反应釜仿真培训考核系统研发 Ｒｅａｃｔｏｒ ｓｅｍｉ－ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｒａｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ 丁志蛟，张继晟，郑建荣 ＤＩＮＧ Ｚｈｉ－ｊｉａｏ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉ—ｓｈｅｎｇ，ＺＨＥＮＧ Ｊｉａｎ．ｒｏｎｇ （华东理工大学机械与动力工程学院，上海２００２３７） 摘 要：反应釜作为承压类特种设备，由于其具有相当的危险性，对操作人员的操作要求较高。根据 国家相关规定，操作人员需通过考试持证上岗，而传统的培训ｌ方法都只是口头传授和试卷考 试，不能做到对操作人员的全面培训Ｉ和考核。以反应釜为研究对象，采用半实物仿真的方 法，通过对反应釜建立近似的数学模型，模拟仿真反应釜真实的运行状态，再通过ＶＢ编程， 研究开发了一套反应釜培训Ｉ考核的系统。本系统能够集培训Ｉ、考核和数据库于一体，同时做 到实物操作和理论试题的结合，并给予最终评分，使学员能够在身临其境中掌握反应釜的实 物操作。 关键词：半实物仿真系统；反应釜；数学模型；培训ｌ考核 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ００９—０１ ３４（［２０１ ５）０６（下）一００５１～０４ Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１ ５．０６（下）．１ ５ ０引言 反应釜作为承压类特种设备，广泛应用于化工、炼 对象的方法，进行模块化编程。设计人机交互界面，建 立数学模型，构建数据库等。 油、冶金、轻工等工业部门，由于其涉及到高压高温、 易燃易爆、有毒气体等，具有很大的危险性。近年来由 于操作失误引起的事故越来越多，造成了大量的人员伤 亡和财产损失。根据中华人民共和国《特种设备作业人 员监督管理办法》规定：从事特种设备作业的人员应当 １．１物理效应设备 物理效应设备是半实物仿真系统可操作部分，可 将真实的物理量与仿真模型中的数字量相互转换，使实 物装置能够与计算机仿真同步进行。本系统以反应釜原 始比例的模型作为物理效应设备，主要包括各类阀门开 关、仪表显示、搅拌电机、管路系统等。对其阀门开关 按照本办法的规定，经考核合格取得《特种设备作业人员 证》，方可从事相应的作业或者管理工作。因此对于反应 釜操作人员的培训和考核是避免事故发生的首要环节。 然而传统的特种设备（包括反应釜）培训考核都是 纸质或口头，考试内容主要是理论考试，没有做到对学 员的实际操作步骤的考核。这就造成了很多拿到作业证 等进行电信号改装，在原来阀门的基础上加装电感式接 近开关，当手动操作阀门时，电感式接近开关即可输出一 个开关量信号，作为计算机的输入信号。压力表、液位计 等仪表显示作为模拟量输出元件，采用自行研制的单片机 系统驱动压力表指针和液位计发光二极管的显示。 的人员，只具备理论知识，不具有实际操作经验，很容 易引起安全事故。究其原因，主要是反应釜等特种设备 另外为了构建逼真的仿真环境，物理效应设备中加 入音响系统，可模拟反应釜运行时的各种声音。 本身就具有危险性，不适合新学员进行操作学习。 针对这一问题，本文以反应釜作为研究重点，结 １．２数据采集和处理模块 数据采集和处理模块采用基于微处理器的方式， 完全自主开发数据采集处理系统。主要负责接收物理效 合计算机仿真技术，研究开发反应釜的仿真培训考核系 统。要做到对学员的实物考核的培训和考核，必然要有 实物操作，因此本文重点之一是研究半实物仿真系统的 构建。本文的另一个重点是对反应釜模型的研究，以达 到模拟仿真的效果。 应设备上的各类操作和传感元件的操作信号，即输入信 号。