反应精馏智能工厂模拟测试系统及开发方法

1.本技术涉及三维仿真模拟和工业操作系统领域，尤其涉及一种基于工业操作系统的反应精馏智能工厂模拟测试系统及开发方法。


背景技术：

2.工业的转型升级正成为全球经济发展新一轮的竞争焦点，通过运用云计算、大数据、物联网、人工智能等新技术引领工业生产方式的变革，拉动工业经济的创新发展。随着信息技术的快速发展，国内外相关研究机构通过深入探究流程工业智能制造过程，开发流程工业领域工业操作系统app模块，用来满足流程企业在安全环保、节能降耗、质量控制、生产协同等特定工业场景的应用需求。
3.反应精馏过程作为典型化工生产过程，在化工企业广泛使用，其不仅涉及高危或极端的环境，且生产过程动态特性复杂多样，反应精馏过程控制系统设计、参数整定、性能评估等环节不仅直接影响整个生产过程产品质量、节能减排等经济指标，而且对于保证系统安全生产稳定运行至关重要。


技术实现要素：

4.本技术针对典型危险工艺的复杂控制反应精馏系统过程，提出一种基于工业操作系统的反应精馏智能工厂apps模拟测试系统。本技术的技术方案如下：
5.第一方面，本技术实施例提供了一种基于工业操作系统的反应精馏智能工厂模拟测试系统，其特征在于，包括：
6.实验模型模块，包括模拟反应精馏全过程的动态模型和实验对象实例；其中，所述动态模型为在工业操作系统的架构下基于反应精馏过程的数学模型得到的；所述动态模型通过所述实验对象实例的对象属性获取输入数据；
7.三维仿真模块，包括模拟反应精馏过程的三维虚拟仿真工艺模型和关系型数据库，其中，所述三维虚拟仿真工艺模型包括设备仿真模型、控制器、工厂模型、虚拟环境；所述三维虚拟仿真工艺模型以网页组件的形式嵌入到基于工业操作系统开发的模拟测试系统的平台中，所述控制器采用pid控制算法，所述控制器的输出为所述三维虚拟仿真工艺模型中阀门的阀门开度；所述关系型数据库用于存储所述三维虚拟仿真工艺模型的相关数据；
8.数据交互模块，通过三维仿真模块的api接口实现所述实验模型模块和所述三维仿真模块之间的数据交互；
9.其中，所述三维虚拟仿真工艺模型的控制器的输出结果通过所述数据交互模块保存在所述实验对象实例的对象属性中。
10.第二方面，本技术实施例提供了一种基于工业操作系统的反应精馏智能工厂模拟测试系统的开发方法，其特征在于，包括：
11.s1，基于工业操作系统架构搭建反应精馏智能工厂模拟测试系统的系统平台；
12.s2，三维端创建，包括通过unity3d分别创建系统模块控件和系统ui界面，搭建模拟反应精馏过程的三维虚拟仿真工艺模型，所述三维虚拟仿真工艺模型包括设备仿真模型、控制器、工厂模型、虚拟环境，所述控制器采用pid控制算法，所述控制器的输出为所述三维虚拟仿真工艺模型中阀门的阀门开度；
13.s3，获取反应精馏过程的数学模型，并通过工业操作系统的大数据模块根据所述数学模型得到反应精馏全过程的动态模型，其中，所述动态模型通过实验对象实例的对象属性获取输入数据；
14.s4，将所述三维端创建的系统模块控件、系统ui界面和三维虚拟仿真工艺模型发布web版本，以网页组件模块形式通过工业操作系统嵌入到所述系统平台；并创建api接口供外部调用；
15.s5，基于所述三维虚拟仿真工艺模型、动态模型和获取的反应精馏实验控制过程的实时数据，实现对反应精馏智能工厂模拟测试系统的系统测试，其中，所述系统测试包括参数整定、性能指标确认和监控报警。
16.基于上述技术方案，本技术本专利融合三维虚拟仿真建模、工业操作系统、大数据分析技术实现反应精馏生产单元动态流程模拟，提供兼具灵活性和真实性的数据，以及多种应用场景和测试环境,为工业智能系统性能提供了更接近实际的模拟测试平台。
17.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
18.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理，并不构成对本技术的不当限定。
19.图1是根据本技术实施例的反应精馏智能工厂模拟测试系统的架构图。
20.图2是根据本技术实施例的基于工业操作系统的反应精馏智能工厂模拟测试系统的开发方法的示意性流程图。
21.图3是根据本技术实施例的反应精馏智能工厂模拟测试系统的测试平台的框图。
