化工仿真发展的技术趋向
许正宇
中国化工信息中心, 北京(100029)
摘 要：本文回顾了三十年来化工过程的模拟技术的发展过程。阐述了新一代仿真模拟软件发展和集成的方向。仿真模拟软件发展的趋势是采用更加开放式的环境、稳态模拟和动态模拟的结合、一个模型的原则和模拟数据的信息共享。 仿真模拟软件将提供化工产品的整个生命周期全方位的模拟计算服务：包括生产规划、产品的概念设计、工艺设计、控制设计、操作培训、生产控制、过程检测、动态预测、事故的报警和过程的数据分析。 这是目前国际上著名的过程流程模拟软件公司软件集成的趋势。
关键词： 化工模拟，化工仿真，UniSim
1． 化工仿真技术历史的回顾
根据国际准化组织(ISO)的定义，目前实际上已将“模拟”与“仿真”两者所含的内容统归于“仿真”的范畴，而且英文都用Simulation 一词来代替。数字仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。仿真（Simulation）就是通过建立实际系统模型并利用所见模型对实际系统进行实验研究的过程。最初，仿真技术主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门。化工过程的模拟（Simulation）技术随着计算机技术的飞速发展，应用的范围越来越广。上世纪七十年代末期的兴起的流程模拟技术，开始主要是用于化工过程的设计。ASPEN公司的Aspen
Plus、Simsci公司的ProII,
Hyprotech 公司的Hysim等
一些优秀的过程稳态模拟软
件在化工过程设计中得以广
泛的应用。
上世纪90 年代DCS的出现，对化工过程的模拟软件提出
了新的市场要求—OTS（Operator Training System）的需求，大大地促进了化工过程动态模拟软件的发展。由于OTS的需求量比提供设计的稳态模拟软件大的多，当时国内几乎所有的化工院校参与了OTS的开发。典型的OTS功能如图1所示。
上方所示是实际工厂的生产控制简图。DCS系统安装在中央控制室，DCS屏幕显示的温度、压力和流量等参数都是通过变送器从实际生产装置上采集的。生产操作人员通过DCS对生产进行操作，保证生产装置长期、稳定地运行[1] [2]。由于仿真模拟培训系统是用数学模型代替实际工厂，因而数学模型的好坏是仿真模拟培训系统质量的关键。90年代ABB Simcon 公司的Gepurs软件和Hyprotech公司的动态模拟软件在培训器市场得到广泛的应用。随着计算机的速度越来越快， DCS可记录的数据越来越多。成千上万的操作点的数据包括了大量的生产过程的信息。DCS的广泛使用给模拟技术提出的许多新的课题。DCS用户迫切地希望了解：如何利用这些信息资源来指导生产操作。生产产品如何安排以获取最大的利润？生产如何控制使过程更加稳定和最优？改变过程的操作点，生产装置会如何变化？能不能通过异常数据的分析，提前告诉DCS操作工：是测量仪表出了问题？还是事故将发生[3] [4]？
用户已经不仅仅满足于设计过程的稳态模拟计算和OTS培训，要求更加准确的过程模型来指导生产操作,预测过程的动态行为。这就是过程予测系统。
由于计算机的速度越来越快，化工过程的动态
模拟技术的发展，DCS数据的开放性，使化工过
程的预测成为了可能。通常预测过程的结构如
图2所示。
由DCS收集的工厂过程数据(X)，经过数据识别
后传到过程模拟器,记录下过程的当前状态,
作为模型的初始态。如果需要的话，工程师或
操作人员对模型给以不同方案的扰动(W*)，以
研究过程模型不同的响应(Y)。如果发现了下一步好的运行方案,可以在线(W2)或离线(W1)执行。过程模拟器通常包括稳态和动态的过程模型，并带有优化算法，判断不同方案的目标函数值，以寻求最优方案。过程预测系统是工厂管理者一直十分感兴趣的一个课
题。因为用户迫切地希望了解：如何操作实际装置能获取更大的效益？我国在这方面也[6][5]
