基于實(shí)時(shí)智能平臺(tái)的萃取提純過程仿真系統(tǒng)開發(fā)

鄒志云，孟磊，朱文超，于蒙

(國(guó)民核化生災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102205)

隨著化工過程建模以及信息技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用已在化工生產(chǎn)過程中日漸普及。其能更方便、更經(jīng)濟(jì)和更安全地培訓(xùn)化工生產(chǎn)操作人員，更高效地訓(xùn)練、評(píng)判并提高工藝操作人員的操作技能，輔助分析、診斷和發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程操作中的問題，已成為現(xiàn)代化工生產(chǎn)過程不可或缺的工具系統(tǒng)。文獻(xiàn)[1—4]成功開發(fā)了原油常減壓蒸餾裝置、硫酸鉀生產(chǎn)過程、芳烴吸附分離裝置及煤氣化制甲醇生產(chǎn)裝置等的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

近年來，決策支持技術(shù)[5]、視覺識(shí)別技術(shù)[6]、基于知識(shí)的仿真技術(shù)[7]以及實(shí)時(shí)智能專家系統(tǒng)[8]、圖形化建模技術(shù)[9]、知識(shí)圖譜技術(shù)[10]及增強(qiáng)學(xué)習(xí)技術(shù)[11]等人工智能技術(shù)逐漸在化工過程仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)中得到應(yīng)用。

人工智能技術(shù)在仿真系統(tǒng)開發(fā)過程中具有如下作用： 模型的知識(shí)表示、仿真中的決策制定、模型的快速原型化、仿真輸出的數(shù)據(jù)分析、模型的修改和維護(hù)等[5-11]。從而可提高表達(dá)能力，縮短模型開發(fā)時(shí)間，降低對(duì)用戶的技術(shù)要求，提高模型的執(zhí)行效率，以及增強(qiáng)系統(tǒng)的可維護(hù)性。

總之，人工智能技術(shù)能較好地實(shí)現(xiàn)知識(shí)的繼承和應(yīng)用、過程智能建模、全面的過程運(yùn)行信息識(shí)別和應(yīng)用，可較好地提高化工過程仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)水平和效率，使過程仿真培訓(xùn)系統(tǒng)更加圖形化、知識(shí)化和智能化。其中，以Gensym G2為代表的實(shí)時(shí)智能軟件平臺(tái)更能適合實(shí)時(shí)運(yùn)行的工業(yè)過程，在智能過程系統(tǒng)開發(fā)中有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[8,12-15]。

生產(chǎn)某精細(xì)化學(xué)品D3的萃取提純工藝單元過程操作工序特別復(fù)雜，有4道萃取工序，并伴隨有酸堿中和等化學(xué)反應(yīng)，以往生產(chǎn)前操作人員現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，培訓(xùn)效率較低，操作技能難以提高，甚至生產(chǎn)中曾出現(xiàn)過誤操作現(xiàn)象，造成生產(chǎn)安全問題和經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)該問題，本文基于實(shí)時(shí)智能軟件平臺(tái)G2，研究了D3萃取提純工藝過程智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)和操作評(píng)分等技術(shù)，開發(fā)了該萃取提純過程的仿真培訓(xùn)系統(tǒng),能更有效地實(shí)現(xiàn)萃取提純工藝過程的人員操作培訓(xùn)。

1 萃取提純過程及其主要數(shù)學(xué)模型

1.1 萃取提純過程

該萃取提純過程是精細(xì)化學(xué)品D3精制單元過程，由4個(gè)萃取過程步驟組成，如圖1所示。

圖1 D3萃取提純單元過程示意

圖1中，步驟1為向粗品中加入萃取劑1，分出下層水相，保留上層油相；步驟2為加入萃取劑2，分出上層油相，保留下層水相；步驟3為加入萃取劑3和萃取劑4的混合萃取劑，分出下層水相，保留上層油相；步驟4為加入萃取劑1，分出下層水相，油相去蒸餾除溶劑即得D3產(chǎn)品。

由于該萃取提純過程工藝操作復(fù)雜，容易誤操作，故需開發(fā)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)培訓(xùn)操作人員，進(jìn)行仿真操作考核。

1.2 主要數(shù)學(xué)模型

液/液分層過程是萃取提純工藝中的主要過程，是該萃取提純單元的核心過程之一。它用于分離密度不同、不溶或部分互溶的液體，其萃取分層過程如圖2所示。其中，qm——進(jìn)料量；zi——進(jìn)料組分；qmA，qmB——A，B相出料流量；mA，mB——A，B相滯留質(zhì)量；wA i，wB i——A，B相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；hA，hB——A，B相的液面高度。