22.图4是根据本技术实施例的反应精馏智能工厂模拟测试系统的三维仿真模块的架构图。
23.图5是根据本技术实施例的反应精馏智能工厂模拟测试系统的测试开发框架图。
24.图6是根据本技术实施例的反应精馏智能工厂模拟测试系统的实现流程图。
25.图7是根据本技术实施例的工业操作系统实验模型架构图。
26.图8是根据本技术实施例的反应精馏智能工厂模拟测试系统的的构建内容示意图。
27.图9是根据本技术实施例的反应精馏智能工厂模拟测试系统的平台页面显示示意图
具体实施方式
28.为了使本领域普通人员更好地理解本技术的技术方案，下面将结合附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
29.需要说明的是，本技术中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
30.ui(user interface，用户界面)是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。用户界面是介于用户与硬件而设计彼此之间交互沟通相关软件，目的在使得用户能够方便有效率地去操作硬件以达成双向之交互，完成所希望借助硬件完成之工作，用户界面定义广泛，包含了人机交互与图形用户接口，凡参与人类与机械的信息交流的领域都存在着用户界面。
31.unity3d一般指unity(游戏引擎)，unity是实时3d互动内容创作和运营平台。包括游戏开发、美术、建筑、汽车设计、影视在内的所有创作者，借助unity将创意变成现实。
32.webgl(web graphics library，网络图形库)是一种3d绘图协议。
33.本技术实施例，针对多单元反应与分离生产过程以及反应精馏强化过程，基于严格的动力学过程模型和实际的工业设计数据，利用流程模拟技术对a b
→
c理想物系和醋酸甲酯水解实际反应精馏生产对象，模拟不同工艺条件下的真实生产场景，建立完备的复杂控制虚拟仿真应用与测试平台，使高危险、不可及或不可逆的操作、高成本、高消耗、大型或综合训练等可以安全地进行。
34.本技术实施例提供了一种基于工业操作系统的反应精馏智能工厂模拟测试系统，如图1所示，所述测试系统包括实验模型模块、三维仿真模块和数据交互模块，
35.实验模型模块，包括模拟反应精馏全过程的动态模型和实验对象实例；其中，所述动态模型为在工业操作系统的架构下基于反应精馏过程的数学模型得到的；所述动态模型通过所述实验对象实例的对象属性获取输入数据；
36.三维仿真模块，包括模拟反应精馏过程的三维虚拟仿真工艺模型和关系型数据库，其中，所述三维虚拟仿真工艺模型包括设备仿真模型、控制器、工厂模型、虚拟环境；所述三维虚拟仿真工艺模型以网页组件的形式嵌入到基于工业操作系统开发的模拟测试系统的平台中，所述控制器采用pid控制算法，所述控制器的输出为所述三维虚拟仿真工艺模型中阀门的阀门开度；所述关系型数据库用于存储所述三维虚拟仿真工艺模型的相关数据；
37.数据交互模块，通过三维仿真模块的api接口实现所述实验模型模块和所述三维仿真模块之间的数据交互；
38.其中，所述三维虚拟仿真工艺模型的控制器的输出结果通过所述数据交互模块保存在所述实验对象实例的对象属性中。
39.本技术实施例的测试系统，提供了一类间歇反应器的单回路控制和反应精馏过程复杂多回路控制的虚拟现实仿真，实现生产检测与控制设备的实景再现，可以以第一视角来了解生产的工艺流程，查看现场检测仪表的结构和工作原理，也可以动手对检测仪表和调节阀等执行机构进行拆卸和组装。
40.对应上述基于工业操作系统的反应精馏智能工厂模拟测试系统，本技术实施例还提供了基于工业操作系统的反应精馏智能工厂模拟测试系统的开发方法。如图2-9所示，所
述开发方法可以包括如下步骤。
41.s101，基于工业操作系统架构搭建反应精馏智能工厂模拟测试系统的系统平台。
42.其中，系统平台在页面上称为反应精馏智能工业apps测试平台。
43.在本实施例中，工业操作系统架构选择的是supos工业操作系统，可以通过图表、表单、控件、图元及自定义控件等以拖、拉、拽的方式进行排版组合、样式设计、绑定数据开发工业app页面组态，通过对象属性的在线配置实现控件的可视化定义。