走了不少弯路。80年代末期，当时的化工部科技局组织的工厂控制操作优化的课题。鉴于计算机速度的限制和数据校正的软件的开发技术落后等原因，数据采用离线分析，过程模型采用数据回归等非机理的数学的模型或采用稳态模拟软件分析。尽管经过鉴定，都没有实际使用价值。由于数据离线分析，即使算出了优化的工艺操作条件，实际工厂的操作条件已经变了。数学模型由于缺乏机理，外延性的误差很大。当时的南京化工研究院、化工部计算中心都参加了这个课题，也有不少的经验教训。
但是用户的这方面的需求也给模拟技术提供了更加广泛的应用前景。仅仅提供设计和培训满足不了用户的需要。需要在产品的整个生命周期提供服务,才能满足用户的需要。另外一个问题是各个软件公司提供的过程模拟优化软件采用不同的开发平台，互不兼容和重复开发的问题。例如国内某个乙烯装置使用的软件如表一所示。这些软件的核心都是化工过程的数学模型，都要遵循：能量平衡、质量平衡和动量平衡。如何整合这些软件，避免重复开发，提供化工过程的全方位的服务。也是化工过程模拟软件开发的一个方向。国际上几个著名的化工模拟公司都推出自己的一揽子解决方案,给客户提供全方位的服务，使过程和模型的信息在产品发展的各个阶段可以共享。
表 一 国内某个乙烯装置使用的软件
[7]
2．模拟公司的并购风潮
2.1技术上独出一格的HYSYS
HYSYS 是Hyprotech 公司的软件产品。公司成立于1976年。是由加拿大卡尔加里大学化工系的教授组建的。原来的软件叫HYSIM，主要用于稳态模拟。1980年，推出了小型机的系统。1984年推出了基于IBM PC 的版本。1995年推出了HYSYS第一版 (Hyprotech System for engineers)。一个主要的目的是开发化工培训仿真业务。是第一家由稳态模拟转向动态模拟的公司。
90年代初期，Hyprotech 公司和美国的ABB Simcon 公司一起成为世界上当时最有名的OTS供应商。两个公司几乎瓜分了世界上仿真培训器业务70%市场分额。在操作系统、运行机器环境和编程语言方面，两公司发展采用了完全不同的技术路线。技术上的决策不同，为各自的兴衰埋下了伏笔[8]。
HYSYS的技术特点是：基于Window 操作系统；采用了“面向对象”（Object oriented）的设计思想及最新的OLE(Object Linking and Enbedddding)软件的设计技术，充分地利用了Windows所设计好的数据交换通道。采用稳态和动态模拟结合技术路线。由于起家是 稳态模拟模拟公司，物性采用的是严格的热力学方程。模型采用严格的机理模型。
2.2 争夺HYSYS之战
HYSYS的这些技术特点受到国际上著名的模拟软件公司的青睐。
首先伸出橄榄枝的是ASPEN 公司，2002年ASPEN 收购了Hyprotech 公司全部股权。尽管ASPEN公司有自己的基于联立方程的建模技术的ASPEN DYNAMICS动态过程模拟软件。可是算法的稳定性和界面比HYSYS 逊色不少。但ASPEN的收购，2004被美国联邦商务委员会（Federal Trade Commission）判决为垄断经营。
Honeywell和ASPEN达成最终协议，由Honeywell收购Aspen的HYSYS建模软件知识产权和操作训仿真OTS业务。其它条款包括：
(1)Apsen公司将保留Hyprotech产品许可，以继续实施推广、销售和开发Hyprotech的权利；
(2)Aspen公司在三年内不参与操作员培训服务竞争；
(3) 两年支持协议，对转让的Hyprotech产品，Aspen公司将继续为霍尼韦尔提供新版产品的源代码。
Honeywell公司整合了自己原来的shadow plant(影子工厂) 和Hyprotech 公司的HYSYS2004 技术的基础上推出了新技术: UniSim Solution。但核心技术还是HYSYS。 ASPEN公司整合了自己原来的ASPEN DYNAMICS-动态过程模拟软件 和Hyprotech 公司的HYSYS2004 技术的基础上推出了ASPEN HYSYS。
