第49卷第6期石油化工自動化Vol. 49, No. 62013年12月.AUTOMATION IN PETRO-CHEMICAL INDUSTRYDecember, 2013新型煤氣化制甲醇實訓仿真工廠設計王和' ,侯平智?,吳鋒2(1.新疆獨山子克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學院,新疆克拉瑪依833600;2.杭州電子科技大學自動化學院,杭州310018)摘要:為了滿足煤化工企業(yè)及職業(yè)院校培養(yǎng)學員的實踐能力及職業(yè)能力需求,在全數(shù)字仿真系統(tǒng)的基礎上設計了基于半實物仿真技術(shù)的600 kt/a新型煤氣化制甲醇實訓仿真工廠。該仿真工廠由新型煤氣化制甲醇流程工藝實訓系統(tǒng).仿真培訓(OTS)軟件系統(tǒng)和DCS中控室系統(tǒng)三大部分組成，每個部分又可分為若干子系統(tǒng),在功能上能進行開停車、正常工況等操作。該仿真廠對現(xiàn)代煤化I工藝過程、動態(tài)操作、自動化檢測傳感執(zhí)行裝置及DCS進行仿真模擬,具有節(jié)能、環(huán)保和本質(zhì)安全的優(yōu)點,已成功用于石化企業(yè)及院校操作技能培訓與技能考核。關(guān)鍵詞:仿真工廠煤化工實訓仿真中圖分類號: TP391. 9文獻標志碼: A文章編號: 1007 - 7324(2013)06-0029-03Design of Training Simulation Factory of New Type Coal Gasification MethanolWang He'，Hou Pingzhi? , Wu Feng2(1. Karamay Vocational & Technical College, Karamay, 833600, China;2. College of Automation, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou, 310018, China)Abstract: To meet the need of practical ability and occupational competence for coal chemicalenterprise and occupation college， the new type of training simulation factory of coalgasification methanol based on hybrid simulation technology is developed with all digitalsimulation system. The simulation factory in the overall structure consists of three mainsystems of new type of coal gasification methanol process operation system, simulation training(OTS) software system and DCS central control system, and each system can be divided intoseveral sub-systems. It can simulate the shutdown, start-up and normal operation in function.Simulation analysis is given based on the case of factory training. It can be used to simulate theprocess, dynamic operation, sensing and executive device and DCS for modern coal chemicalenterprise with the advantages of energy saving， environmental protection and entitativesafety. It has been used for skills training and assessment in petro chemical enterprises andinstitutions.Key words: simulation factory; coal chemical industry; training simulation煤化工行業(yè)在中國國民經(jīng)濟中的地位是非?