半实物仿真工厂
半实物仿真简介
半实物仿真平台简介2.1组成半实物仿真平台主要由主控计算机、仿真计算机、控制计算机（原型机）、A/D接口、D/A接口及相关能源设备、记录设备等组成，如图1所示。
其中被控对象采用数学仿真，由dSPACE仿真计算机通过软件实现；控制计算机用仿真实物实现，即用dSPACE标准组件作为控制计算机的快速原型机，实现控制计算机功能；仿真计算机通过A/ D、D/A等输入输出口与控制系统实物相互，实现数字控制器与外界设备的信息交换。
输入和输出信息分别从转接口和dSPACE引出，通过记录仪进行记录。
2.2主控计算机主控计算机是整个仿真系统的上位机，采用有多个ISA总线的工控机，安装MATLAB6.5系列软件、dSPACE软件，用于构建控制系统Simulink框图、进行系统参数优化和数字仿真、控制仿真过程、编译下载仿真软件、输入输出仿真结果等。
根据控制系统设计和建模结果，利用MATLAB/Simulink构建系统数字仿真框图，进行数字仿真和控制参数优化。
在数字仿真的基础上，利用dSPACE提供的RTI软件，将被控对象的Simulink框图生成实时代码并自动下载到dSPACE仿真计算机中；将控制器控制方程的Simulink框图生成实时代码并自动下载到dSPACE快速原型机中。
用dSPACE提供的综合试验与测试环境软件ControlDesk、自动实验及参数调整软件MLIB/MTRACE、PC与实时处理器通信软件CLIB 以及实时动画软件RealMotion等实现试制和参数测量。
该软件环境可以方便地实成、下载和试验调试等工作。
2.3仿真计算机用dSPACE标准组件系统DS1005PPC处理器板作为仿真计算机，用以模拟被控对象。
DS1005PPC处理器与主控机之间用光缆连接交换数据。
DS1005PPC板主频480MHz；片内数缓存均为32KwordS；通过32位PHS总16块I/O板，通过ISA总线与主机进行并具有相当强的计算能力。
基于Matlab和DCS的半实物仿真系统平台设计开发
d ata : ISTAT phd _ pu td ata ( TAGNO tagno , in t data len, [ char * un its] )。 2. 2 仿真平台网络结构
tm i e stamp ], in ttfor m at , CONF con,f void * databu , f
图 1 仿真系统平台框架图
图 2 三个模块间交互传递的数据接口图
仿真系统平台的设计采用了众多理论和技术: ( 1 ) 理论: 化工流 程模 拟 现代控制理论
[ 4] [ 3]
本、 M atlab 7. 0工程计算语言 、
[5 , 6]
、 V isual C+ + 6 0编
、 古典 控制 理论
[ 3]
图 4 过程模型
其中, 假设模块 T ran sfer F cn 为温度对象的传递 函 数, 模 块 T ransfer F cn1 为 阀 的 传 递 函 数, 模 块
T ran sport D elay 为滞 后 时间, R andom N um ber1 为 随 机信号 (对 象的 干扰 信号 ), s fun _ caj为接 口程序 模
1 引
言
口采用 H oneyw ell PHD 实时数据库。利用 DCS 系统 和 M at lab /S m i u link过程模型组建 DCS 仿真 系统, 既 解决了实验室的 DCS缺少 实际控制 对象的 问题, 而 且可以利用 DCS 强大的 模块 化组 态功 能进 行过 程 对象的控制方案的设 计和 改进, 这 就像 将一个 个化 工装置搬进了实验室一样 [ 1, 2] 。 2 仿真系统平台设计 系统平台数据接口采用 PHD 实时数 据库, 其为 丰富的应用软件和数 据接 口软件, 具有 强大和 完善 的历史数据管理能力, 可在 线存储 工艺 过程点 的长 时间数据, 用户既可浏 览系 统当前 也可 回顾过 去的 运行 情况, 最值 得一 提的 是其 可结 合 M ES、 ERP 系 统, 采集相应数据 进行统 计分 析。仿真 系统平 台框 架及数据接口如图 1、 2 所示。
半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用研究
半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用研究1. 引言1.1 研究背景目前，国内外一些高校已经开始尝试在化工工程专业中引入半实物仿真工厂，以提升学生的实践能力和实际操作技能。