DCS产家纷纷进入OTS领域也是模拟公司的并购风潮的特点，横河（YOKOGAWA）也发展了自己的OTS技术，也在北京成立了横河OTS office。DCS产家具有他们自己的DCS Link、自动控制和数据传输的技术优势，但模型技术就要和传统的软件模拟公司差得多。
另一家稳态模拟公司Simsci公司的ProII也被Invensys公司收购。 Invensys公司并购了DCS：Foxboro。推出了Invensys Simsci Dynsim 模拟软件。模拟软件可用于工程工作流，如设计、操作分析、动态模拟、操作员培训、性能监测以及实时优化等，以降低投资费用，提高产率，以及强化决策管理。
ABB Simcon 的技术也被法国RSI公司购买，成为RSI-Simcon company. ,主要为石油上下游流程提供动态模拟的服务。这些公司在中国都有技术服务队伍或合作伙伴。
由于化工产品从实验室的试验
开始到工业化生产是一个漫长
的过程。在化工产品的整个生命
周期提供模型的仿真服务，无疑
会大大提高化工企业的竞争能
力。模拟公司整合和并购的目的
是都是为了提供化工过程开发
的一个全方位服务。Honeywell
整合后的软件叫做UniSim Solution，如图3 所示。
UniSim Solution 模拟软件包括[9]：
UniSim设计套件，基于HYSYS 的动态和稳态模拟软件。
UniSim运营套件，用于生产过程的动态分析和控制系统检查。也可以训练操作员和工
程师处理事故的能力。
UniSim优化套件，可以进行从单个操作单元到全厂范围内的动态优化。
UniSim动态工程研究，评估过程变动对未来工厂业绩的影响。
UniSim过程知识系统，收集和分析DCS和数据，利用原有操作经验，增强操作能力。 ASPEN 公司也提出了一揽子解决方案[10]：ASPEN 工程套件(Aspen Engineering Suite) 目的也是给化工产品从开发到生产的全过程提供模拟技术的服务。
3． 新一代仿真模拟软件发展和集成的方向
3.1 一个模型的原则
在表一中我们已经列出了国
内某个乙烯装置在设计、培
训、装置投运使用的软件。
但各个软件公司提供的提供
软件采用不同的开发平台，
互不兼容和重复开发的问
题。新一代模拟软件软件发
展和集成的设计思想是让用
户建立一个模型可以用于化
工过程发展的各个阶段。包括：稳态和动态模拟，参数估计和数据校正。在设计阶段，模型可以用于概念设计、实际工厂的详细的工程设计。最后，还可用于可操作性研究。一旦这种模型知识库建立起来，同样的模型还可以用于操作培训(OTS)，开停车的研究和生产操作过程的改进，安全研究和过程优化，如图4所示。
3.2 采用更加严格的化工过程的机理模型
由于DCS的出现，对于化工过程的操作工培训（OTS）提出需求，大大促进了动态模拟技术的发展。90年代末期由于计算机速度的限制，OTS培训器的计算机大都采用小型机。例如我国80年代后期，四川泸天化和濮阳化肥厂引进的合成氨和尿素的培训器用的都是VAX小型机，由于OTS必须确保计算实时，所以数学模型大大的简化。但是近二十年来，计算机的运行速度提高了几十倍，现在的一台PC机都比当年值数万美元的VAX机要快的多。这就给动态模拟采用更加严格的化工过程的机理模型留下了许多发展的空间。动态模拟技术对于图4的过程模型都采用遵循能量平衡、质量平衡和动量平衡的严格的化工过程的机理模型。物性采用严格的热力学模型，物性库可以采用稳态模拟的数据库，包含3000多个组成。
单元操作模型包括：流动输送系统：管道，法门，混合器；
热交换系统：加热器,空冷器, LNG 等；
容器：两相或三相闪蒸，罐；
反应器：转化反应器，反应动力学反应器，PlugFlow 反应器,CSTR反应器等；
转动设备：泵，压缩机，膨胀机等；
塔：精馏塔，吸收塔等。
这也是几个传统的稳态模拟公司(ASPEN，Simsci 和Hyprotech) 转向动态模拟后比单纯的OTS公司具有技术上的优势：将原有的稳态模拟中完整的物性库和的严格的数学模型技术用于动态模拟中来。
3.3 采用了多层流程结构
ASPEN HYSYS 和Unisim
都采用了多层流程结构, 如
图5所示。建立物性集后，