数据采集处理系统将输入经调理转换后，发送至上 位客户端。仿真系统将仿真结果送回数据采集处理系统， 控制对应的结果输出到物理效应设备的显示仪表上。 数据采集和处理模块主要包括ＭＣＵ芯片、开关量 １半实物仿真系统的构建 半实物仿真培训系统的设计主要从硬件和软件两部 分着手。硬件部分包括物理效应设备、数据采集和处理 模块、计算机。软件部分基于ＶＢ编程语言，采用面向 收稿日舅：２０１５－０２－１２ 输入和输出，模拟量的输入（ＡＤ）和输出（ＤＡ）。此 外，增设隔离通讯模块，与ＭＣＵ采用ＲＳ４２２进行通讯， 隔离模块通过ＵＳＢ与计算机进行串口通讯。 作者简介：丁志蛟（１９８８一），男，山东青岛人，工学硕士，研究方向为虚拟样机技术。 第３７卷第６期２０１５－０６（下） 【５１】 ２仿真系统模型 ２．１反应釜建模分析 如图１所示，为反应釜模型。气相或液相物料由进 料阀进入反应室，反应生成物可能为气相、液相或气液 相混合物，反应性质可能为放热、吸热或恒温反应，液 相反应生成物由出料阀排出，气相反应生成物由排气阀 ２．２反应釜液位模型 将反应釜液位模型简化为图２所示，液相由进料／进 水阀进入反应室，由出料，排液阀排出。 排出。反应釜通过夹套中冷源介质或热源介质进行温度 控制，冷却阶段，冷源一般为冷却水，在夹套循环回路 进入的液相ｐ４，Ｈ 中由夹套下阀进入夹套，由夹套上阀流出；在加热阶 段，热源一般为饱和蒸汽，在夹套循环回路中由夹套上 阀进入夹套，从夹套下阀排出。 ５ ６ ７ ４ １．夹套压力表旋塞：２．夹套安垒阔Ｖｎ；３．夹套压力表Ｐ２；４．捧气闷Ｖ３；５．进科／进水阀Ｖ ６．搅拌电机Ｍ；７．釜内安全阀ｖ．．：８．釜内压力表Ｐ ；９．釜内压车表旋塞：１０．反应室： １１．夹套上阀Ｖ．；ｌ２．搅拌浆；１３．夹套：ｌ４．出料，捧液阁Ｖ，；ｌ５．夹套下罔Ｖ 图１反应釜示意图 为简化系统模型，做如下基本假设：１）所涉及液 相为不可压缩流体且忽略温度影响，即密度不随温度、 压强变化；２）所涉及气相为理想气体，即在任何情况 下都严格遵守气体三定律；３）进出料时，气相、液相 按一定比例平稳进入或离开反应室；４）理想混合流动 模型：由于强烈搅拌，反应釜内物料质点返混程度为无 穷大，所有控件位置物料的各种参数完全均匀一致。反 应物料以稳定的流量进入反应釜，刚进入反应釜的新鲜 物料与存留在其中的物料瞬间达到完全混合，而且出口 处物料性质与反应釜内完全相同； 为简化公式，下文所涉及的物质的密度和摩尔质量 ＾ 均为混合物的平均密度和平均摩尔质量，即Ｐ＝ 争， 厶 单位；￣ｋｇ／ｍ ，其中ｐｊ为混合物中各组分的密度，Ｖ｜为混 合物中各组分的体积；Ｍ：∑ ｘ ，单位为ｋｍｏｌ，其中Ｘ 为混合物中各组分的摩尔分数，单位为ｋｇ／ｋｍｏｌ。 【５２】 第３７卷第６期２０１５－０６（下） 液相ｐＬ， ， ｎ Ｂ 排出的液相 Ｖ５ 图２反应釜液位模型示意图 忽略液相和气相密度的变化，假设液相和气相的平 均密度分别为ｐ￡和ｐＧ，反应室的高度和横截面积分别 为Ｈ和Ａ。设ｔ时刻反应室内液位的高度为ｈ（ｔ），进料，进 水阀和出料，排液阀的质量流量分别为ｗ （ｔ）和ｗ ５（ｔ）。 由液相质量衡算：考虑任意微小时间段【ｆ，ｔ＋Ａｔ】，液相 质量的变化＝进料中液相的质量一出料量．反应掉的液相 质量，如式（１）所示。 ［＾（ｆ＋△ｆ）一＾（ｆ）］ ＝［ｙ・ （ｆ）‘Ｄ４（ｆ）一 ｓ（ｆ） … ．Ｄ５（ｆ）一ｘ・ （ｆ）・ （ｆ）］・△ｆ 式中，Ｄ （ｔ），Ｄ （ｔ），为进料，进水阀和出料，排液阀的 阀门状态，阀门打开时＝ｌ，阀门关闭时＝０；Ｗ （ｔ）， Ｗｓ （ｔ）为进料，进水阀和出料／排液阀的质量流量，根据需 要的系统仿真速度，可取不同的常数，ｋｇ／ｓ：ｘ为反应过 程中液相与气相的转化率，范围【０．１】；ｙ为进料时液相所 占物料的百分比，范围【０．