；どa(chǎn)裝置的日益大型化、復雜化,安全問題日益重要的,其工藝設備逐漸大型化,自動控制水平也突出;實訓內(nèi)容與實訓手段難以滿足實際需要[37]。越來越高,對生產(chǎn)運行人員的操作能力與水平有了為了促進國內(nèi)煤化工行業(yè)職業(yè)教育的發(fā)展，由更高的要求。但由于生產(chǎn)裝置必須保證安全、穩(wěn)內(nèi)蒙古化工職業(yè)學院等多家單位的教學科技人員定、長周期、優(yōu)化運行,在實際生產(chǎn)過程中不可能依合作,以“校中廠”實訓基地的理念為設計指導思靠實際生產(chǎn)裝置來提高和培訓運行人員的操作技想[89],以國內(nèi)第- - 條投產(chǎn)運行的“咸陽化學工業(yè)公能。發(fā)達國家的經(jīng)驗表明,運用仿真工廠進行煤化司德士古氣化爐工藝的單線600 kt/a新型煤氣化工技能培訓是最有效的方法之一_Cr2] 。制甲醇實際工廠”為參照[1013] ,研究、設計并實現(xiàn)了從小型冷模裝置、縮小型流程生產(chǎn)裝置、半實中國煤化工，物仿真裝置,逐漸發(fā)展到目前的煤化工仿真工廠，稿件收到日期:213-09- 18。主要是由目前的煤氣化制甲醇實訓操作所面臨的現(xiàn)作者簡介:王和(1;MYHCN M H G于新疆獨山子克狀決定的:裝置體積龐大、造價昂貴,難以進課堂;煤拉瑪依職業(yè)技術(shù)學院,研究方向為石油化工及應用，任院長。3石油化工自動化第49卷新型煤氣化制甲醇實訓仿真工廠。正常運行、正常停車、緊急停車、設備維護等方面的1設計思路技能操作訓練和工藝指標控制操作技能訓練;還能新型煤氣化制甲醇實訓仿真工廠需要將職業(yè)通過安全手段設置各類故障,使學員能夠處理各類技能培訓與鑒定相結(jié)合,實訓裝置的硬件與技能訓緊急狀況,進行生產(chǎn)過程操作、分析,排除工業(yè)生產(chǎn)練仿真軟件相結(jié)合,對現(xiàn)代煤化工工藝過程、動態(tài)過程故障。操作、自動檢測傳感裝置及DCS進行仿真模擬。仿真工廠的流程仿真軟件按照工業(yè)現(xiàn)場設備為此，在真實體現(xiàn)實際工廠工藝流程的基礎和流程進行模擬仿真,同時對重點設備的內(nèi)部結(jié)上,省略工業(yè)流程中的- -些輔助工序、輔助設備,同構(gòu)、工作原理深人地剖析。通過機理建模建立“虛時對重要工序.重要設備進行了強化,以加深學生.擬工廠”,可自上而下地實現(xiàn)對工廠過程和控制邏對煤制甲醇工業(yè)化裝置的了解。將工業(yè)裝置中大輯的動態(tài)模擬。仿真軟件的動態(tài)模型真實地再現(xiàn)型設備如塔器、反應器、儲槽、換熱器、輸送設備等了實際工業(yè)流程狀態(tài)和行為,實時準確地模擬工藝在保持原設備的結(jié)構(gòu)特點下按一定比例縮小,通過現(xiàn)場,模擬真實故障。連接真實管路、手動閥門、控制閥門及壓力、流量、2 煤化工仿真工廠 總體結(jié)構(gòu)設計溫度、物位、功率、成分和閥位測控傳感器等,組成基于上述思路,該煤氣化制甲醇實訓仿真工廠煤制甲醇全流程裝置。總體結(jié)構(gòu)由三大部分組成:流程工藝實訓操作系該仿真工廠能模擬工業(yè)生產(chǎn)的真實環(huán)境,能進統(tǒng)、仿真培訓軟件系統(tǒng)(OTS)和DCS中控室系統(tǒng)，行煤氣化制甲醇生產(chǎn)工藝的冷態(tài)開車、熱態(tài)開車、如圖1所示。中控室教師站工程師站學員站.DCSQ如工業(yè)以太網(wǎng)DCS系統(tǒng)網(wǎng)I、 OPC協(xié)議Omni仿真系統(tǒng)培訓系統(tǒng)接口機DCS控制站Omni協(xié)議團_標準電信號電氣柜工藝流程實訓實操系統(tǒng)仿真服務器場景組態(tài)站全■m自■用氣化工段凈化工段圖1煤氣化制 甲醇實訓仿真工廠總體結(jié)構(gòu)流程工藝實訓操作系統(tǒng)模擬工業(yè)生產(chǎn)的真實3煤化工仿真工廠 的組成與功能設計環(huán)境，由若干工段組成:煤漿制備工段、氣化工段、3.1 組成設計變換工段、凈化工段、甲醇合成工段、甲醇精餾工煤化工仿真工廠區(qū)別于傳統(tǒng)實訓裝置,裝置規(guī)段硫回收工段。模大、設備管路呈三維空間分布。