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一、 背景

多年來，高等院?；瘜W(xué)工程、精細化工、應(yīng)用化學(xué)、高分子化學(xué)等專業(yè)（包括環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、自動化過程控制專業(yè)和過程裝備與控制工程等專業(yè)）的教師們一直期待著有一種理想的多功能化學(xué)反應(yīng)實驗系統(tǒng)，這種系統(tǒng)：能夠兼容連續(xù)和間歇兩種典型的化學(xué)反應(yīng)；具有工業(yè)級規(guī)模動態(tài)特性；危險性最低（甚至沒有危險性）；反應(yīng)產(chǎn)物無污染、后處理簡單；消耗最少的物料（甚至不消耗物料）；消耗最少的能源；除了化學(xué)反應(yīng)實驗外，還可以進行多種化學(xué)工程試驗；可以靈活地進行多種過程控制實驗與訓(xùn)練；當然還要投資省、運行和維護費用省。

新一代實驗系統(tǒng)，通過將小型半實物過程系統(tǒng)、微機控制系統(tǒng)與全數(shù)字仿真技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了集多種教學(xué)和實驗功能于一身、真實感強、一機多用、無須物料、沒有產(chǎn)物和副產(chǎn)物、維修簡單、節(jié)能、安全、環(huán)保等理想實驗系統(tǒng)的要求，是教學(xué)實驗技術(shù)的一個新的飛躍。

北京中泰研創(chuàng)科技有限公司為北京化工大學(xué)仿真中心開發(fā)的數(shù)據(jù)采集卡MPCE-1000全面應(yīng)用于多功能節(jié)能環(huán)?；瘜W(xué)反應(yīng)及工程實訓(xùn)系統(tǒng)，使這套實驗系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于高等院校的教學(xué)實驗及自動化工程師的考試中，發(fā)揮了積極的社會效益，得到了各界好評。

二、 多功能化學(xué)反應(yīng)及過程實訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)成

實訓(xùn)系統(tǒng)由小型流程設(shè)備盤臺、數(shù)字式軟儀表與接口硬件、系統(tǒng)監(jiān)控軟件及過程模型軟件四部分組成。四部分通過小型實時數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)字通信協(xié)調(diào)運行，完成復(fù)雜的、高逼真度的半實物模擬實驗。

1．小型流程設(shè)備盤臺

在鋼制的盤臺上安裝著由不銹鋼制的比例縮小（但卻能夠保持工業(yè)級大尺寸特性）的流程設(shè)備模型。主設(shè)備包括：一臺臥式儲罐（D-101）、兩臺高位計量罐（D-102、D-103）、一臺帶攪拌器的釜式反應(yīng)器（T-104）、一臺列管式熱交換器（E-105）、三臺離心泵（P-106、P-107、P-108）、十個手動/自動雙效閥門和若干管路系統(tǒng)。在垂直的儀表盤面上分布有壓力（P）、流量（F）、溫度（T）、物位（L）、功率（N）、組成（A）和閥位（V）等傳感器插孔和數(shù)字式軟儀表。本盤臺是學(xué)生直接操作和運行過程系統(tǒng)的環(huán)境。本環(huán)境給學(xué)生以全真實的空間位置感覺、全真實的操作力度感覺和過程變化的時間特性感覺。由于真實過程裝置的壓力、流量、溫度、物位、功率、組成也是無法直接觀察的，必須通過儀表檢測，因此，本系統(tǒng)和真實系統(tǒng)的觀測界面完全一致。

2．動態(tài)數(shù)學(xué)模型軟件

動態(tài)數(shù)學(xué)模型軟件運用動態(tài)定量仿真模型，模擬真實反應(yīng)動力學(xué)過程和工藝流程，并提供各變量瞬態(tài)值。具體分為以下流程系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型：

（1）連續(xù)反應(yīng)（CSTR）動態(tài)仿真模型

（2）間歇反應(yīng)動態(tài)仿真模型

（3）離心泵及特性動態(tài)仿真模型

（4）三級液位及傳熱動態(tài)仿真模型

（5）壓力系統(tǒng)動態(tài)仿真模型

（6）熱交換器過程動態(tài)仿真模型

能否采用半實物仿真技術(shù)進行科學(xué)實驗，動態(tài)數(shù)學(xué)模型是關(guān)鍵。為了高逼真地進行過程的開、停車、正常運行、故障狀態(tài)操作及控制，必須解決如下建模問題：

