連續攪拌反應釜機理建模與開放式虛擬仿真系統開發

鄧曉剛, 于佐軍

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島　266580)

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連續攪拌反應釜機理建模與開放式虛擬仿真系統開發

鄧曉剛, 于佐軍

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島266580)

以一類常見的化學反應器——連續攪拌反應釜(CSTR)為虛擬仿真對象,提出一種基于化學反應器裝置機理模型的開放式虛擬仿真系統開發方法。首先,使用機理分析法建立數學模型；然后,在LabVIEW軟件中構建工藝流程界面,并基于四階龍格-庫塔法編制虛擬仿真程序；進一步,利用共享變量引擎將虛擬裝置數據發布到OPC Server中,使虛擬系統具有良好的開放性。以Matlab軟件為例,說明了共享數據的調用過程。該虛擬仿真系統不但能夠較好地模擬CSTR的工藝特性,而且其數據的開放性有助于學生自行設計控制方案、自主開展創新性實驗研究。

連續攪拌反應釜； 機理建模； 虛擬仿真； LabVIEW； OPC

化學反應器是許多化工過程的核心單元,也是高校過程控制課程和控制系統實踐教學中的典型工藝對象[1]。然而,這類工藝裝置操作危險性大且建設成本高,使得相關實驗教學難以進行。即使少數高校建設了有限套數的裝置,考慮到安全因素,學生也無法自由開展控制算法測試和創新算法研究。

近年來,針對工業裝置和實驗設備開發虛擬仿真實驗系統,已成為高校教學改革的研究熱點[2-4]。目前,虛擬仿真實驗系統的開發主要有兩種模式:一種模式是針對高成本、高風險的實驗裝置開發虛擬仿真軟件,再現真實現場裝置,幫助學生認識生產工藝流程、熟悉裝置機理,一般與實踐實習環節相結合[5]；另一種模式是針對復雜的工業生產裝置或重要實驗裝置開發虛擬仿真軟件,輔助課程實驗教學,目的在于幫助學生更深入地了解控制理論和控制方案,提高理論教學效果[6-7]。在后一類系統的研究中,現有成果多數屬于封閉式仿真軟件[8-10],設計者構建了封裝好的仿真系統,學生可以通過調試參數來熟悉算法,留給學生動手編程的空間較少,不利于學生自主開展創新性實驗研究。

針對上述問題,本文提出一種開放式虛擬仿真系統開發思路,并以連續攪拌反應釜(CSTR)為對象構建虛擬仿真模塊。該仿真系統基于連續攪拌反應釜的機理模型,以確保正確反映過程的變化；同時利用LabVIEW軟件設計人機界面和后臺仿真程序,利用共享變量引擎將仿真數據發布到OPC Server,供其他控制程序調用,從而使得軟件具有較好的開放性,為學生進行創新性實驗提供安全、可靠的平臺支撐。

1　連續攪拌反應釜裝置的機理建模

中國石油大學(華東)過程控制實驗室建設有多套過程控制實驗裝置,如A3000水箱實驗裝置、GK06實驗裝置及配套的SUPCON DCS系統,承擔著自動控制原理課程、過程控制課程、綜合實驗和畢業設計等實驗實踐教學任務[10-12],但是目前尚缺乏化學反應類裝置及相關實驗內容。本文以連續攪拌反應釜為對象,建立其機理模型,并開發相應的虛擬仿真系統。

連續攪拌反應釜是典型的化學反應器,具有非線性特性,在石油化工、生物制藥、食品等生產領域有廣泛的應用,也是研究各種控制方案的典型工藝對象。連續攪拌反應釜系統結構如圖1所示。反應原料以穩定的流速進入反應器,在攪拌器的攪拌作用下發生一階不可逆化學反應A→B,反應完的物料由出口泵送出反應器再進入后續生產環節。該反應為放熱反應,因此反應器外圍設置循環冷卻水帶走熱量,保證反應器的熱穩定性。考慮到反應釜中使用了攪拌器,本文假設反應器內溫度處處相等、濃度處處相等[13-14]。

圖1　CSTR系統工藝結構圖

根據反應器系統的總物料能量平衡,可得到反應器內液位變化的微分方程式:

(1)

其中Fi、Fo分別為入口物料體積流量和出口物料體積流量,A為反應器截面積,h為反應器內液位高度。

根據反應器內物料平衡關系,可以得到:

(2)

其中V=Ah為反應器有效體積,cAi為入口物料濃度,cA為出口物料濃度,rA為反應速度,其表達式為

(3)