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設OTS按照工業(yè)現(xiàn)場設備和流程進行模擬仿真，計要求,煤化工仿真工廠的結(jié)構(gòu)如圖2所示。同時對重點設備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理進行深人地3.2 功能設計剖析;另外還能依靠組分數(shù)據(jù)庫、熱力學模塊、設備煤化工仿真工廠的功能設計能夠體現(xiàn)煤氣化模型庫,為操作員培訓提供精確而可靠的動態(tài)模擬。中國煤化土;滿足工藝操DCS中控室系統(tǒng)為仿真控制中心,由現(xiàn)場控作訓練要求YHCNMH夠安全、長周.制站.工程師站上位監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控及大屏幕期運行,滿足正業(yè)力虹制遷頭保F頭習要求;主體系統(tǒng)仿真培訓軟件模型機系統(tǒng)組成。設備關(guān)鍵部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視,便于學生對設備內(nèi)部第6期王和等. 新型煤氣化制甲醇實訓仿真工廠設計結(jié)構(gòu)的了解;能進行開停車操作、正常工況操作、事1)既能使學員了解和掌握正常工況下各個相故處理操作等。檢測控制工藝參數(shù)同煤制甲醇系關(guān)流程的操作和維護,能進行新型煤氣化制甲醇化統(tǒng)工藝參數(shù)-致,并可同仿真系統(tǒng)互動聯(lián)系,體現(xiàn)工工藝的冷熱開車、熱態(tài)開車、正常運行、正常停真實工藝流程運行參數(shù)。車、緊急停車、設備維護等方面的技能操作訓練,工藝指標控制操作技能訓練;又能通過安全手段設置H主框架系統(tǒng)多元氣化灰水工藝對象多元耐硫變換各類故障，使學員能夠處理各類緊急狀況，進行生多元低溫甲醇洗產(chǎn)過程操作、分析,排除工業(yè)生產(chǎn)過程故障。f檢測執(zhí)行系統(tǒng)多元甲醇合成及多元精餾2)仿真軟件系統(tǒng)按照工業(yè)現(xiàn)場設備、流程、重點設備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理進行模擬仿真。仿H標準件及管/板材系統(tǒng)t料漿原料輸送真軟件的動態(tài)模型真實地再現(xiàn)實際工業(yè)流程狀態(tài)動力系統(tǒng){ 料漿制備和行為,實時準確地模擬工藝現(xiàn)場,模擬真實故障。動態(tài)模擬展板H真空閃蒸3)仿真軟件系統(tǒng)動態(tài)過程模擬軟件依靠組分A全局布置動態(tài)l 黑水處理數(shù)據(jù)庫、熱力學模塊、設備模型庫,為操作員培訓系t硫回收處理統(tǒng)提供精確而可靠的動態(tài)模擬,建立了基于嚴格機一DCS中控室現(xiàn)場控制站理的模擬器組件模型,并對其動態(tài)精度進行了實時H工位計算機控制盤臺優(yōu)化。電氣儀表控制l仿真培訓軟件4)仿真軟件系統(tǒng)通過模擬測控系統(tǒng)、DCS和-仿真培訓軟件H模型機系統(tǒng)數(shù)學模型,使裝置與仿真軟件聯(lián)合成一體,創(chuàng)造性H離線仿真培訓軟件地將企業(yè)的真實生產(chǎn)工藝裝置操作和OTS仿真軟圖2仿真工廠 的結(jié)構(gòu)示意件及DCS模擬環(huán)境進行全流程的互動，將真實工該仿真工廠所擁有的煤制甲醇二甲醚冷態(tài)模廠的操作培訓引人學校,建立了教、學、做、考四位擬培訓既具備離線仿真培訓功能,也具備在線仿真- -體的校中工廠“。培訓功能。學員可以脫離工藝流程實訓操作系統(tǒng)5)替代傳統(tǒng)純仿真實訓，實現(xiàn)了技能實踐、認進行離線仿真培訓，也可基于工藝流程實訓操作系識實習.生產(chǎn)實習、畢業(yè)實訓及崗前模擬訓練,促進統(tǒng)進行在線仿真實訓。當學員進行離線仿真培訓了國內(nèi)工程實踐職業(yè)教育發(fā)展,使得企業(yè)員工職業(yè)時,系統(tǒng)數(shù)據(jù)僅在學員站和OTS間傳遞。OTS服技能提高。務器基于OPC通信協(xié)議接收學員站操作指令并進5結(jié)束語行動態(tài)模型計算,同時將運算結(jié)果傳遞給學員站的該新型煤氣化制甲醇仿真工廠已在內(nèi)蒙古化.監(jiān)控畫面加以顯示。