（1）動態(tài)模型應(yīng)能反映被仿真裝置的實際尺寸，包括設(shè)備尺寸、管道尺寸、閥門尺寸等，應(yīng)能反映系統(tǒng)物料和能量的變化與傳遞的定量關(guān)系。

（2）動態(tài)模型應(yīng)能反映被仿真系統(tǒng)的物理化學(xué)變化的規(guī)律，如反應(yīng)動力學(xué)特性、氣液平衡特性、流體力學(xué)特性等，這些特性常常是非線性的。

（3）動態(tài)模型應(yīng)能反映被仿真系統(tǒng)的動態(tài)時間常數(shù)、慣性、時間滯后、多容高階特性。

（4）動態(tài)模型的求解速度應(yīng)達到實時要求、求解精度應(yīng)滿足實驗要求。

得益于本工程中心十五年來動態(tài)數(shù)學(xué)模型的建模經(jīng)驗，以上問題都得到較好的解決。傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)實驗系統(tǒng)所存在的弱點，幾乎都是借助于動態(tài)數(shù)學(xué)模型的實時仿真計算得到克服。為了進行復(fù)雜的控制實驗，除了過程模型外還特別開發(fā)了常用控制算法模塊庫，可以方便地通過"軟連接"構(gòu)造多種多樣的控制系統(tǒng)。

3．控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件

為了便于學(xué)生（教師）靈活地設(shè)計組合多種多樣的控制方案，本實驗系統(tǒng)提供自行開發(fā)的、專用的VC++控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件。能夠在計算機"桌面"上通過圖形軟連接、在"菜單"提示下填寫參數(shù)和數(shù)據(jù)等方法完成控制系統(tǒng)組態(tài)。這種組態(tài)方法與集散型控制系統(tǒng)（DCS）組態(tài)完全相同，因此，比教學(xué)實驗中常用的進口軟件MATLAB 更直觀、更簡明、更符合工業(yè)級設(shè)計的要求。控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件提供以下具體功能：

（1） 提供常見的PID 控制算法，允許學(xué)生配置參數(shù)

（2） 控制方案的設(shè)計，允許學(xué)生自行設(shè)計控制方案。

（3） 提供兩種方式的控制算法組態(tài)：圖形化控制算法組態(tài)工具；標準DLL 工程，將其它計算機的控制算法動態(tài)鏈接到當前控制回路中。

（4） 信號發(fā)生器組態(tài)。提供常用的信號發(fā)生器，可與當前的現(xiàn)場信號進行疊加。

（5） 信號輸出組態(tài)。提供信號輸出顯示、歷史趨勢記錄、文件保存等功能，以進行信號后處理。

為了方便使用，控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件具有錯誤組態(tài)方案的自診斷功能。當組態(tài)的方案不合理時，軟件能給出提示。此外，還具有智能化自動排序功能，能夠保證計算結(jié)果的準確性。

4．實驗系統(tǒng)監(jiān)控軟件

盤臺上的所有操作和顯示變量都能由軟件控制，可以在瞬間設(shè)定新的狀態(tài)，我們稱其為狀態(tài)"全恢復(fù)"功能。本功能是實驗系統(tǒng)的一大特色，利用本特點可以任意設(shè)定干擾、故障狀態(tài)或某一特定狀態(tài)、重演過去記錄的狀態(tài)及某時間段落的變化狀態(tài)等。