１】；ｒｐ（ｔ）为ｔ时刻的反应速率。 为了实现计算机仿真，将微分方程离散化，根据微分 方程离散化方法中的反向差分公式，，ｃ为时间常数。 ｄＩ 二 ｔ ｒ ｆ 将公式（２）代入式（１）可得反应釜液位模型的递 推式： 厂 １ ］ ＋， ＋ｆ （ｙ。 Ｄ４一Ｗｓ ‘ ）－Ｘ＂ｒｐ． ｌｒ（３） 式中，ｈ 为当前水位，ｍ；ｈ。为前一周期水位，ｍ。 ９ ２．３反应釜内压力模型 式中，Ｑ 为反应釜的热负荷，ｋＪ／ｓ；Ｃ４为进入反应 假设反应釜内的气相为理想气体，其状态方程的微 釜流体的比热容，ｋＪ（ｋｇ．℃）；Ｔ ，Ｔ】，ＴＲ为环境、夹套和 分形式如式（４）所示。 １ 反应釜的温度，℃；ｕ为总传热效率，Ｕ 丽；ｈ ＋ 一盟一盟：０ （４） ＰＧ ｍＧ 为传热膜系数； 为与批次有关的杂质因数；Ａ 为夹套 式中，ｐ。为反应釜内气相的压强，ＭＰａ；Ｖ。为反 传热面积，Ｉｌｌ ；ｆＵＡｊ）ｔｏ￣为夹套每单位温度的热损失速 应釜内气相的体积，ｍ ；ｍ。为反应釜内气相的质量， 率，为一常数，ｋＷ／Ｓ・℃；Ｑ （ｔ）为为反应放热速率， ｋ譬； 为反应釜内气相的温度，Ｋ。 根据质量衡算有：气相质量变化＝进料中气相的质 Ｑ瑚（ｔ）＝一 ・ （ｆ），ｋＪ／Ｓ；一 为反应热焓，ｋＪ／ｍｏｌ。 量＋反应生成的气相量．排气量，其表达式如式（５）。 夹套平均温度Ｔ沩夹套进口与出口温度的平均值， ＥＰＴＪ＝（Ｔ１＋Ｔ２）１２ 反应釜壁温度Ｔｗ为反应釜内温度与夹 ：（１一 ）・ （ｆ）．Ｄ４（ｆ）＋ ・ （ｆ）・Ｐ ＾（ｆ）一 ，（ｆ）・Ｄ３（ｒ）（５） 套温度的平均值，即Ｔｗ＝（ＴＲ＋Ｔｊ）／２。 式中，Ｄ （ｔ）为排气阀的阀门状态，打开时：１，关闭 由于反应的热量是由夹套提供的，因此，夹套的出 时＝０：Ｗ （ｔ）为排气阀的质量流量，根据需要的系统仿 口温度Ｔ （ｔ）和入口温度Ｔ 同样遵循能量守恒，如式（１０） 真速度，可取不同的常数，ｋｇ／ｓ。 所示。 如图２所示，反应室内气相体积如式（６）所示。 （ｆ） ［ （ｔ＋Ａｔ）－Ｔ２（ｆ）］ ： ：ｌｉｍ［ ±垒１２二 （６） ＝ ．（ｆ）ｃＪ［ （卜 ）一 ］Ｄｌ（ｆ）＋ （ 一 ）（１ｏ） ｄｔ Ａｔ－￣Ｏ Ａｔ 将式（４）并转换为微分方程形式如式（６），代入式 式中，ｗ 。（ｔ），ｗ ：（ｔ）为夹套上阀和夹套下阀的质量流 （５）、式（６）并进行离散化后的反应釜内压力仿真模型的 量，ｋｇ／ｓ：Ｃｊ为夹套内流体的比热容，ｋＪ，（ ・℃）；ｏ １为夹 递推式如式（８）所示。 套与传热回路的时滞，Ｓ。 誓 【 ，誓＋去，鲁一 ‘鲁］ ｃ７ ３仿真系统软件实现 反应釜仿真培训系统基于ＶＢ编程语言，采用面向 卜 ＋警一 ］ ㈣ 对象的方法，进行模块化编程。设计人机交互界面，建 一 立数学模型，构建数据库等。 ２．４反应釜温度模型 因为这是～套培训考核系统，软件基本结构应该包 反应釜内的热量是由夹套冷热源（饱和蒸汽或冷 含如下几个基本模块：题库管理模块、培训模块、考核 却水）以及反应中的吸热或放热决定的，根据能量守恒 模块、反应釜模型模块、操作评分模块、数据库和数据 定律，进行热量衡算：单位时间内，反应釜内热量变化 库管理模块、硬件检测模块、通讯接口模块、信息设置 量＝进入反应釜内流体所放出的热量＋夹套提供的热量 模块以及辅助模块等。根据各个模块间的关系，软件基 （或．夹套吸收的热量）＋反应放出的热量（或一反应吸 本结构设计如图３所示。 收的热量），其表达式如式（９）所示。 在对各个模块进行编程后，按照触发过程中的系统 （ｆ＋ ）一 （ｆ） （ｆ）ｃ４ 一 （ｆ））。Ｄ４（ｒ） ｆｑ、 仿真模型，对各个模块进行合成，其程序运行的主框 ＋ （ （ｆ）一 （ｆ））一（ ） （ （ｆ）一 ）＋Ｑ肋（ｆ） 图如图４所示。 一一一－－－…计算【机软件系统…一一一一…一 图３仿真系统软件结构图 第３７卷第６期２ｏ１５－０６（下） 【５３】