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。