實驗系統(tǒng)監(jiān)控軟件對每一項實驗提供工程管理，便于學(xué)生選擇不同的實驗，以及對當前的實驗進行管理。具體分為以下功能：

（1）實驗開始、暫停、恢復(fù)及自檢驗功能

（2）實驗項目切換

（3）實驗項目當前狀態(tài)（又稱為"快照"）存儲

（4）參數(shù)運行時的動態(tài)改變

（5）多畫面切換

5．系統(tǒng)硬件功能

（1）硬件組態(tài)功能。在液晶顯示器上彩色顯示15 個數(shù)據(jù)單元（5 個棒圖顯示和10 個數(shù)碼顯示），每個顯示單元都有一個數(shù)據(jù)輸入插孔。另外在設(shè)備和管道上布置了幾十個數(shù)據(jù)檢測輸出插孔。通過導(dǎo)線連接完成對顯示單元顯示數(shù)據(jù)內(nèi)容的確定。

（2）硬件單元的自摘除功能。在本系統(tǒng)上可以完成規(guī)模不同的試驗，每次進行試驗的過程中投入使用的設(shè)備種類和數(shù)量可以通過組態(tài)軟件定義。

（3）所有盤臺上的閥門都是自動/手動可定義的雙效閥門。

（4）即插即用功能。硬件單元通過地址開關(guān)設(shè)定地址。同類型的硬件單元可以互換。

（5）現(xiàn)場"全恢復(fù)"功能。現(xiàn)場的全部硬件設(shè)備可以通過軟件設(shè)定為任意的工作狀態(tài)。

三、反應(yīng)動力學(xué)過程與工藝過程實驗項目

多功能實驗與訓(xùn)練系統(tǒng)的工藝流程圖見圖 2 所示。由于采用了半實物模擬新技術(shù)，在同一個實驗盤臺上可以通過計算機監(jiān)控軟件控制，自動組合成連續(xù)反應(yīng)、間歇反應(yīng)和多種工藝過程實驗項目。實驗內(nèi)容可以全面重組和變化，重組和變化不需要附加管路和閥門、不必對設(shè)備進行重新機電組裝，只需通過軟件組態(tài)方式或改變信號線連接，由軟件初始化一秒鐘即可實現(xiàn)，易如反掌。主要反應(yīng)過程和工藝過程實驗項目如下：

1．連續(xù)反應(yīng)（CSTR）系統(tǒng)

本項目解決了工藝過程實訓(xùn)的一項重要空缺。本連續(xù)反應(yīng)過程是工業(yè)常見的典型的帶攪拌的釜式反應(yīng)器（CSTR）系統(tǒng)，同時又是高分子聚合反應(yīng)，具有廣泛的代表性。

本系統(tǒng)在圖 2 中的部位是：兩臺高位計量罐（D-102、D-103）、D-102 罐液位L2，入口雙效閥V3，出口雙效閥V4，D-103 罐液位L3，入口雙效閥V2，出口雙效閥V5，帶攪拌器的釜式反應(yīng)器（T-104）、反應(yīng)器內(nèi)主產(chǎn)物濃度A，反應(yīng)溫度T1，液位L4，T-104 出口流量F9，出口雙效閥V9，出口泵（P-108），出口泵開關(guān)S5（開關(guān)），反應(yīng)器第一夾套冷卻水入口流量F7，雙效閥V7，反應(yīng)器第二夾套冷卻水入口流量F8，雙效閥V8，反應(yīng)器夾套加熱熱水閥S6（開關(guān)），催化劑進料雙效閥V6，反應(yīng)器攪拌電機開關(guān)S8。

本實驗與間歇反應(yīng)系統(tǒng)一樣，是當前工藝全實物實驗根本無法進行的高危險性實驗，又是非常需要的反應(yīng)動力學(xué)實驗內(nèi)容。此外，全實物實驗還面臨物料消耗、能量消耗、反應(yīng)產(chǎn)物的處理、廢氣廢液的處理和環(huán)境污染問題，以上各項問題比間歇反應(yīng)更嚴重，因為連續(xù)反應(yīng)的處理量大大超過間歇過程。國內(nèi)現(xiàn)有的連續(xù)反應(yīng)實驗系統(tǒng)實際上都是水位及流量系統(tǒng)，根本沒有反應(yīng)現(xiàn)象。