用户可以输入主流程, 在主
流程内建立任何的子流程。
多层流程结构有点类似于
ASPEN 流程分块。但是子
流程概念的引入可以使主
图 5 多层流程结构流程看起来更清晰。由于子
流程的功能仅在主流程中相当一个黑箱模块。子流程从主流程中的到输入物流的信息，交互式求解和收敛后, 再返回到主流程中。流程收敛比整个流程一起收敛容易一些, 因而可以简化流程的收敛。
3.4 模拟数据的信息共享
软件集成设计考虑模拟的数据和模型可用于产品的整个发展过程：设计、操作和过程优化。应该特别指出的是：在设计阶段，不仅可用于工厂的PFD工程设计，还可用于产品的概念设计，又称为“预设计”过程。预设计是根据开发基础研究成果、文献的数据、现有类似的操作数据和工作经验，按照所开发的新技术工业化规模而作出的设计，用以指导过程研究及提出对开发性的基础研究进一步的要求，所以它是实验研究和过程研究的指南，是开发研究过程中十分关键的一个步骤。
3.5 动态模拟和稳态模拟的结合
稳态模拟和动态模拟的结合是新一代化工模拟软件发展和集成的方向。如图6，动态和稳态的流程模拟采用模块算法[11] [12]。
过程模块表示一个算法：
]图 6 模块的计算
其中： u为输入变量，x为状态变量，q 为
输出变量, v为模块的参数。 图 7 稳态模拟和动态模拟的转换
动态模拟方程一般为：
dx/dt = f( x,u,q，v)
和稳态模拟不同，状态向量x 除温度，组成等变量外，还包括模块所处的压力P。参数向量v 还包括设备的尺寸，其不影响模拟的稳态结果，但影响过程的动态响应的快慢。过程的控制由PID 算法模块来完成。
而稳态模拟方程一般为： dx/dt = f( x,u,q，v)=0
状态向量x不随时间变化。压力P不是状态变量，通常作为参数输入。所以向量v 包括模块所处的压力P。由于设备的尺寸不影响模拟的稳态结果，参数向量不包括括设备的尺寸。过程的设计规定用Adjust 模块来完成。
稳态模拟和动态模拟的转换如图7所示。稳态模拟和动态模拟采用同样的物性集。转换提供了一些方便的辅助工具, 以便使用户尽快地获得动态模型。由于动态模拟中任何一个化工单元操作设备都需要流量作为输入变量, 流量和压力的分布由压力和流量的解法（PF Solver）来计算，是动态模拟计算中最重要的部分[13]。
单元操作的模块都是基于热平衡、质量平衡和动量平衡。通常模块的计算顺序由系统自动来决定。单元操作的模块是流体网中的一个组件，其局部的动量平衡由每个单元操作的模型获得（( F= f (Δp))，但流量和压力是通过整个PF Solver的解法得到，如图8所示。
BalanceP, F图8 P-F Solver图 9 模块和 P-F Solver 的顺序
动态模拟平台计算顺序由如图9所示, 稳态模拟得到动态模拟的初始值。稳态模拟运行之前，工程师要确定流程各点的压力值，
从而确定流程各个单元的阻力系数。单元操作的模型调用严格的物性模型，保证计算的准确性。
3.7 开放式的环境
化工过程系统中常用的建模方法是
结构化分析方法和面向对象方法。面
向对象方法较好地克服了结构化方
法按功能将系统分解的缺点。
化工过程模拟软件在架构和实现上图8 模块的计算
有很大不同,但它们都具有相同的功
图 10 UniSim Design Unitop Cape-Open Socket 1.0
能。在概念上,一个模拟器可以看作有
个不同的组件组成[14][15]
单元操作库(unit operation),
数值解题器(number solvers):数值解题器提供了针对线性方程、非线性方程、差分方程的解决方案。
热力学和物性包(thermodynamics and physical property):热力学和物性包能够计算物料的热力学和物性。
仿真器执行器(simulator executive): 它是仿真器的核心,负责安装其它组件并注册到操作系统, 管理人机界面访问和存储数据报告和分析仿真结果。
由于每一个化工模拟软件都使用各自的数据库，大多数都使用不同的数据格式。因此,程序间的数据转换只天能通过手动,这样的程序不仅费力冗繁,而且还易于出错。