44.该系统平台可以提供工业app页面组态开发所需的图表、表单、控件、图元等控件，支持通过属性的在线配置实现控件的可视化定义，支持交互事件、数据内容的联合绑定，满足流程监控、在线报表、工作流管理、趋势图分析等设计要求。
45.s102，三维端创建，包括通过unity3d分别创建系统模块控件和系统ui界面，搭建模拟反应精馏过程的三维虚拟仿真工艺模型，所述三维虚拟仿真工艺模型包括设备仿真模型、控制器、工厂模型、虚拟环境，如图3所示，所述控制器采用pid控制算法，所述控制器的输出为所述三维虚拟仿真工艺模型中阀门的阀门开度；
46.在一实施例中，搭建模拟反应精馏过程的三维虚拟仿真工艺模型，包括：
47.基于对反应精馏生产过程的工艺分析，通过unity3d进行三维虚拟建模；
48.对三维虚拟建模得到的所有模型进行贴图及烘焙，再将所有模型导出并转换成unity3d软件需要的格式，导入unity3d引擎中进行虚拟装配系统创建。
49.举例而言，搭建反应精馏生产过程的三维虚拟仿真工艺模型，包括构建反应器、精馏塔、仪表等设备仿真模型，将设备仿真模型搭建到工厂模型中，并调整至适当大小与位置，并对所有模型进行贴图及烘焙；再将所有三维虚拟仿真工艺模型导出并转换成unity3d软件需要的格式，导入unity3d引擎中进行虚拟装配系统创建。
50.三维虚拟仿真工艺模型(也称为三维仿真模型)基于mysql数据库通过业务逻辑程序和交互程序进行数据的读取和写入。
51.pid控制算法是基于反应精馏过程的数学模型得到的。
52.本技术实施例提供的基于工业操作系统的反应精馏智能工厂apps模拟测试平台。所述平台通过三维虚拟设计展示设备原视觉效果；包括流程工业典型操作单元反应器、精馏塔生产过程控制；还包括主要设备、管道、工厂布置、调节控制方案与操作；包括检测仪表选型，调节阀的气开气关作用方式和工作流量特性。
53.本实施例中，ui前端开发面向真实工程的三维工艺流程模型及操作环境，通过三维绘画技术，成像技术以及c#语言开发交互功能。结合c#编程设计，开发相关的系统模块控件以及系统ui界面。
54.一种实现方式，系统ui界面的ui基础控件(即根类)以canvas(画布)为根类，参数设置包括position(位置)、rotation(旋转)、scale(缩放)，以及anchors present(锚点)等。所有ugui控件可选择在此根类上绘制，例如，界面中的text(文本)控件、image(图像)控件、和button(按钮)控件。按钮被点击后，会触发下一条指令。
55.s103，获取反应精馏过程的数学模型，并通过工业操作系统的大数据模块根据所述数学模型得到反应精馏全过程的动态模型，其中，所述动态模型通过实验对象实例的对象属性获取输入数据。
56.可以理解，在工业操作系统supos的实验管理提供了实验模型管理的平台，用于对
实验模型进行统一管理。
57.在一实施例中，如图7所示，所述获取反应精馏过程的数学模型，并通过工业操作系统的大数据模块根据所述数学模型得到反应精馏全过程的动态模型，包括：
58.基于反应过程动力学模型和精馏塔cesh机理模型，将反应精馏过程的数学模型通过软件代码编写形成功能模块，并在所述系统平台中封装成自定义组件；
59.基于自定义组件，在工业操作系统的实验管理中搭建从输入到输出的反应精馏全过程的第一模型；
60.获取模型输入和训练集，通过所述系统平台运行所述第一模型得到模型结构，其中，所述模型输入为反应精馏工艺过程涉及阀门的阀门初始开度，所述训练集包括反应精馏工艺过程涉及的多个参数；
61.发布所述模型结构得到实验模型，定义实验模型为一个实验任务，设置实验任务运行数据个数限制以及时间间隔，在实验任务中反复运行实验模型，得到动态模型。
62.完成上述步骤后，动态模型就可以持续的在工业操作系统中进行跑动。
63.可选的，获取反应精馏过程的数学模型，在将所述数学模型通过python代码编写完成形成功能模块，并封装成为自定义组件。
64.可以理解，工业操作系统supos的实验管理需要先定义实验模型为一个实验任务，实验任务可以定义实验运行周期，例如每秒运行一次实验模型。在实验任务里面反复运行实验模型，运行之后相当于得到一个动态模型。根据动态模型的输入和输出，在结合所述三维虚拟仿真工艺模型的控制器输出的阀门开度，形成一个反复循环的动态过程。只是这个动态过程需要一个启动条件，通过训练集和模型输入启动该动态过程。
