面菜单。

“画面”菜单包括程序中的所有画面进行切换，有流程图画面、控制组画面、趋势画面、报警画面、辅助画面。选择菜单项（或按相应的快捷键）可以切换到相应的画面。（图1-19，P15）

【流程图画面】用于各个DCS图和现场图的切换。

【控制组画面】把各个控制点集中在一个画面，便于工艺控制。

【趋势画面】保存各个工艺控制点的历史数据。

【报警画面】将出现报警的控制点，集中在同一个界面。一般情况下，在冷态开车过程中容易出现低报，此时可以不予理睬。

（3）工具菜单。（图1-20，P16）

设置菜单可以用来对变量监视、仿真时钟进行设置。

【变量监视】监视变量，可实时监视变量的当前值，察看变量所对应的流程图中的数据点以及对数据点的描述和数据点的上下限。（图1-21，P16）

【仿真时钟设置】即时标设置，设置仿真程序运行的时标。选择该项会弹出设置时标对话框。（图1-22，P17）。时标以百分制表示，默认为100%，选择不同的时标可加快或减慢系统运行的速度。系统运行的速度与时标成正比。

（4）帮助菜单。（图1-23，P17）

帮助菜单包括帮助主题、产品反馈、关于三个选项。

【帮助主题】打开仿真系统平台操作手册。

【产品反馈】可以把对产品的一些意见E-MAIL给厂家。

【关于】显示软件的版本信息、用户名称和激活信息。（图1-24，P18）

2.画面介绍及操作方式。

（1）流程图画面。

流程图画面有DCS图和现场图两种。

DCS图画面和工厂DCS控制室中的实际操作画面一致。在DCS图中显示所有工艺参数，包括温度、压力、流量和液位，同时在DCS图中只能操作自控阀门，而不能操作手动阀门。

现场图是仿真软件独有的，是把在现场操作的设备虚拟在一张流程图上。在现场图中只可以操作手动阀门，而不能操作自控阀门。

流程图画面是主要的操作界面，包括流程图，显示区域和可操作区域。在流程图操作画面中当鼠标光标移动到可操作的区域上面时会变成一个手的形状，表示可以操作。鼠标单击时会根据所操作的区域，弹出相应的对话框。如点击按钮 可以切换到DCS图，但是对于不同风格的操作系统弹出的对话框也不同。

※通用DCS风格

①现场图。现场图中的阀门主要有开关阀和手动调节阀两种，在阀门调节对话框的左上角标有阀门的位号和说明：

【开关阀】此类阀门只有开和关两种状态。直接点击“打开”和“关闭”即可实现阀门的开关闭合。（图1-25，P19）

【手动操作阀】此类阀门手动输入0～100的数字调节阀门的开度，即可实现阀门开关大小的调节。或者点击“开大和开小”按钮以5%的进度调节。（图1-26，P19）

②DCS图。在DCS图中通过PID控制器调整气动阀、电动阀和电磁阀等自动阀门的开关闭合。在PID控制器中可以实现自动/AUT、手动/MAN、串级/CAS三种控制模式的切换。（图1-27，P20)

【AUT】计算机自动控制。

【MAN】计算机手动控制。

【CAS】串级控制。两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值。

【PV值】实际测量值，有传感器测得。

【SP值】设定值，计算机根据SP值和PV值之间的偏差，自动调节阀门的开度；在自动/AUT模式下可以调节此参数（调节方式同OP值）。

【OP值】计算机手动设定值，输入0～100的数据调节阀门的开度；在手动/MAN模式下调节此参数。（图1-28，P21）

※TDC3000风格

①现场图。对于TDC3000风格的流程图现场图中，有如下操作模式。操作区内包括所操作区域的工位号及描述。操作区有两种形式、（图1-29,1-30，P21）。该操作区一般用来设置泵的开关，阀门开关等一些开关形式（即只有是与否两个值）的量。点击OP会出现“OFF”和“ON”两个框，执行完开或关的操作后点击“ENTER”，OP下面会显示操作后的新的信息。点击“CLR”将会清除操作区。该操作区一般用来设置阀门开度或其他非开关形式的量。OP下面显示该变量的当前值。点击OP则会出现一个文本框，在下面的文本框内输入想要设置的值，然后按回车键即可完成设置，点击“CLR”将会清除操作区。

②DCS图。在DCS图中会出现该操作区，该操作区主要是显示控制回路中所控制的变量参数的测量值（PV)、设定值（SP）、当前输出值（OP）、手动MAN/自动AUT/串级CAS方式等，可以切换手动/自动/串级方式，在手动方式下设定输出值等，其操作方式与前面所述的两个操作区相同。（图1-31，P21）

（2）控制组画面。

控制组画面包括流程中所有的控制仪表和显示仪表。（图1-32,1-33，P22)不管是TDC3000还是通用的DCS都与它们在流程图画面里所介绍的功能和操作方式相同。

（3）报警画面。

选择“报警”菜单中的“显示报警列表”，将弹出报警列表窗口。（图1-34，P23）报警列表显示了报警的时间、报警的点名、报警点的描述、报警的级别、报警点的当前值及其他信息。

