基于Virtools的氨合成塔模擬及虛擬系統構建

肖 武， 吳靜謐， 冉慧麗， 張永策， 李 煥， 毛金群， 賀高紅

(大連理工大學化工與環境生命學部，遼寧大連116023)

0 引言

隨著計算機技術、網絡技術、立體顯示技術、人工智能等高新技術的發展，虛擬現實技術得到了快速發展，并廣泛運用于工業仿真、技能訓練、教育等各個領域。虛擬實驗室［1-4］是虛擬現實技術在教育領域的重要應用，與傳統的實驗室相比有著快速高效、功能全、低成本、分布式等特點［3，5］，將會成為未來實驗教學的重要方式。

固定床反應器［6］是一種常用的化學反應器，具有結構簡單、操作方便、催化劑機械磨損小、選擇性高等特點，廣泛應用于化學工業及石油化學工業。由于化學反應復雜，反應物物性和反應放熱差異較大等因素，在工程應用中需要采用不同的固定床反應器模型。建立能夠準確描述化工生產過程特性的數學模型，對實現反應器合理的放大設計和優化操作有著重要的意義。

本文采用一維理想擬均相模型對氨合成塔進行模擬，基于Virtools軟件［7-13］進行模擬程序開發，以獲得氨合成塔各床高下的氨氣摩爾分數、催化床層溫度、冷管溫度等參數。在3ds Max中對氨合成塔系統進行三維建模，并將模型導入Virtools。在Virtools中通過編譯交互腳本實現數據交互和三維交互，構建三維情景化交互的氨合成塔虛擬系統，可用于化工實驗教學與操作培訓。

1 氨合成塔模擬

合成氨反應器常稱之為氨合成塔［14］，按照內冷自熱式三套管氨合成反應器探討一維擬均相數學模型。內冷自熱式三套管氨合成反應器由耐壓外筒及內件催化劑筐組成。催化劑筐內裝有鐵系催化劑，筐下方設置有外置換熱器。參數源自文獻［14］，如表1、2所示。

表1 氨合成塔參數

表2 氨合成塔催化劑參數

通過Virtools軟件中的VSL語言編寫程序得到氨合成塔的模擬結果，并與原文獻［14］進行對比，如表3所示。

結果表明:模擬數據中，除了tb的第4～7組數據誤差超過10%以外，其它模擬數據與文獻數據誤差均在10%以內。分析造成誤差較大的原因為本文在數學模型的求解方法較文獻中進行了簡化，同時參數的選定也與文獻不盡相同，如:等壓摩爾熱熔，傳熱系數等，但數據總體趨勢與文獻中保持一致。模擬數據具有一定的參考價值與利用價值，可用于虛擬系統仿真數據。

表3 氨合成塔模擬數據及文獻數據對比表

2 氨合成塔虛擬系統模型構建

2．1模型構建流程簡述

三維模型的建立是后續虛擬交互設計的基礎，模型的質量直接關系到最終作品的質量。圖1所示為模型構建的流程圖。

圖1 模型構建流程圖

氨合成反應過程中包含的設備有原料氣儲罐、壓縮機、氨合成塔、分離裝置、冷卻裝置、泵、液氨儲罐等。在充分了解真實設備，包括外觀、尺寸、結構等依據后，按照實物的屬性進行建模，再按照工藝流程圖來連接各種設備模型。實驗設備、實驗場景及外部環境的模型建立后需要優化整合，最后將3D文件以nmo格式輸出，三維模型繼續在Virtools中，進行交互設計。

2．2 虛擬設備構建

虛擬設備的構建包括1個原料氣儲罐，1個壓縮機，1個換熱器，1個合成氨塔，1個冷卻塔(示意)，1個分離塔(示意)，1個泵，1個液氨儲罐，樓梯及操作平臺的三維造型(多邊形、三角形和頂點)及其外觀處理(紋理、材質、光照、表面反射系數等)。