在《反应器操作与控制》这门课程中，半实物仿真工厂的应用还相对较少，相关研究也相对不足。
有必要对半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用进行深入研究，探讨其对教学效果的影响，以期能够为提升该课程的教学质量提供更多有效的教学手段和解决方案。
1.2 研究目的研究目的是通过探究半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用，评估其对学生实际操作技能和理论知识的提升效果。
具体目的包括：一是验证半实物仿真工厂在反应器操作与控制课程中的可行性和有效性，对比传统教学方法的优劣；二是探讨如何结合半实物仿真工厂与课堂理论教学，提高学生的学习兴趣和学习效果；三是通过实践操作评价学生的实际操作能力和问题解决能力，进一步完善课程内容和教学方法；四是为今后教学改革提供实践经验和借鉴，为教学质量的提升和学生综合素质的培养提供有效途径。
通过研究半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用效果，旨在为教学实践和未来发展提供理论支持和实践经验，推动教育教学的不断创新和提高。
1.3 研究意义半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用研究具有重要的意义。
通过研究半实物仿真工厂在该课程中的应用，可以提高学生对反应器操作与控制原理的理解和掌握。
这对于培养学生的实际操作能力和解决实际工程问题的能力是非常重要的。
半实物仿真工厂可以为学生提供一个更接近实际工程实践的学习环境，帮助他们更好地理解和应用课堂所学知识。
研究半实物仿真工厂的应用还可以为教学改革和教学方式创新提供有益的参考，促进教学质量的提升。
通过评价半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用效果，可以为今后类似课程的教学改进和教学实践提供宝贵的经验。
对半实物仿真工厂在该课程中的应用进行研究具有重要的理论和实践价值。
半实物仿真实习报告
目录第1章工艺流程 (1)1.1 总工艺流程 (1)1.2 脱副重组分塔工艺流程详述 (1)第2章DCS控制系统 (2)2.1 DCS系统的原理 (3)2.2 DCS系统的构成 (3)2.3 DCS系统的特点 (4)第3章 PID控制 (4)3.1 T3012脱副重组分塔 (4)3.2 实验对比 (6)第1章工艺流程1.1 总工艺流程丙烯酸的生产：选用丙烯直接氧化法，分为一步法和二步法二步法：CH2=CHCH3+O2→CH2=CHCHO+H2O2CH2=CHCHO+O2→2CH2=CHCOOH 甲醇的生产：天然气氧化法、合成气合成法丙烯酸甲酯的制备：乙炔法、丙烯腈水解法、烯酮法、乙烯氰醇法、丙烯直接氧化法、乙烯酮法、Reppe法、丙烷氧化法、甲酸甲酯法，选用丙烯直接氧化法，具体如下：甲醇和丙烯酸混合进料，以硫磺酸离子（酸性强、催化效率高、副反应少）为催化剂，合成丙烯酸甲酯，反应为可逆反应，原料酸与醇的摩尔比为1:0.75，预热后进入固定床反应器（R301）进行酯化反应，生成丙烯酸甲酯，水和副产物重组分，进入酸分离塔（精馏塔），塔顶出来气相丙烯酸甲酯，甲醇，水（气相共沸），少量的丙烯酸和重组分，进入脱重组分塔，塔釜出来丙烯酸和重组分，进入脱副重组分塔（闪蒸塔/负压塔），配合薄膜蒸发器脱除重组分。
脱重组分塔再次利用沸点不同，去除少量的丙烯酸和重组分，而后酯、醇、水一部分回流，一部分进入醇萃取塔，水-甲醇-甲酯为三元共沸系统，用水来做萃取剂，甲醇溶于水，从塔釜采出，丙烯酸甲酯，少量甲醇，少量水塔顶采出，进入脱轻组分塔（水和少量甲醇），塔顶蒸出少量丙烯酸甲酯，水，甲醇，冷却分层后水相用作萃取剂，丙烯酸甲酯回到塔顶，塔釜出丙烯酸甲酯（少量重组分，丙烯酸），进入精制塔，经精馏进一步提纯，塔底出少量丙烯酸，丙烯酸甲酯，进入脱副重组分塔继续分离，塔顶为精制丙烯酸甲酯。
工艺流程分为九部分：酯化反应器、酸分离塔装置、脱副重组分塔、薄膜蒸发器、脱重组分塔、萃取塔、甲醇回收塔、脱轻组分塔、酯精制塔，如图1-1，1.2 脱副重组分塔工艺流程详述我们组负责脱副重组分塔部分，下面为此部分详细介绍：丙烯酸和少量副产重组分从酸分离塔塔底排出，进入脱副重组分塔T3012，脱副重组分塔是个闪蒸塔，目的是脱除循环液中的副产重组分。