65.可以理解，动态模型只有输入启动条件才能在工业操作系统中跑动，实现动态计算过程。训练集和模型输入即为给出的初始输入，基于训练集和模型输入，系统平台经过初始运行之后形成动态模型。每次工业操作系统实验任务跑完，都会更新工业操作系统实验模型的输入和输出。
66.可以理解，每个工业操作系统实验对象实例(简称实验对象实例)相当于一个变量，对每个变量可以定义和赋值，例如定义温度1。工业操作系统实验对象实例相当于工业操作系统的一个数据中转站，工业操作系统实验模型中所需的实验数据都是从工业操作系统实验对象实例获取的。通过定义和赋值实验对象实例为实验对象赋予具体的意义。
67.其中，所述三维虚拟仿真工艺模型的控制器输出的阀门开度通过数据交互模块和数据交互传输到所述工业操作系统实验对象实例的对象属性中。即将阀门开度作为输入，动态模型根据阀门开度进行计算得到实验输出结果。
68.在本实施例中，将三维虚拟仿真工艺模型的控制器输出的阀门开度作为动态模型的输入，输入经过封装搭建的反应精馏过程的数学模型进行计算，输出该数学模型所得的反应精馏过程的温度、流量等参数。三维端接收动态模型的运行结果数据后，更新三维端的实验的控制模拟效果，并将更新后的控制器的输出发送至工业操作系统。
69.s104，将所述三维端创建的系统模块控件、系统ui界面和三维虚拟仿真工艺模型发布web版本，以网页组件模块形式通过工业操作系统嵌入到所述系统平台；并创建api接口供外部调用。
70.在本实施例中，将所述三维端的开发结果发布为最新的webgl版本，实现免插件的
http页面集成模式；三维端的开发结果会通过工业操作系统的网页组件嵌入到系统平台，组成完整的实验平台。
71.本实施例采用b/s架构的http网页方式，基于专用web浏览器服务器的客户端访问模式，虚拟仿真实验项目可发布为最新的webgl版本，实现免插件的http页面集成模式；用户终端使用支持webgl的网页浏览器可以直接访问反应精馏智能工业apps测试平台。
72.其中，工业操作系统供外部调用的api接口需要单独开发，所述api接口用于实现外部应用与工业操作系统的数据的实时交互。
73.s105，基于所述三维虚拟仿真工艺模型、动态模型和获取的反应精馏实验控制过程的实时数据，实现对反应精馏智能工厂模拟测试系统的系统测试，其中，所述系统测试包括参数整定、性能指标确认和监控报警。
74.测试过程中，可以在三维虚拟仿真工艺模型中输入pid参数以及设定值，将三维虚拟仿真运行计算的控制器输出的控制结果发送并保存在系统平台中相应的实验对象的对象属性中。
75.周期性地基于所述系统平台的大数据模块运行反应精馏实验过程的动态模型，计算温度、流量等参数传递给所述平台相应的对象属性中，并通过所述授权指令中携带的接口参数将参数变化反传三维虚拟仿真中。
76.这些对象属性将作为输入值被动态模型间隔一段时间读取，在动态模型中进行跑动，动态模型完成计算后输出的结果通过数据交互模块的api接口返回到三维虚拟仿真工艺模型，进而三维虚拟仿真工艺模型中的温度，流量会随之改变。三维虚拟仿真工艺模型和动态模型通过api接口实现双向输入输出的流通。
77.本技术实施例的反应精馏智能工厂模拟测试系统主要的构建内容包括：搭建反应精馏工艺的机理模型，反应精馏工艺涉及的仪器仪表选型、反应精馏实验控制系统的设计和工业过程智能化控制等。为本实施例的反应精馏智能工厂模拟测试系统的平台页面呈现。
78.本技术系统平台实现反应精馏不同操作条件下的动态测试响应过程、复杂控制参数整定、系统测试调试与安全紧急联锁等功能。本系统平台可以通过了解苯甲胺间歇反应简单控制、反应精馏过程复杂控制、醋酸甲酯反应精馏过程控制三大实验系统工艺流程，完成不同操作条件下多变量控制方案的综合型设计实验过程，如图8所示，开展反应精馏过程模型(模)、仪器仪表选型(感)、复杂控制系统(控)、智能管控app(智)多维度、多层次实验。
79.本技术的基于工业操作系统的反应精馏智能工厂模拟测试系统的开发方法，融合三维虚拟仿真建模、工业操作系统、大数据分析技术等实现反应精馏生产单元动态流程模拟，提供兼具灵活性和真实性的数据，以及多种应用场景和测试环境,为反应精馏工业智能apps系统性能提供了更接近实际的模拟测试平台。