其中K0為反應頻率因子,E為反應活化能,R為摩爾氣體常數,T為反應器溫度。

結合式(1),可以得到

(4)

根據能量守恒關系,反應器內的熱量平衡滿足以下規律:

(5)

其中ρ、Cp分別為反應器出口及入口物料密度、比熱容,H為反應熱,Kθ、Aθ分別為傳熱系數和傳熱面積,Tc為冷卻劑出口溫度。

反應器冷卻劑系統熱量平衡滿足以下規律:

(6)

其中ρc、Cpc分別為冷卻劑密度、比熱容。

結合式(1),進一步整理式(5)和式(6),可以得到如下兩式:

(7)

(8)

綜合式(1)、式(4)、式(7)、式(8)即得到連續攪拌反應釜的機理模型。本文仿真中穩態操作參數取值為:反應器出口物料A的濃度cA為0.037 2 mol/L,液位h為0.6 m,溫度T為402.35 K,冷卻劑溫度Tc為345.55 K。

2　虛擬仿真系統開發

本文基于LabVIEW平臺設計連續攪拌反應釜虛擬仿真系統。LabVIEW是一個圖形化編程軟件,廣泛用于工業系統測試、參數測量和過程控制領域[15]。LabVIEW軟件中提供了多種虛擬儀表和數學運算模塊,具有強大的圖形編程能力,為過程裝置虛擬仿真軟件開發提供了較強的技術支撐。

連續攪拌反應釜虛擬仿真系統的總體框架如圖2所示,包括前臺人機交互界面開發和后臺程序框圖設計。前臺人機交互界面主要用于工藝流程描述、參數實時顯示,后臺程序框圖則完成裝置機理模型的仿真。

圖2　虛擬仿真系統總體框架圖

2.1前臺工藝界面開發

前臺人機交互界面包括工藝流程圖和實時趨勢圖。工藝流程圖包括工藝流程界面、過程參數、仿真參數3部分。首先設計工藝流程界面。考慮繪圖的方便性,可以先用專業繪圖軟件把虛擬裝置的概要流程圖繪制出來,作為仿真系統的背景圖。然后增加過程參數控件,如進料流量閥門設置為輸入控件,反應器液位設置為顯示控件。最后,添加仿真參數輸入控件,包括“仿真步長”和“仿真速度”,前者可控制仿真精度,后者用于實現超實時仿真。設計完成后的前臺人機交互界面如圖3所示。由于實時趨勢圖用于實時顯示虛擬裝置數據的變化曲線,組態過程較簡單,故不贅述。

圖3　前臺人機交互界面圖

2.2后臺仿真程序的設計

(9)

(10)

(11)

K4=f(tk+h,yk+hK3)

(12)

(13)

編程過程中,在程序框圖界面中添加while循環結構作為整個系統的運行條件,CSTR系統中所有仿真模塊都在這個while循環中編寫、連接。四階龍格-庫塔法仿真用公式節點實現,在公式節點設置好輸入、輸出變量,然后編寫具體的四階龍格-庫塔程序(見圖4)。程序框圖編制完成后,結合前臺界面進行聯合調試,即可形成初步的虛擬仿真系統。

圖4　后臺程序示意圖

2.3基于OPC Server的仿真數據發布

上述過程構建了一個獨立的仿真系統,但是具有一定的封閉性,其他軟件無法訪問仿真裝置的數據。本文結合LabVIEW的共享變量引擎技術和OPC通信技術,將仿真數據發布到OPC Server中,供外部程序訪問。

OPC(OLE for process control)是一個目前廣泛應用的工業數據標準[16],該標準定義了Windows系統中計算機之間交換實時過程數據的方法,已經得到了眾多工業控制軟件廠商的認可。利用OPC技術作為數據通信中介,無需為不同廠商的現場設備和軟件安裝驅動,客戶都以統一的方式去訪問,易于實現與其他系統的接口。

在LabVIEW平臺中,用共享變量引擎(shared variable engine,SVE)是將數據發布到OPC Server的有效方法。在Windows系統中,LabVIEW將SVE配置為一個服務,并在系統啟動時引導SVE啟動。SVE作為Windows機器上的OPC服務器,任何OPC客戶端都可對其中的共享變量進行讀寫操作。

為了使用SVE,首先新建一個LabVIEW項目,然后在該項目的“我的電腦”條目下添加一個項目庫,再右鍵單擊該項目庫的文件名,選擇“新建”,然后選擇“變量”,配置相關信息，即可新建一個共享變量。照此步驟,添加所有的共享變量。最后,右鍵單擊項目庫名,選擇“部署”,系統會自動將所有變量發布到預定義的OPC Server中,其名稱是National Instruments.Variable Engine.1。