3ds Max是美國Autodesk公司開發的基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件［15］，為虛擬氨合成塔設備幾何模型的建立提供了良好的技術支持。在3ds Max通過旋轉建模［16-17］建立塔和儲罐的模型，通過loft放樣建模建立管道的模型，通過組合建模法建立泵、壓縮機等比較復雜設備的模型。Virtools平臺中，采用Normal Mapping和Shader等次世代圖形圖像技術進行凹凸材質、半透明材質以及反射材質的制作，使模型具有與真實物體相同的凹凸、明暗效果和透明及反射特性。虛擬設備經過貼圖后仿真度提高，三維效果逼真，如圖2～5所示。

2．3 虛擬角色和虛擬工廠環境建模

采用Polygon建模建立虛擬角色的表面模型，再使用Unwrap UVW修改器展開臉部UV坐標圖像，在Photoshop中繪制人物的臉部和衣物，然后再回到3ds Max中進行貼圖。構建的人物模型如圖6所示。

圖2 壓縮機效果圖

圖3 換熱器效果圖

圖4 原料氣儲罐效果圖

圖5 樓梯效果圖

圖6 虛擬角色模型

在實地考察的基礎上通過平面設計與繪圖，構建了逼真的工廠環境，包括:天空、草地、路面等。在整個系統三維模型的構建過程中要分清主次，全面考慮實際效果，即在系統承受的范圍內對生產設備采取細節描述，而對虛擬角色和輔助場景設計降低到能夠接受的程度即可。構建的氨合成塔虛擬系統如圖7所示。

圖7 氨合成塔虛擬系統

3 氨合成塔虛擬系統交互功能實現

3．1 氨合成塔虛擬系統數據交互

氨合成反應工段是氨合成生產過程中十分重要的部分，是氨合成的核心。為了嚴格、準確地控制氨合成工藝參數，提高生產質量和過程的自動化程度，在工廠通常對該過程采用DCS［18］進行控制。

參考工廠DCS圖，設計本研究氨合成反應工段的簡要流程，包括一個原料氣儲罐V301，一個流量控制閥，一個壓縮機，一個換熱器E301(冷卻水為冷卻介質)，一個合成氨塔R301。

在Flash軟件中繪制氨合成塔反應工段的DCS圖，如圖8所示。圖中可顯示氨分解基氣體流量FR301，反應壓力 P301，催化床層溫度 Tb301、Tb302、Tb303、Tb304、Tb305、Tb306、Ta303、Ta304、Ta305、Ta306。制圖完成后以png格式輸出。

圖8 Flash軟件繪制的DCS控制圖

選擇模擬結果中第1、3、6、10、13、16 組的 tb、ta作為 DCS 控制圖中顯示的 Tb1、Tb2、Ta2、Tb3、Ta3、Tb4、Ta4、Tb5、Ta5、Tb6、Ta6，在主程序最后增加相應程序，為每個需要顯示數據的位置添加二維幀，編寫BB模塊。程序運行后，數據顯示在DCS圖中，如圖9所示。

3．2 氨合成塔虛擬系統三維交互

為了使構建的氨合成塔虛擬系統操作更真實，本文通過虛擬系統進行界面設計，包括虛擬系統名稱，登陸系統以及天氣顯示，界面設計如圖10所示。

圖9 合成氨工段DCS數據顯示圖

圖10 氨合成塔虛擬系統界面

設置運動控制之前將所有導出的動作賦予角色，并通過BB模塊來控制角色的動作。設置虛擬場景中障礙物的屬性，并對虛擬角色添加相應的 Building Blocks進行法陣碰撞設置。通過編輯BB模塊，實現點擊氨合成塔顯示DCS圖的功能。