半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用研究
半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用研究1. 引言1.1 研究背景《反应器操作与控制》课程是化工类专业中重要的一门课程，涵盖了反应器原理、操作和控制等内容。
而半实物仿真工厂在这门课程中的应用，可以使学生更加直观地了解反应器的工作原理，提升操作和控制的实际能力，加深对课程内容的理解和记忆。
研究半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用具有重要的意义，对于提高学生的实际操作能力和应用能力具有积极的促进作用。
1.2 研究目的研究目的是探索半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用效果，以评估其对学生学习效果和技能提升的影响，进而为教育教学实践提供参考和借鉴。
具体包括以下几个方面：通过观察学生在半实物仿真工厂中的实际操作情况，了解他们对反应器操作与控制理论知识的掌握程度和操作技能的熟练程度；通过实际操作实验，检测学生在半实物仿真工厂中的操作表现，评估其在实际生产场景下的应变能力和解决问题的能力；结合学生的反馈意见和实际应用效果，总结半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的优势和不足之处，为未来的教育教学改进提出建议和措施。
通过本研究，旨在为提高学生学习效果和培养实际操作能力提供理论指导和实践经验。
1.3 研究意义半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用研究具有重要的研究意义。
通过对半实物仿真工厂在该课程中的应用研究，可以提高学生的实践能力和操作技能。
通过实际操作仿真设备，学生可以更加直观地理解反应器的工作原理和控制方法，从而加深对课程内容的理解和记忆。
半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用研究有助于培养学生的创新精神和问题解决能力。
在仿真工厂中，学生需要面对各种不同的情景和问题，通过自主思考和实践操作找到解决方案，从而培养他们的独立思考能力和解决问题的能力。
研究半实物仿真工厂在《反应器操作与控制》课程中的应用还可以促进教学改革和创新。
传统的课堂教学模式往往难以激发学生的兴趣和学习动力，而仿真工厂的引入可以为教学提供新的途径和方法，丰富教学手段，提高教学效果。
CosiWorks-RT实时半实物仿真平台
半实物仿真
仿真技术综合了当代科学技术中多种现代化尖端手段，极大地扩展了人类的视野、时限和能力，在科学技术领域起到了极其重要的作用。半实物仿真作为仿真技术的一个分支，涉及的领域极广，包括机电技术、液压技术、控制技术、接口技术等。半实物仿真是工程领域内一种应用较为广泛的仿真技术，是计算机仿真回路中接入一些实物进行的试验，因而更接近实际情况。这种仿真试验将对象实体的动态特性通过建立数学模型、编程，在计算机上运行，这是在飞机与导弹控制和制导系统中必须进行的仿真试验。
硬件接口
实时半实物仿真系统最显著的特点就是与外部硬件相结合的系统。具有完全的硬件接口兼容性是衡量一个半实物仿真平台的标尺，体现半实物仿真平台的“价值”。
CosiWorks-RT支持AFDX、1553B、ARINC429、MIL1394B、CAN、串口、模拟量、数字量、PWM、RTD、旋变等多种I/O接口；同时CosiWorks-RT引擎能够访问CustomDevice资源库和系统资源的运行组件。此接口的使用为新增硬件接口创建支持，用户可以通过此接口创建自己的硬件接口驱动程序，将生成的驱动程序加载到CustomDevice资源库当中，CosiWorks-RT将自动加载CustomDevice资源库当中的自定义设备到系统当中。
建模环境
CosiWorks-RT支持市面上主流的图形建模工具以及代码建模开发工具所生成的模型库的导入。包括MathWorks, Inc.的Simulink®软件、ITI的SimulationX、Maplesoft的MapleSim、Gamma Technologies Inc.的GT-POWER，YHSIM以及其他编程环境所创建并编译的函数或模型代码。