上述工作完成后,進一步將虛擬仿真裝置運行數據和共享變量相綁定,可以實現數據的同步變化。數據綁定時,在程序框圖中右鍵單擊顯示控件或者數值輸入控件的“屬性”,彈出屬性面板,選擇其中的“數據綁定”項,即可將虛擬仿真數據與OPC Server數據關聯起來。

2.4基于Matlab軟件的共享變量調用

連續攪拌反應釜仿真數據發布到OPC Server后,任意具有OPC訪問功能的軟件均可訪問仿真數據,如Visual C++,Matlab、組態軟件等。本文以Matlab為例,說明對虛擬裝置的開環測試和閉環控制過程。

Matlab訪問OPC Server有2種模式:M程序模式和Simulink模式。如果采用M程序模式,需要使用Matlab OPC工具箱提供的若干命令。以本文虛擬仿真系統為例,可以使用opcda、connect兩個命令連接OPC Server,利用addgroup命令可以添加OPC數據組,使用additem命令添加OPC數據項,進一步使用read和write命令讀寫OPC數據項中的具體數據,具體編程格式如下:

da = opcda(′localhost′, ′National Instruments.Variable Engine.1′);

connect(da);

grp = addgroup(da);

itmRead = additem(grp,′CSTR_VarLibT′);

itmWrite= additem(grp,′CSTR_VarLibuc′);

rT=read(itmRead);

data_T=rT.Value;

write(itmWrite,40);

進一步結合Timer函數,可以測試得到CSTR過程在冷卻水閥門開度40%～50%時的反應器溫度階躍響應曲線(見圖5)。

圖5　開環特性測試溫度階躍響應曲線

此外,還可以通過Simulink編程模式實現對虛擬仿真對象的控制方法研究。圖6為反應器液位的單回路控制系統結構圖,其中OPC Config模塊配置要調用的OPC Server,OPC write模塊用于連接被控對象的輸入,如反應器出口閥門開度變量,OPC read 模塊用于連接被控對象的輸出變量,此處即為反應器液位。

圖6　單回路閉環控制結構圖

2.5系統特點分析

連續攪拌反應釜虛擬仿真系統具有如下特點:

(1) 系統具有良好的開放性,通過共享變量模式將仿真數據發布到OPC Server中,使學生可以自由訪問仿真對象數據,為測試新的控制算法和控制方案提供了很大空間。

(2) 系統立足于連續攪拌反應釜機理過程模型,因此能夠很好地反映實際過程裝置的工藝特性,具有較高的逼真度,對學生熟悉工藝有直接的幫助。

(3) 系統具有良好的擴充性,可通過編制不同的仿真模塊和增加共享變量,輕松實現其他工業裝置的虛擬仿真,為豐富實驗教學資源提供有效支持。

3　結語

本文提出了一種面向工業裝置機理建模的開放式虛擬仿真系統開發方法。該方法立足于過程對象的機理模型,因此能夠很好地仿真過程工藝特性,同時LabVIEW平臺具有良好的人機接口界面編程能力,界面形象直觀。文中基于Matlab平臺實現了OPC Server 數據的訪問,驗證了系統具有良好的開放性。

References)

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Continuous stirred tank reactor mechanical modelling and opening virtual simulation system development

Deng Xiaogang, Yu Zuojun

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

This paper proposes an opening virtual simulation system design method based on the chemical reactor mechanism model. One common chemical reactor referred to as continuous stirred tank reactor (CSTR) is used as the simulation objective. Firstly, its mathematical models are built using the mechanism analysis technique. Then the process flow diagram is constructed by LabVIEW software and the simulation programs are established using the four-order Runge-Kutta method. With the help of shared variable engine (SVE), the simulation data are deployed to OPC server, which leads to good system open performances. Matlab is used to illustrate the calling procedure of sharing data. This system can simulate the CSTR device characteristics well. Also the openness of simulation helps students to design their own control strategy and provides a platform for the innovative experiment.

CSTR(continuous stirred tank reactor); mechanical modelling; virtual simulation; LabVIEW; OPC

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.029

2015- 06- 20修改日期：2015- 07- 19

國家自然科學基金項目(61403418)；山東省自然科學基金項目(ZR2014FL016)；中國石油大學校級教改重點項目(SY-A201407)

鄧曉剛(1981—),男,山東東營,博士,副教授,主要從事工業過程建模、先進控制與故障診斷等教學與科研工作.

E-mail：dengxiaogang@upc.edu.cn

TP391.9

A

1002-4956(2016)1- 0114- 04