通過Virtools構建的氨合成塔虛擬系統，實現了登錄氨合成系統，虛擬角色漫游，避開障礙物，走上樓梯，進入二層操作臺，通過點擊氨合成塔，顯示DCS圖。操作后如圖11所示。構建的氨合成塔虛擬系統沉浸感強、功能完善、交互操作逼真。

圖11 虛擬角色操作后DCS顯示的效果圖

4 結論

本文基于Virtools軟件對氨合成塔進行了模擬，并構建了氨合成塔虛擬實驗室:

(1)在Virtools中利用VSL語言對氨合成塔進行編程模擬，得到了氨合成塔內的溫度分布，且數據誤差在允許范圍內，可用于虛擬系統數據交互。

(2)在3ds Max中完成了對氨合成塔系統的模型構建。

(3)在Virtools中實現了虛擬系統的交互功能，包括:數據交互，虛擬角色漫游功能以及操作功能等，即:登陸系統后，虛擬角色可以完成在系統中行走，且不穿越裝置，上樓梯到達操作平臺，點擊氨合成塔，屏幕上顯示氨合成塔DCS圖。

本文所開發的氨合成塔虛擬系統沉浸感強，操作簡便，交互逼真，突破了實驗室在時間、空間和地域方面的限制，可用于化工實驗教學與操作培訓。

［1］ 曾令菊．基于Virtools的三維虛擬實驗的研究與實現［D］．武漢:華中師范大學信息技術系，2011．

［2］ 李昌國．基于3D和Virtools技術的虛擬實驗室架構設計［D］．成都:四川師范大學，2007．

［3］ 張 艷，樊 莉，方 秦．基于虛擬現實技術的虛擬實驗室建設［J］．科技創新導報，2008，20:36-37．

［4］ 梁宇濤．虛擬現實技術及其在實驗教學中的應用［J］．實驗技術與管理，2006，23(3):81-85．

［5］ 劉筱蘭，張 薇，程惠華，等．虛擬實驗室的類型及發展趨勢［J］．計算機應用研究，2004(11):8-10．

［6］ 張 濂，許志美．化學反應器分析［M］．上海:華東理工出版社，2005:128-137．

［7］ Gilbert F，Kenneth B．Chemical reactor analysis and design［M］．2nd ed．New York:JWiley，1990:475-476．

［8］ 楊 雪，闞寶朋，劉英杰．基于Virtools的大學物理網絡三維虛擬實驗的開發［J］．實驗技術與管理，2009，26(4):62-65．

［9］ 李昌國，朱福全，譚 良，等．基于3D和Virtools技術的虛擬實驗開發方法研究［J］．計算機工程與應用，2006(31):84-87．

［10］ 方利偉．基于Virtools的三維虛擬實驗室研究與實現［J］．實驗技術與管理，2010，27(5):83-86．

［11］ 羅 虹，王士勇．基于Virtools技術的虛擬教學系統的設計與實現［J］．現代教育技術，2007，10(17):57-60．

［12］ 楊炎濤，張 婷，宋 琦，等．基于Virtools的虛擬實驗系統構建［J］．實驗技術與管理，2008，25(9):92-95．

［13］ 葛 巖，楊 雪，溫 泉，等．Virtools技術在網絡虛擬實驗中的應用［J］．實驗室研究與探索，2010，29(10):201-205．

［14］ 姚平經．過程系統分析與綜合［M］．2版．大連:大連理工大學出版社，2004:88-102．

［15］ 姚 明．基于3ds Max和Virtools的油田作業操作仿真系統的研究［D］．吉林:吉林大學，2011．

［16］ 萬 寧，馮 梅．關于虛擬現實中的三維可視化建模技術［J］．應用技術，2007(1):70-72．

［17］ 神龍工作室．3ds Max8中文版入門與提高［M］．北京:人民郵電出版社，2007:159-262．

［18］ 張德江，和紅梅，孫曉暉．先進控制技術在DCS控制系統中的應用［J］．長春工業大學學報 (自然科學版)，2008，29(4):361-365．