當學員進行在線仿真培訓時，工職業(yè)學院投入使用。在實訓過程中,現(xiàn)場操作的系統(tǒng)數(shù)據(jù)在學員站,OTS,DCS,I藝流程實訓操作視覺、觸覺、聽覺感受與實際裝置接近;學員對仿真工廠系統(tǒng)給予了很高的評價。系統(tǒng)間傳遞。來自學員站的控制指令,通過DCS工程師站參考文獻:傳遞給DCS控制站并轉(zhuǎn)換成標準信號控制相應執(zhí)[1] 夏迎春，昊重光,張貝克，等現(xiàn)代化工仿真訓練工廠U].系統(tǒng)仿真學報,2010,22(02): 370-375.行機構(gòu)動作,同時執(zhí)行機構(gòu)的反饋信號通過DCS[2] 李培,尹兆明.新型實訓技術(shù)一- - 仿真工廠[J]廣東化工，傳遞給OTS以便進行動態(tài)模型運算。來自就地電2010.3711); 92-93.氣儀表控制柜的控制操作,經(jīng)轉(zhuǎn)換成標準信號后控[3]李瓊玖， 杜世權(quán),廖宗富,等.煤制油與煤氣化制甲醇技術(shù)的比較與選擇[J].中外能源,2009,14(07): 26 -29.制相應執(zhí)行機構(gòu)動作,同時執(zhí)行機構(gòu)的反饋信號通[4]程治方.我國煤化工技術(shù)及相關(guān)裝備產(chǎn)業(yè)化狀況及發(fā)展前過DCS傳遞給OTS以便進行動態(tài)模型運算。來景綜述[J].石油和化工設備,2009(05): 4-9.自就地手動的控制操作,經(jīng)執(zhí)行機構(gòu)的反饋信號通5]胡孝貴.謝素雯,羅六保,等.關(guān)于化工仿真與實際操作結(jié)合過DCS傳遞給OTS以便進行動態(tài)模型運算。的實訓模式研究[J].職業(yè)教育研究,2009(05): 107- 108.OTS的運算結(jié)果,一方面通過OPC協(xié)議在學員站[6] JR s, RIBEIRO A, RIBEIROC, et al. The Use of VirtualReality for Simulation and Training of Bovine Artificial加以顯示,另--方面又通過DCS轉(zhuǎn)變成標準信號Inseminati中國煤化工ocedinges of the在就地數(shù)字或模擬儀表中加以顯示。2012 14t:MHCN M H Gmented Relity.4煤化工仿真工廠特點Washington DC: IEE. Computer soclety, 2012.新型煤氣化制甲醇實訓仿真工廠具有下列特點:(下轉(zhuǎn)第34頁)34石油化工自動化第49卷80 [廠的生產(chǎn)裝置,或者同一臺設備隨著季節(jié)變化,或7060~RBF者設備折舊等因素,往往使影響產(chǎn)品的參數(shù)不同,不S s0{同研究人員建立的模型結(jié)構(gòu)也不同，因而合理選擇k 40神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和神經(jīng)網(wǎng)絡算法是成功建模的關(guān)鍵。302(3線束語10Error運用軟測量的原理結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡方法,建立芳0102030405060708(潛含量的模型,使得原本要通過復雜難以直接測量樣本數(shù)的組分參數(shù),轉(zhuǎn)為測量容易獲得的輔助參數(shù)來計算圖2訓練數(shù)據(jù)仿真結(jié)果芳潛含量值,并利用模型實現(xiàn)對重石腦油芳潛含量在圖2中,T為芳潛含量的實際值;RBF為神的預測。通過RBF的訓練方法的研究可以看出，經(jīng)網(wǎng)絡模型通過訓練網(wǎng)絡輸人數(shù)據(jù)得到的仿真結(jié)RBF網(wǎng)絡由于在結(jié)構(gòu)上具有輸出-權(quán)值線性關(guān)系，果;Error為芳潛含量的實際值和仿真值的差值。訓練方法快而簡單,是- -種性能良好的網(wǎng)絡。由圖2中可以看出,T和RBF兩條線重合度較大，參考文獻:[ 1]馬文忠,郭江艷，王艷麗,等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的聯(lián)合站燃說明網(wǎng)絡的訓練效果很好，且RBF網(wǎng)絡的訓練速燒系統(tǒng)軟測量模型的研究[C]//2011中國電工技術(shù)學會學度較快,模型輸出和樣本的輸出數(shù)據(jù)差距很小，滿術(shù)年會論文集.