2.建模阶段，包括仿真系统描述、建立系统数学模型及仿真数学模型；
半实物仿真基本原理
半实物仿真基本原理嘿，朋友们！今天咱来唠唠半实物仿真的基本原理。
你说这半实物仿真啊，就好比是一个神奇的魔法盒子。
咱平时生活里不是有好多实际的东西嘛，像各种机器啦、设备啦。
那半实物仿真呢，就是把这些实实在在的玩意儿和虚拟的世界结合起来。
想象一下，就好像你在玩游戏，但是游戏里的一部分是真真实实存在的东西，这多有意思啊！它能让我们在一个相对安全又能控制的环境里，去模拟那些复杂的情况。
比如说，咱可以用它来测试新研发的汽车性能，不用真的把车开到路上冒险，多保险呐！这半实物仿真的好处可多了去了。
它能帮我们省钱啊！不用每次都搞个大工程来试验，就在这个魔法盒子里模拟一下，效果不也挺好嘛。
而且还能省时间呢，不用等各种准备工作都做好了再去实践。
它就像是一个聪明的导演，能安排各种场景和情节。
咱可以让它下雨、下雪、出太阳，想怎么来就怎么来。
这可比现实世界好控制多啦！咱再打个比方，这半实物仿真就像是搭积木。
我们把不同的部分组合起来，搭建成我们想要的样子。
这些部分可能是真实的传感器，也可能是虚拟的模型。
它们一起合作，就能创造出一个逼真的场景。
它可不是随随便便就能弄好的哦，得有专业的知识和技术才行。
就像厨师做菜一样，得知道放多少盐、多少油，才能做出美味的菜肴。
搞半实物仿真的人也得知道怎么调整各种参数，才能让仿真效果达到最好。
那怎么才能做好半实物仿真呢？首先得有好的模型吧，这模型就像是房子的根基，不牢固可不行。
然后还得有精确的测量和数据，这就像是给模型穿上合适的衣服，得合身才行。
咱平时生活中很多地方都能用到半实物仿真呢，航天领域、军事领域、工业领域等等。
它就像一个默默无闻的英雄，在背后为我们的进步和发展贡献着力量。
你说这半实物仿真是不是很神奇？是不是很值得我们去深入了解和研究？反正我觉得是挺有意思的，它给我们带来了太多的便利和可能。
所以啊，咱可不能小瞧了它，得好好利用它，让它为我们的生活和工作带来更多的惊喜和改变！原创不易，请尊重原创，谢谢!。
半实物仿真讲座课件
MATLAB
用户 M 文件 ...
综合控制 自动参数优化 试验控制
MLIB/MTRACE
参数读写
获取实时数据
硬件设备驱动
实时处理器
MotionDesk
➢ 实时3-D动画显示 ➢ 支持VRML2格式的3-D素材库 ➢ 图形化视景设计 ➢ 提供与其他dSPACE工具类似的GUI
ControlDesk Display
编译器
➢ DS1103, DS1104, DS1005 和 MicroAutoBox PowerPC C编 译器
Microtec PowerPC Crossing Compiler 包含汇编工具和链接工具 包含运行库 成熟、高效的C优化工具
➢ GNU C编译器 支持DS1006 ➢ DS2302 DSP C编译器
提供可定制的扩展软件/硬件模块，满足特殊应用需求。
Simsoft仿真管 理软件
第三方数据接口模块 VP/VAPS/Labview等
IO Simulink模块库
VxWorks代码生成
模块
HRT-MP分布式仿 真组件
嵌 matlab 入
G4矢量运算
Simulink支持库
模型管理模块
Gnu或Diab编译器 for x86和PowerPC Vxworks实时内核 （包含TCP/IP) 仿真模型控制模块
➢ 每个CPU最大拥有8MB缓存空间； ➢ 每个系统可拥有256MB~32GB内存空
间；
➢ 小型塔式或卧式机箱 ➢ 实时时钟及中断模块(RCIM)； ➢ 支持种类丰富的IO板卡； ➢ 可选VME I/O系统； ➢ 可选高性能图形显示卡，构成实时
图形计算机；
RedHawk® Linux®
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半实物仿真工厂
传统对于全流程工艺装置的实训一般采用真实工厂装置参观学习及建设小试、中试装置进行投料的实操实训方式。
对于真实工厂装置，受训人员在工厂基本仅限于认知实习；对于走料的小试、中试却也难以满足各类实操的需求，这些问题包括：
•走料装置很难模拟复杂过程；
•投料成本过高，不适合大量受训人员进行训练；
•高温、高压对装置要求过高，容易造成危险；
•耗能巨大，造成装置长期停滞；
•装置大小限制正常工艺；
•产品和副产物难以处理，且尾气、废水排放造成环境问题。