80.本技术实施例通过系统平台的大数据模块搭建动态模型，如图3所示，进行反应精馏的数学模型搭建，以及引入经典的pid计算算法。在工业操作系统的实验管理中搭建从输入到输出的全过程模型结构，并完成实验任务的调试和发布，发布完成的实验任务需要启动，并设置运行数据个数限制以及时间间隔，完成上述步骤得到的动态模型就可以持续的在工业操作系统中进行跑动。
81.其中，反应精馏过程的数学模型包括如下表达式：
82.通过分析反应精馏全过程的内部机理，运用动量守恒、热量守恒、质量守恒、以及反应动力学原理来描述整个反应精馏过程的机理模型，建立过程的模型结构以及内在联系，并利用数学以及控制理论原理求解得到过程模型的表达式。
83.反应器为带夹套的冷却cstr,其中发生的不可逆反应表示如下：
84.a b
→c[0085][0086]
其中，rc为c的产率；ca为a在反应釜内的浓度；cb为b在反应釜内的浓度。
[0087]
假设密度恒定，反应器和夹套的动力学模型可以由四个非线性方程表示如下：
[0088][0089][0090][0091][0092]
其中，f
a0
为a物料进料流量，c
a0
反应物a浓度，f
b0
为b物料进料流量，c
b0
反应物b浓度,vr为反应器体积，d为塔顶采出流量，x
da
为a在塔顶回流中浓度,f为反应器出口流量，za为a在反应器出口流量中浓度,x
db
为a在塔顶回流中浓度，zb为a在反应器出口流量中浓度,d
vol
为塔顶回流体积流量，f
vol
为反应器出口体积流量，tr为反应器温度，t0为初始温度，tj为冷却水温度，aj为给热系数,ρ为密度，c
p
为热容量，t
cin
为进料温度，u为总传热系数，ρj为冷却水密度，cj为冷却水热容。
[0093]
各级塔板的摩尔分数计算如下：
[0094][0095][0096]
其中，mn为塔板上的摩尔持液率，l为液体流速，v为蒸汽流速，x为液体成分，y为蒸汽成分。
[0097]
假设每块塔板都达到气液相平衡，可以根据已知的相对挥发度以及液体组分计算整齐组分：
[0098][0099]
在本实验中，取αa，αb，αc分别为3,1.5,1。
[0100]
回流罐和塔釜的流量以及组成成分的关系如下：
[0101]
塔釜:
[0102][0103][0104][0105]
回流罐：
[0106][0107][0108][0109]
其中，p为塔底采出流量，d为塔顶采出流量,m
p
x
pa
为p的摩尔质量，md为d的摩尔质量,x
pa
为p中a的摩尔分数,x
pb
为p中b的摩尔分数,x
da
为d中a的摩尔分数,x
db
为d中b的摩尔分数,nt为塔板数。
[0110]
将上述反应精馏过程数学模型通过python代码编写形成功能模块，封装成自定义组件。
[0111]
如图6所示，通过对反应精馏生产过程的工艺分析，一方面通过强耦合、非线性处理获取反应精馏生产过程的动态机理模型，即得到反应精馏过程数学模型；另一方面通过分析得到工业生产数据。再基于反应过程动力学模型和精馏塔cesh机理模型，完成反应精馏过程动态控制方案，根据该动态控制方案，进行三维虚拟建模，结合流程模拟技术和工业数据库，以及工业操作系统架构，最终实现反应精馏智能工厂apps模拟测试平台。
[0112]
如图9所示，本实施例的系统平台包括监控界面，掌握温度、流量、液位、压力等操作参数的调节方法；包括pid控制、串级控制、多回路耦合控制等复杂控制原理。
[0113]
本技术实施例根据实际反应精馏工艺操作环境，融合过程机理模型与实际工业数据，构建了三维交互、立体式、智能化的虚拟仿真实验场景。本虚拟仿真实验场景针对实际的反应精馏生产过程，基于严格反应动力学模型和mesh精馏分离模型，通过反应精馏单元流程模拟产生的兼具灵活性和真实性的数据，提供多变量动态控制测试等应用场景。
[0114]
还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
[0115]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。
[0116]
应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。