中國電工技術(shù)學會,2011.足設定的誤差要求。因此,此模型可以用來預測芳[2] HE Chan, MA Changfeng. A Smoothing Self- adaptive潛含量的值。利用訓練好的模型對芳潛含量進行Levenberg -marqurdt Algorithm for Solving System of預測,預測數(shù)據(jù)仿真結(jié)果如圖3所示。Nonlinear Inequalities [J ]. Applied Mathematics ancComputation, 2010,21(06): 3056 - 3063.RBF[3] 許東,吳錚.基于Matlab6. x的系統(tǒng)分析與設計一 神經(jīng)網(wǎng)絡[M].2版.西安:西安電子科技大學出版社,2002: 24-25.0↓50|[4] 王恩博,彭亦功.軟測量建模若干方法研究[C]//中國儀器40|儀表學會2007學術(shù)年會智能檢測控制技術(shù)及儀表裝置發(fā)生3展研討會論文集.中國儀器儀表學會.2007.20[5]傅 薈璇，趙紅. Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡應用設計[M].北京:機械0|工業(yè)出版社.2010: 103- 104.0510152025303540455055[6]劉文霞.石腦油品質(zhì)對芳烴裝置經(jīng)濟效益影響及對策[J].當代石油石化，2010(08): 32-34.圖3預測數(shù)據(jù)仿真結(jié)果[7] 吳春輝.浮法玻璃熱端生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)設計及關(guān)鍵參數(shù)軟測量[D].上海:華東理工大學,2010.在圖3中,Tru為芳潛含量的實際值;RBF為[8] SJIOBERG J. LJUNG L. Overtraining. Regulaization and預測值,根據(jù)圖3可以看出,模型的預測效果較好，Searching for a Minimum， with Application to Neural能夠在指定的誤差范圍內(nèi)預測芳潛含量的值,達到Network [J]. Intermational Journal of Control, 1995, 62(06): 1391- 1407.了期望的預測結(jié)果。[9]王愷， 楊巨峰,王立,等.人工神經(jīng)網(wǎng)絡泛化問題研究綜述筆者成功建立起來的模型要進行定時校正,即在[J].計算機應用研究,2008,25(12): 3525 - 3533.運用-段時間后要用新的數(shù)據(jù)進行建模，以適應新模[10] 沈雁鳴， 粗汽油干點軟測量研究[D].上海:華東理工大型在新環(huán)境下能準確地預測芳潛含量。對于不同化學,1998.(上接第31頁)[7] YAG K. Coal Chenical Industry Cold state Semi entity[10] 朱本啟,裴學國， 豐中田,等.德士古水煤氣制甲醇與焦爐氣Simulation Training System Design and Implementation制甲醇的比較[J]化工催化劑及甲醇技術(shù),2009(02):[C]//2012 Second International Conference on Inelligent17- 22.System Design and Engineering Applcation ( ISDEA).[11] 呂運江,王冬,趙紹民. 德士古煤氣制甲醇工藝淺析[J].中.Washington DC: IEEE. Computer Society, 2012.氮肥2004(05): 9-11.[8]李良元. 高職學院校內(nèi)實訓教學模式的發(fā)展趨勢[J].武漢[12] 劉懷祥. 德士古煤氣化技術(shù)改造的思路及存在的問題探討工程技術(shù)職業(yè)學院學報,005, 17(01): 74-77.[].內(nèi)蒙中國煤化工.[9] 于萬成，王桂蓮,劉瀟敏.基于模擬工廠教學模式的探討 [13] 王旭賓CNMHG[J]化工催化劑[].中國職業(yè)技術(shù)教育,2012(08): 45- 48.及甲醇技術(shù),2004(01): 4-8