（4）趋势画面。

（5）通用DCS：在“趋势”菜单中选择某一菜单项，会弹出（图1-35，P23）所示的趋势图，该画面一共可同时显示8个点的当前值和历史趋势。

在趋势画面中可以用鼠标点击相应的变量的位号，查看该变量趋势曲线，同时有一个绿色箭头进行指示。也可以通过上部的快捷图标栏调节横纵坐标的比例；还可以用鼠标拖动白色的标尺，查看详细历史数据。

3.退出系统。

直接关闭流程图窗口和评分文件窗口，弹出关闭确认对话框，（图1-36，P24)，都会退出系统。另外，还可在工艺菜单中点击“系统退出”退出系统。

4.PISP平台评分系统的使用。

启动软件系统进入操作平台，同时也就启动了过程仿真系统平台PISP操作质量评分系统，评分系统界面（图1-37，P24）。

过程仿真系统平台PISP.NET评分系统是智能操作指导、诊断、评测软件（以下简称智能软件），它通过对用户的操作过程进行跟踪，在线为用户提供如下功能：

（1）操作状态指示。

对当前操作步骤和操作质量所进行的状态以不同的图标表示出来。（图1-38，P26）所示，为操作系统中所用的光标说明。

※操作步骤状态图标及提示

（P25)图标：表示此过程的起始条件没有满足，该过程不参与评分。

表示此过程的起始条件满足，开始对过程中的步骤进行评分。

为普通步骤，表示本步还没有开始操作，也就是说，还没有满足此步的起始条件。 表示本步已经开始操作，但还没有操作完，也就是说，已满足此步的起始条件，但此操作步骤还没有完成。

表示本步操作已经结束，并且操作完全正确（得分等于100%）。

表示本步操作已经结束，但操作不正确（得分0为0）。

表示过程种植条件已满足，本步操作无论是否完成都被强迫结束。

※操作质量图标及提示

表示这条质量指标还没有开始评判，即起始条件为满足。

表示起始条件满足，本部长已经开始参与评分，若本步评分没有终止条件，则会一直处于评分状态。

表示过程终止条件已满足，本步操作无论是否完成都被强迫结束。

在PISP.NET的评分系统中包括了扣分步骤，主要是当操作严重不当，可能引起重大事故时，从已得分数中扣分，此图标表示起始条件不满足，，即还没有出现失误操作。

表示起始条件满足，以经出现严重失误的操作，并开始扣分。

（2）操作方法指导。

在线给出操作步骤的指导说明，对操作步骤的具体实现方法给称号详细的操作说明（图1-39，P26）

对于操作质量可给出关于这条质量指标的目标值、上下允许范围、上下评定范围，当鼠标移到质量步骤一栏，所在栏都会变蓝，双击点出该步骤属性对话框，（图1-40，P27）。

（提示：质量评分从起始条件满足后，开始评分，如果没有终止条件，评分贯穿整个过程。控制指标接近标准值的时间越长，得分越高。）

（3）操作诊断及诊断结果指示。

实时对操作过程进行跟踪检查，并对用户的操作进行实时评价，将操作错误的过程或动作一一说明，以便用户对这些错误操作查找原因、及时纠正或在今后的训练中进行改正及重

点训练，（图1-41，P28)。

（4）查看分数。

实时对操作过程进行评定，对每一步进行评分，并给出整个操作过程的综合得分，可以实时查看用户所操作的总分，并生成评分文件。

“浏览→成绩”查看总分和每个步骤实时成绩（图1-42，P28)。

（5）其他辅助功能。

PISP.NET评分系统辅助功能：

①学员最后的成绩可以生成成绩列表，成绩列表可以保存也可以打印。（图1-43，P29）点击“浏览”菜单中的“成绩”就会弹出（1-43）所示的对话框，此对话框包括学员资料、总成绩、各项步骤分步成绩及操作步骤得分的详细说明。

②单机“文件”菜单下面的“打开”可以打开以前保存过的成绩单，“保存”菜单可以保存新的成绩单覆盖原来旧的成绩单，“另存为”则不会覆盖原来保存过的成绩单。（图1-44，P29）

③图1-45（P30）所示打开文件下面的“组态”，就会弹出1-46所示的对话框，在该对话框中可以对评分内容重新组态，其中包括操作步骤。质量评分、所得分数等。

④图1-46为评分组态对话框，可直接单击“文件”下面的“系统退出”退出操作系统。 ⑤图1-47（P31）所示，单击“光标说明”可弹出对话框，查看相关的光标说明可帮助操作者进行操作。

第二部分 化工单元操作

实训一 离心泵单元

一、实训目标

1.了解离心泵的基本构造、工作原理及其特点。

2.熟悉离心泵的开、停车步骤，掌握主要被控变量和操作变量之间的关系及其调整方法。

3.掌握离心泵常见事故的处理方法。

二、工艺流程简介

（一）设备介绍

离心泵是化工生产过程中输送液体的常用设备之一，具有结构简单、性能稳定、检修方便、操作容易和适应性强的特点。

离心泵由吸入管、排出管和离心泵主体组成。离心泵主体分为转动部分和固定部分。转动部分由电机地洞旋转，将能量传递给被输送的部分，主要包括叶轮和泵轴。固定部分包括泵壳、导轮、密封装置等。单级单吸式离心泵的结构图2-1，P33.

离心泵的工作原理是靠其内外压差不断的吸入液体，靠叶轮的高速旋转使液体获得动能，靠扩压管或导叶将动能转化为压力，从而达到输送液体的目的。