圖2 液/液萃取分層過程示意

液/液萃取分層過程模型推導(dǎo)如下。

1)質(zhì)量衡算式如式(1)所示：

(1)

2)組分衡算式如式(2)所示：

(2)

設(shè)兩相液層的密度分別為ρA和ρB，則由流體力學(xué)公式可得式(3)：

(3)

式中：αA，αB——與出口閥門物理特性有關(guān)的常數(shù)，靠穩(wěn)態(tài)時(shí)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可以估算出。

根據(jù)萃取容器的幾何形狀，還可以得到式(4)：

mA=fA(hA，ρA)，mB=fB(hB，ρB)

(4)

在該仿真系統(tǒng)中，假定萃取釜的上下均勻，則關(guān)系就比較簡(jiǎn)單，如式(5)所示：

mA=ρAhAS，mB=ρBhBS

(5)

式中：S——釜的截面積。

此外，還有組分歸一的衡算式如式(6)所示：

∑wA i=1， ∑wB i=1

(6)

該萃取提純過程伴隨著反應(yīng)過程，仿真時(shí)建立的反應(yīng)過程數(shù)學(xué)模型有物料衡算方程、熱量衡算方程和反應(yīng)速率式等；還建立了儲(chǔ)槽和操作閥等的數(shù)學(xué)模型，與液/液分層過程集成構(gòu)成萃取提純過程的全套仿真模型[16-17]。

2 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與編程

以基于Windows 操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)智能系統(tǒng)開發(fā)工具軟件G2為平臺(tái)，利用其動(dòng)態(tài)建模與仿真功能來開發(fā)該萃取提純過程的仿真培訓(xùn)軟件。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)為服務(wù)器(G2 Server)加客戶端微機(jī)(Telewindows)。

2.1 軟件構(gòu)成

利用G2的人機(jī)操作畫面制作模塊G2-GUIDE，制作整個(gè)萃取提純工藝過程仿真操作的主控畫面。其中布置了仿真工藝流程圖、有關(guān)仿真培訓(xùn)按鈕及其鏈接的用戶操作界面、類定義的Workspace和仿真模型運(yùn)行Workspace等。該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)軟件構(gòu)成如圖3所示。

圖3 D3萃取提純過程仿真培訓(xùn)系統(tǒng)軟件構(gòu)成示意

圖3中，仿真操作界面軟件和工藝模型求解軟件組成了該系統(tǒng)軟件的核心。前者不僅提供了友好的人機(jī)操作界面，而且融合了強(qiáng)大的操作培訓(xùn)功能及相關(guān)的動(dòng)畫功能，為培訓(xùn)人員提供了一個(gè)良好的、和現(xiàn)場(chǎng)操作過程相近的仿真操作環(huán)境。而工藝模型求解軟件質(zhì)量的高低則直接影響到仿真培訓(xùn)效果的好壞。

2.2 主要功能和技術(shù)指標(biāo)

該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要功能包括： 開、停車功能，快門存儲(chǔ)、調(diào)出功能，時(shí)標(biāo)設(shè)定功能(快速、正常、慢速3檔)，主要參數(shù)的曲線記錄功能，報(bào)警顯示功能，事故設(shè)定功能，成績(jī)自動(dòng)評(píng)定功能。

主要技術(shù)指標(biāo)： 在要求的計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中能流暢地運(yùn)行該軟件；提供友好的操作界面；完成萃取提純過程的操作培訓(xùn)功能；仿真操作流程圖和實(shí)際工藝流程圖相一致；主要參數(shù)的仿真結(jié)果及動(dòng)態(tài)誤差、靜態(tài)誤差符合工藝操作要求；仿真操作步驟和要求符合萃取提純過程工藝操作規(guī)程。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1類的定義

類是具有相同屬性和服務(wù)的一組對(duì)象的集合。G2中的對(duì)象類以一個(gè)強(qiáng)有力的直覺的方式來代表應(yīng)用系統(tǒng)中的物理的和抽象的部件。G2中面向?qū)ο蟮拈_發(fā)能力可實(shí)現(xiàn)歸并來自以前應(yīng)用系統(tǒng)中的模塊和對(duì)象、定義對(duì)象以及它的特性和動(dòng)作行為、通過復(fù)制現(xiàn)存的對(duì)象來建立新的對(duì)象。因此，定義好類是G2開發(fā)的最基礎(chǔ)也是最關(guān)鍵的工作。

該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)中定義的對(duì)象類以及它們的繼承關(guān)系見表1所列。

表1 定義的對(duì)象類及其繼承關(guān)系

2.3.2圖形用戶界面的設(shè)計(jì)