本實驗系統(tǒng)可以進行連續(xù)反應(yīng)開、停車試驗；多因素（進料量、冷卻量、催化劑量、攪拌等）影響試驗與分析；全混流連續(xù)反應(yīng)平均停留時間測試與估算；全混流連續(xù)反應(yīng)平均轉(zhuǎn)化率測試與產(chǎn)量計算；多組分汽液平衡壓力測試與估算；除了進行常規(guī)反應(yīng)動力學(xué)實驗訓(xùn)練外，本實驗系統(tǒng)還可以進行安全分析和過程控制訓(xùn)練。

2．間歇反應(yīng)系統(tǒng)

本項目解決了工藝過程實訓(xùn)的另一項重要空缺。本間歇反應(yīng)過程是工業(yè)常見的典型的間歇過程，在精細化工、催化劑制備、制藥業(yè)、溶劑與染料中間體等行業(yè)具有廣泛的代表性。本系統(tǒng)在圖 2 中的部位是：兩臺高位計量罐（D-102、D-103）、D-102 罐液位L2，入口雙效閥V3，出口雙效閥V4，D-103 罐液位L3，入口雙效閥V2，出口雙效閥V5，帶攪拌器的釜式反應(yīng)器（T-104）、反應(yīng)器內(nèi)主產(chǎn)物濃度A，反應(yīng)溫度T1，液位L4，T-104 出口流量F9，出口雙效閥V9，出口泵（P-108），出口泵開關(guān)S5（開關(guān)），反應(yīng)器蛇管冷卻水入口

流量F7，雙效閥V7，反應(yīng)器夾套冷卻水入口流量F8，雙效閥V8，反應(yīng)器夾套加熱蒸氣閥S6（開關(guān)），反應(yīng)器放空閥V6，反應(yīng)器攪拌電機開關(guān)S8。

本實驗系統(tǒng)選擇了間歇反應(yīng)過程中最為復(fù)雜的一種，具有主副反應(yīng)的競爭、放熱劇烈、壓力隨溫度急劇變化等特點，是當前工藝全實物實驗根本無法進行的高危險性實驗，又是非常需要的反應(yīng)動力學(xué)實驗內(nèi)容。此外，全實物實驗還面臨物料消耗、能量消耗、反應(yīng)產(chǎn)物的處理、廢氣廢液的處理和環(huán)境污染問題。國內(nèi)現(xiàn)有的間歇反應(yīng)實驗系統(tǒng)實際上都是水位及流量系統(tǒng)，根本沒有反應(yīng)現(xiàn)象。

本間歇反應(yīng)實驗系統(tǒng)可以進行開、停車試驗；多因素影響試驗與分析；物料量的計量與核算；主、副反應(yīng)競爭試驗與分析；反應(yīng)主產(chǎn)物濃度變化規(guī)律測試與分析；反應(yīng)溫度變化規(guī)律測試與分析；反應(yīng)壓力變化規(guī)律測試與分析等。此外還可以進行安全分析、計算機控制、故障診斷和高級控制實驗。

3．離心泵及液位系統(tǒng)

本系統(tǒng)在圖 2 中的部位是：臥式儲罐（D-101），其上游的雙效閥V1，入口流量F1，儲罐壓力P1，儲罐液位L1，儲罐下部出口快開閥S1（開關(guān)），離心泵（P-106），離心泵入口壓力P2，離心泵出口壓力P3，離心泵出口流量F2，離心泵高點排氣閥S3（開關(guān)），排氣完成指示燈D1，離心泵出口雙效閥V2。

本實驗系統(tǒng)可以進行非線性液位特性測試；離心泵開、停；離心泵特性測試；離心泵故障實驗；離心泵相關(guān)的控制系統(tǒng)實驗；離心泵與相關(guān)設(shè)備聯(lián)合后的深層知識專家系統(tǒng)（SDG法）故障診斷等。

4．三級液位系統(tǒng)