Cape-Open(computer-aided process engineering open simulation enviroment)下一代过程工程辅助计算的开放模拟环境。该工程的发起者是欧共体,它发起于1999年6月。其目的是开发、测试、描述,以及公布一个过
程模拟器中的软件组件的统一接
口标准。这些接口决定了模拟器
的组件之间的通讯。Cape-Open
标准的目标是实现过程模拟器组
件接口的标准化,使得模拟器的自
身组件在最小的工作量下可以被
另外的模拟器的组件无缝替换。
ASPEN 、Invensys、RSI 和UniSim Design 都在开发自己软件的Cape-Open的接口。UniSim Design Cape-Open Socket 1.0 如图10所示。采用了Cape-Open 的软件接口后，过程模拟器成了一个完全开放的系统。更加开放的环境如图11 所示：利用Cape-Open 的软件接口可以方便的连接G2,ASPEN和UniSim Design等软件。
4． 展望
化工过程模拟技术自上世纪七十年代末兴起，已有三十多年的历史。流程模拟软件采用更加开放式的结构和提供化工产品整个生命周期服务：包括生产规划、产品的概念设计、工艺设计、操作培训、生产控制、过程检测、动态预测、事故的报警和过程的数据分析，提供全方位的服务，已是大势所趋。过去单一模式将会被这种全方位的服务所替代。
参考文献
1 许正宇,化工过程的模拟培训器，化工进展. 1996, 3：56-60
2 许正宇,我国仿真培训器的发展历史和展望， 化工进展, 2001,3：81-86
3. 郭彦,邱彤,何小荣, 陈丙珍, 体分馏装置软测量模型在线修正策略的研究, 2004, .21(3): .407-410
4 石宇,邱彤,陈丙珍,用于化工过程的SDG故障分析方法,化工进展,2006, 25(012):.1484-1488
5 李秀喜,钱宇，温艳芹,化工过程实时状态监测与模糊诊断系统研究与实现,计算机与应用化学,2004,.21,(.1):115-118
6. Michael Mansy; Gregory K. McMillian ,Virtual Plant-Dynamic Process Simulation for Control Systems Design and
Operator Training, Conference on ISA 2001 Technology Update, Sep 10-13, 2001, Houston, Texas USA, .277-285 7 程兆年，汤锋潮, 模式识别法在化工调优中的应用，化工学报，1990 , .41 (5) ：568-574
8 田双成, 许正宇，耿国其等. iGES-一个人工智能图形工程系统， 现代化工，1999, 019(006) ：21-23
9 Honeywell, UniSim Design User Guides，2006
10 . Aspen Hysys User’s Guide，
2007
11 彭秉璞, 化工系统分析与模拟 ,化学工业出版社, 1990
12 杨友麒, 项曙光, 化工过程模拟与优化, 化学工业出版社, 2006
13 谢茂清，任挺进，朱文等；热工流体网络自动建模算法，清华大学学报，1977，37（6）：17-20
14 张德志，李忠杰,等, 基于Cape-Open 标准的物性数据库的探讨,计算机与应用化学，2007,24（10）：1376-1379 15 程华农,钱宇，等, 化工过程系统集成建模的面向智能体方法, 化工学报, 2003, 54(1): 128-130
作者简介: 许正宇（1945-）。男，1981年清华大学系统工程研究生毕业，教授，曾任化工信息中心和ABB Simcon合资公司的中方经理和总工程师,长期从事化工过程的模拟研究。xuzhengyuu@gmail.com
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