D3萃取提純過程仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主界面如圖4所示，其中的工藝流程圖是根據(jù)定義的類，利用G2中Object Definition菜單的Create instance命令設(shè)計(jì)。

圖4 D3萃取提純過程仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主界面示意

仿真培訓(xùn)系統(tǒng)運(yùn)行期間，用戶通過該界面監(jiān)控主要工藝參數(shù)的變化情況，包括仿真運(yùn)行的時(shí)間，萃取釜內(nèi)的壓力、液體體積及釜內(nèi)液面高度的顯示，各個(gè)閥的開關(guān)狀態(tài)和開度。另外，用戶可以通過點(diǎn)擊界面中的命令按鈕來控制仿真運(yùn)行過程和調(diào)節(jié)參數(shù)，而且可以看到實(shí)時(shí)的曲線顯示和仿真培訓(xùn)的成績(jī)。命令按鈕有： 開車按鈕、暫停按鈕、停車按鈕、曲線顯示按鈕、事故報(bào)警按鈕和畫面調(diào)節(jié)按鈕。

圖5是閥門調(diào)節(jié)的組合畫面，標(biāo)尺上的刻度表示閥門的開度，通過調(diào)節(jié)滑塊可調(diào)節(jié)其所控制的閥門的開度。

圖5 閥門調(diào)節(jié)組合畫面示意

以V4閥門的控制來說明滑尺的定義?；叩幕瑒?dòng)能夠控制閥門的開度是通過編輯Target Object & Attribute來實(shí)現(xiàn)的，在Target Object中指定對(duì)象名為V4，在Target Attribute指定目標(biāo)屬性為VALVE-EXTENT，通過這些定義，滑尺的滑動(dòng)就和閥門的開度聯(lián)系起來了。

2.3.3仿真培訓(xùn)成績(jī)的評(píng)定

采用三段加權(quán)求和法打分，該方法是將評(píng)分劃分為三大類：

1)步驟分。操作步驟必須符合操作規(guī)程，如果出現(xiàn)了步驟顛倒或操作遺漏，視操作影響程度扣分。

2)報(bào)警分。凡是在仿真操作中導(dǎo)致報(bào)警，程序自動(dòng)扣分，并按報(bào)警嚴(yán)重程度確定扣分，多次出現(xiàn)同一報(bào)警累積扣分。

3)質(zhì)量分。仿真軟件對(duì)決定操作質(zhì)量的過程變量進(jìn)行跟蹤檢查。在評(píng)定成績(jī)的時(shí)刻，按變量與設(shè)計(jì)值的偏差是否在允許范圍內(nèi)計(jì)分。

學(xué)員的最終成績(jī)?nèi)∫陨?種分?jǐn)?shù)的加權(quán)平均值或平均值。仿真培訓(xùn)評(píng)分系統(tǒng)成績(jī)計(jì)算模型如下：

S=WS·SS+WQ·SQ+WA·SA

(7)

(8)

式中：S——學(xué)員培訓(xùn)的總成績(jī)；SS——學(xué)員培訓(xùn)的操作步驟成績(jī)；SQ——學(xué)員培訓(xùn)的操作質(zhì)量成績(jī)；SA——學(xué)員培訓(xùn)的事故報(bào)警成績(jī)；SSi——學(xué)員培訓(xùn)第i項(xiàng)操作步驟成績(jī)；SQi——學(xué)員培訓(xùn)第i項(xiàng)操作質(zhì)量成績(jī)；SAi——學(xué)員培訓(xùn)第i項(xiàng)事故報(bào)警成績(jī)；WS——學(xué)員培訓(xùn)的操作步驟成績(jī)?cè)诳偝煽?jī)中的權(quán)重；WQ——學(xué)員培訓(xùn)的操作質(zhì)量成績(jī)?cè)诳偝煽?jī)中的權(quán)重；WA——學(xué)員培訓(xùn)的事故報(bào)警成績(jī)?cè)诳偝煽?jī)中的權(quán)重。

2.3.4萃取釜1的仿真案例分析

在G2中要對(duì)一個(gè)對(duì)象模擬，首先要定義通用的仿真公式，在G2中稱為generic-simulation-formula，例如： State variable： d/dt(the volume of any tank)=the flow of the pump connected at the input of the tank — the flow of the pump connected at the output of the tank, with initial value 10.0。

這個(gè)公式就在G2中表示微分方程，為了計(jì)算any tank的體積，G2使用歐拉法或龍格庫(kù)塔法來求這個(gè)微分方程的積分。在G2中求積分的方法一般是歐拉法和龍格庫(kù)塔法，缺省的積分方法是歐拉法。