本系統(tǒng)在圖2 中的部位是：第一級液位系統(tǒng)，臥式儲罐（D-101），其上游的雙效閥V1，入口流量F1，儲罐壓力P1，儲罐液位L1，儲罐下部出口快開閥S1（開關(guān)），離心泵（P-106），離心泵入口壓力P2，離心泵出口壓力P3，離心泵出口流量F2，離心泵高點排氣閥S3（開關(guān)），排氣完成指示燈D1，離心泵出口雙效閥V2；第二級液位系統(tǒng)，高位非線性計量罐（D-103），該罐的上部是直圓桶型，其液位變化為線性特性，下部為圓錐型，其液位變化為非線性特性，罐內(nèi)壓力P5，溫度T6，液位L3，罐出口流量F5，出口雙效閥V5；第三級液位系統(tǒng)，釜式反應(yīng)器（T-104），反應(yīng)器內(nèi)壓力P7，溫度T1，液位L4，罐出口流量F9，出口雙效閥V9，出口泵（P-108），出口泵開關(guān)S5（開關(guān)）。

本實驗系統(tǒng)可以進行串聯(lián)容器物料平衡實驗與計算；液位自衡實驗及流體力學(xué)計算；多級液位控制訓(xùn)練。此外，與常規(guī)三級液位實驗系統(tǒng)相比，特別增加了非線性環(huán)節(jié)，為復(fù)雜控制方法的實驗提供了可能。

5．氣體壓縮系統(tǒng)

本系統(tǒng)在圖 2 中的部位是：透平式氣體壓縮機（P107），壓縮機出口壓力P4，出口流量F3，出口雙效閥V3，氣體緩沖罐（D-102），罐內(nèi)壓力P5，罐出口流量F4，罐出口雙效閥V4，釜式反應(yīng)器（T-104），反應(yīng)器內(nèi)壓力P7。

本系統(tǒng)可以進行氣體大口徑管道輸送流量測量及管路阻力和壓降試驗；氣體體積流量換算實驗；透平式氣體壓縮機特性試驗；設(shè)備惰性氣體置換充壓過程及氣體壓力與流量控制訓(xùn)練。

6．熱交換系統(tǒng)

列管式熱交換器傳熱系統(tǒng)在圖2 中的部位是：列管式熱交換器（E-105）和帶攪拌器的釜式反應(yīng)器（T-104），E-105 管程入口流量F9，管程入口雙效閥V9，管程入口溫度T2，管程出口溫度T3，殼程入口流量F10，殼程入口雙效閥V10，殼程入口溫度T4，殼程出口溫度T5，殼程高點排氣閥S7（開關(guān)），排氣指示燈D2。

本系統(tǒng)可以進行列管式熱交換器開、停車試驗；多工況對數(shù)溫差測試與核算；多工況總傳熱系數(shù)測試與核算；列管式熱交換過程溫度控制訓(xùn)練。此外，列管式熱交換器屬于變時間常數(shù)、高階動態(tài)特性系統(tǒng)，可以進行高級控制規(guī)律的實驗。

四、多功能反應(yīng)與過程實訓(xùn)項目

本系統(tǒng)由于能夠組合成兩類化學(xué)反應(yīng)、多種工藝過程的對象，因此可以進行多種反應(yīng)過程和化工單元操作實驗與訓(xùn)練。事實上，在本實驗系統(tǒng)上可以進行的過程系統(tǒng)實驗是排列組合的概念，即可以達到數(shù)百種之多。因為本系統(tǒng)可變化的內(nèi)容包括了5 種工藝過程、設(shè)備尺寸可變、物料特性可變、工藝條件可變、10 個自動控制閥4 種閥特性的選擇、29 個傳感器信號選擇、多點自由設(shè)定干擾、控制系統(tǒng)自由組態(tài)、控制算法自由嵌入等。所以，本實驗系統(tǒng)上可以進行的反應(yīng)動力學(xué)、化工過程和自動控制實驗內(nèi)容的變化具有多樣性。這也是本系統(tǒng)革新傳統(tǒng)實驗系統(tǒng)的重要方面。由于這種自由組合功能，為學(xué)生和教師提供了一個多樣化的驗證型、綜合型、設(shè)計型、創(chuàng)新型、探索型實驗環(huán)境。

由于實驗內(nèi)容非常豐富，為了便于結(jié)合各校教學(xué)大綱選擇所需要的實驗，本實訓(xùn)系統(tǒng)提供5 個單元，共計36 種實驗案例如下：

第一單元：連續(xù)反應(yīng)系統(tǒng)