半实物仿真工厂设备装置是坤天自动化首创的新一代应用于情境培训的软硬件结合的实训装置系统，通过软件模拟生产数据，结合实训设备操作，再现工厂实际生产过程，为教育行业服务。
有别于传统的实物实训装置，它采用先进的流程模拟软件驱动实物装置，并结合最新的智能变送器技术、可检测手动阀技术、声光技术、现场总线技术和嵌入式屏幕显示技术，使受训人员能够生动地感受和接触真实工厂的环境和操作。
该系统采用完全冷模结构的设计方式，内不走物料；其工艺数据来自仿真软件，过程安全且几乎零培训成本；系统支持在装置上的手操，结合DCS软件操作，可以实现接近真实的内、外操互动训练。
以实际工厂为原型的半实物仿真工厂，可根据实训中心场地情况，设备装置参照真实工业现场的实际情况按一定比例缩小进行设计，设计在贴近工业实际的同时也较好的符合实训中心的实际情况。
受训人员在设备装置上可进行正常的外操训练，完成在实物装置上的正常操作、冷态开车、正常停车和各种生产故障处理操作等培训，直观深刻地体验生产的过程、原理及操作规程。
下图为半实物仿真工厂实例图：
坤天自动化的半实物仿真工厂系统已有众多实施案例与成功经验，包括内蒙化工职业技术学院、山东化工技师学院、平湖中等职业技术学院、陕西能源职业技术学院、上海应用职业技术学院等。
该系统主要有以下性能优势：
1)实物装置根据实际工厂流程装置按一定比例缩小定制而成，其设计贴近工业实际；
2)实物装置真实再现工厂情景，直观的了解相关装置的流程特点，培训更具现场感；
3)通过视镜和剖面，帮助了解关键装置的结构；
4)能培训实际工厂的完整生产过程的工艺、控制逻辑及岗位操作方法等；
5)对象装置与仿真软件结合：对象装置内不进行真实生产，采用仿真软件模拟真实工厂装置工艺，
并与对象装置进行实时交互，对象装置上的变送器、控制仪表信号均由仿真软件提供；
6)支持在实物装置上对各类设备的手操，并可通过内外操协作完成指定操作；
7)在工艺装置上对受训人员进行正常操作（如正常工况开车、停车）训和生产故障处理操作培训
（如紧急停车、重大事故处理、锁停车等）
8)系统能耗低，整套装置一般功率小于60KW；
9)更安全，可以模拟高温高压反应等一般实验室或者实训装置无法进行的过程；
10)环保无污染，无排放，无需培训投料成本。
坤天自动化的半实物仿真系统，部署方式介绍：
半实物仿真工厂培训室所部署的系统为在线仿真系统，即包括实物对象装置、仿真软件、仿真仪表和DCS硬件及电气系统。
在线仿真系统可实现仿真软件与现场实物的数据交互，实现内外操协同操作。
为方便教学，满足大量学生同时培训和平时训练，除了配置软硬件的培训室，半实物仿真工厂也会伴随一个仿真培训室。
仿真培训室用于部署离线仿真系统，即为单纯的仿真软件系统。
离线仿真系统界面操作除了包含在线系统的DCS流程界面外，还增加了现场界面用来模拟对象装置的现场设备，将对象设备中的操控转移到软件界面的操作。
受训人员可以脱离工艺流程实物装置进行离线仿真培训，也可基于工艺流程实物装置进行在线仿真实训。
半实物仿真工厂在线仿真系统的架构包含四个部分：实物对象装置、仿真软件、仿真仪表和DCS硬件及电气系统。
实物对象装置、仿真仪表通过DCS硬件及电气系统与仿真软件进行通讯，仿真软件采集外操数据变化，例如泵的启停，实时、动态的计算出相应的各类工艺流参数，并将显示信息传送至传感器及自动阀。
实物对象装置
根据场地情况以真实生产过程为原型，支持在此实物对象上具备工厂现场感的实操实训。
装置采用冷模设计，内不走物料，工艺过程通过仿真软件进行驱动。
仿真软件
仿真软件包括奥秘仿真OTS仿真软件及DCS软件。
当受训人员进行在线仿真培训时，系统数据在受训人员站、奥秘仿真OTS仿真培训系统、DCS控制系统、实物对象装置及仿真仪表之间传递。
来自受训人员站的控制指令及现场控制柜的控制操作及来自仿真仪表（阀门）的手动操作，经执行机构通过DCS控制系统传递给奥秘仿真OTS仿真培训系统以便进行动态模拟运算。
奥秘仿真OTS仿真培训系统的运算结果，一方面显示在受训人员站上，另一方面通过DCS 控制系统转变成标准电信号显示在就仿真仪表上。
仿真仪表
仿真仪表包含各类传感器和阀门。
传感器用于实时显示来自仿真软件的数据；阀门根据功能不同，有对应的信息传递方式，手操阀操作能实时传递到仿真软件，自动阀则显示由仿真软件传递至现场实物对象。
DCS硬件及电气系统
DCS硬件及电气系统主要包括DCS控制柜、现场操作柜、网络部件以及中控室其它硬件设备。
通过DCS硬件可使仿真软件和实物对象装置及仿真仪表能进行通讯，并且显示在大屏幕。