下面以萃取釜1為例說明模型的求解方法。萃取釜1的數(shù)學(xué)模型的核心是tank-1，tank-1有2支輸入流inlet1-flow和inlet2-flow，1支輸出流outflow分別由3臺(tái)球閥調(diào)節(jié)控制。假設(shè)釜中混合的非常均勻，則質(zhì)量平衡方程為

dV(t)/dt=qV1(t)+qV2(t)-qV(t)

(9)

dh(t)/dt=(qV1(t)+qV2(t)-qV(t))/S

(10)

qV(t)=k1·sqrt(v(t)/s)

(11)

式中：V(t)——tank-1的體積；h(t)——tank-1內(nèi)液面高度；qV1(t)和qV2(t)——輸入流量；qV(t)——輸出流量；S——釜的截面積；v(t)——球閥開度；s——球閥內(nèi)部截面積；k1——實(shí)驗(yàn)常數(shù)，在這里取值為1。

利用G2中的Generic simulation Formula可編寫出tank-1的仿真運(yùn)算式，如圖6所示。圖6中混合罐Model的定義見表2所列，其中說明微分方程的數(shù)值積分方法為歐拉法，模型作用范圍是當(dāng)前的Workspace，積分的步長(zhǎng)是0.5 s。

圖6 萃取釜1數(shù)學(xué)模型的求解示意

表2 混合罐的模型定義

Tank-1仿真啟動(dòng)運(yùn)行和停止共有兩條規(guī)則，一條規(guī)則對(duì)Tank-1無(wú)條件啟動(dòng)update-run-model 1，另一條規(guī)則命令在任一閥門的開度發(fā)生變化時(shí)，啟動(dòng)update-run-model 1。程序update-run-model 1控制Tank-1的啟動(dòng)、運(yùn)行和停止，其代碼如下：

以上就是利用G2對(duì)萃取釜1的模型求解、編程以及仿真運(yùn)行的全過程。

3 仿真運(yùn)行結(jié)果分析

采用簡(jiǎn)化的過程仿真系統(tǒng)實(shí)用評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如下：

1)變量變化的時(shí)間常數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)一致或各變量時(shí)間常數(shù)相互之間的協(xié)調(diào)關(guān)系與現(xiàn)場(chǎng)一致。

2)變量變化的趨勢(shì)正確。

3)系統(tǒng)達(dá)到正常穩(wěn)定工況時(shí)，各主要變量與設(shè)計(jì)值的偏差在指標(biāo)規(guī)定范圍以內(nèi)。

4)各變量之間相互影響的關(guān)系正確。

由于系統(tǒng)中的變量很多，可以仿真的現(xiàn)象也很多。在萃取過程中，分層液面的變化是非常重要的，在這里選擇了萃取階段1和萃取階段2中，萃取釜1和萃取釜2萃取分離相界面高度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)說明仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果。萃取釜1中液面高度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖7所示，萃取釜2中液面高度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖8所示。

在萃取階段1的實(shí)際生產(chǎn)過程中，釜內(nèi)液面高度下降的速度是越來越快，從圖7和圖8可以清楚地看出這種變化趨勢(shì)，也很好地說明了仿真的結(jié)果是比較符合實(shí)際生產(chǎn)的工況現(xiàn)象。

圖7 萃取釜1中液面高度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)示意

圖8 萃取釜2中液面高度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)示意

萃取提純過程操作成績(jī)?cè)u(píng)分記錄單示例如圖9所示，其中較詳細(xì)地記錄了操作人員的操作得分，列出了扣分清單，有利于考核培訓(xùn)效果和操作人員的操作技能，幫助他們分析操作錯(cuò)誤所在及失誤原因，對(duì)提高仿真培訓(xùn)效果具有重要作用。

圖9 操作成績(jī)記錄清單示意

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以復(fù)雜的D3萃取提純單元過程為對(duì)象，基于實(shí)時(shí)智能軟件平臺(tái)G2，研究了智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)、操作評(píng)分和編程實(shí)現(xiàn)等技術(shù)，開發(fā)了該萃取提純過程的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。實(shí)際仿真運(yùn)行結(jié)果表明，仿真培訓(xùn)系統(tǒng)工藝參數(shù)的變化與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本吻合，能準(zhǔn)確地評(píng)判操作人員的操作成績(jī)，給出扣分原因，這說明該系統(tǒng)能有效地模擬該萃取提純過程的動(dòng)態(tài)操作與運(yùn)行，對(duì)培訓(xùn)和提高工藝操作人員的操作技能、減少誤操作具有重要作用。