（1） 連續(xù)反應(yīng)開、停車試驗

（2） 連續(xù)反應(yīng)多因素影響試驗與分析

（3） 全混流連續(xù)反應(yīng)平均停留時間測試與估算

（4） 全混流連續(xù)反應(yīng)平均轉(zhuǎn)化率測試與產(chǎn)量計算

（5） 多組分汽液平衡壓力測試與估算

（6） 連續(xù)反應(yīng)多回路（溫度、壓力、液位、流量）控制訓(xùn)練

（7） 連續(xù)反應(yīng)故障試驗與"如果-怎么辦？方法"安全分析

第二單元：間歇反應(yīng)系統(tǒng)

（8） 間歇反應(yīng)開、停車試驗

（9） 間歇反應(yīng)多因素影響試驗與分析

（10） 間歇反應(yīng)物料量的計量與核算

（11） 間歇反應(yīng)過程主、副反應(yīng)競爭試驗與分析

（12） 間歇反應(yīng)過程主產(chǎn)物濃度變化規(guī)律測試與分析

（13） 間歇反應(yīng)過程溫度變化規(guī)律測試與分析

（14） 間歇反應(yīng)過程壓力變化規(guī)律測試與分析

（15） 間歇反應(yīng)過程最優(yōu)操作試驗與分析

（16） 間歇反應(yīng)過程故障試驗與"如果-怎么辦？方法"安全分析

第三單元：離心泵與液位系統(tǒng)

（17） 離心泵及液位系統(tǒng)開、停車試驗

（18） 液位與流量的非線性特性實驗

（19） 離心泵特性實驗

（20） 閥門特性試驗與計算

（21） 離心泵與液位系統(tǒng)的流量、液位和壓力控制訓(xùn)練

（22） 離心泵與液位故障試驗與"檢查表法"分析

（23） SDG 方法離心泵與液位故障診斷實驗

第四單元：三級液位系統(tǒng)

（24） 三級液位系統(tǒng)開、停車訓(xùn)練

（25） 串聯(lián)容器物料平衡實驗與計算

（26） 液位自衡實驗及流體力學(xué)計算

（27） 多級液位控制訓(xùn)練

第五單元：氣體壓縮系統(tǒng)

（28） 壓縮機充壓開、停車試驗

（29） 透平式壓縮機特性測試

（30） 氣體體積流量測量及標準狀態(tài)體積流量換算

（31） 流體阻力與管路壓降測試與計算

（32） 氣體壓縮系統(tǒng)壓力控制訓(xùn)練

第六單元：熱交換系統(tǒng)

（33） 列管式熱交換器開、停車試驗

（34） 列管式熱交換器多工況對數(shù)溫差測試與核算

（35） 列管式熱交換器多工況總傳熱系數(shù)測試與核算

（36） 列管式熱交換過程溫度控制訓(xùn)練

五、優(yōu)點

綜上所述，多功能化學(xué)反應(yīng)及過程實訓(xùn)系統(tǒng)有如下優(yōu)點。

易學(xué)、易用、易操作、易維護；

徹底解決了連續(xù)和間歇化學(xué)反應(yīng)的工程化實驗難題；

具有工藝過程實驗和控制實驗雙重用途；

能組合出大量工藝過程和系統(tǒng)控制實驗項目；

具有工業(yè)級裝置與流程的增益、時間常數(shù)與動態(tài)特性；

工藝及設(shè)備運行參數(shù)經(jīng)得起工程設(shè)計標準的審核；

達到了工業(yè)級高精度、高重復(fù)性驗證型實驗要求；

達到了的綜合型、設(shè)計型、創(chuàng)新型、探索型實驗要求；

可以滿足多層次實驗需要；

是真正的安全、節(jié)能、環(huán)保的"綠色實驗"系統(tǒng)；

適用專業(yè)面寬（包括化學(xué)工程、精細化工、制藥、應(yīng)用化學(xué)、高分子材料、生命科

學(xué)、環(huán)境科學(xué)、過程自動化、過程裝備與控制工程等多專業(yè)）。

多功能化學(xué)反應(yīng)及過程實訓(xùn)系統(tǒng)實景