UniSimTM的三大應用模塊

賈逸博

2015年8月7日 11:19

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UniSimTM主要由以下三個應用模塊組成：

? UniSim Design Suite 工藝設計套件

? UniSim Operations Suite 操作運營套件

? UniSim Optimization Suite 優化模擬套件

2.1 UniSim Design Suite 工藝設計套件

UniSim Design Suite工藝設計套件基于成熟的技術，已經具有三十年的開發應用經驗，主要應用效益體現在：

? 改進工藝設計－工程師可迅速地對工藝設計做出評估，包括利潤是不是最大、可靠性如何、安全性如何等

據估計，在項目投產中由于工藝臨時更改產生的費用占到總項目投資的7%。UniSim使工程師能早期評估他們的工藝設計對整個項目的影響。在設計新的工藝時，UniSim可讓用戶對各種現場情況快速建模。交互式的環境有利于用戶作“what-if"的研究和敏感性分析。利用Unisim可對工藝進行高精度地建模，模型中包含有設備和工藝的詳細信息。

? 監控設備的性能－保證設備性能最優化

Unisim能讓用戶迅速確定設備運行性能是否達到標稱值。例如，故障維修或改善設備操作性能的工程師可利用Unisim估計設備是否出現問題（如熱交換器結垢，塔板溢流，壓縮機和分離器效率低等），參與技改項目的工程師可迅速對用不于同場合的設備性能進行評估，并可預測由于設計基準變化可能會帶來的影響。

? 減少工程費用－減少手工操作、避免重復輸入容易出錯的數據

利于Unisim創建在整個工廠的生命周期（見圖2）都可調整的工藝模型，可以減少工程設計的費用。Unisim從概念設計到詳細設計、設計評估、培訓及優化過程，提供了非常好的環境，保證工程師能快速高效地完成工作。它可節省時間，并盡可能避免容易出錯的手工操作，如數據傳送、格式編排及產品與工藝數據的分析等，而這通常要占到整個工程項目30%的工時數。

圖 2 UniSim平臺全生命周期應用

UniSim Design Suite主要軟件包包括：

NeoteNeotec的PIPESYS 用于管道中單相和多相流的綜合模擬，同時Neotec的黑油選項（Black Oil ），還可以用于計算那種很難確定組分的石油流體的相態行為。包括嚴格單相流或多相流模擬；壓力正推或反算；模擬各種管路設備的影響，包括壓縮機、泵、換熱器、冷凝器、調節閥、彎管等；進行一些特殊分析，如Slug流預測、管路腐蝕速度預測、嚴重Slug流態檢查；模擬單管或管網；靈敏度分析。

Schlumberger的AMSIM 斯倫貝謝公司的胺包被集成到UniSim平臺用于胺處理模塊模擬和優化氣相和液相胺處理過程，包括單相、混合相或活性胺。嚴格模擬氫化硫和二氧化碳的吸收，和在各種工業溶劑中的反應。一個高級的熱力學電解模型得到的結果比經驗模型的結果更可靠，尤其是混合胺的處理。

Scandpower的OLGAS 兩相和三相流選項，可用于管道中多相流特性的計算，另外，還可以通過已有接口，與Scandpower的OLGA2000連接，管中多相流的瞬態模擬，以及井上管線和管網模擬。

InfoChem的多相閃蒸（MultiFlash）用于復雜混合物的相行為計算。

OLI的電解質包（Electrolyte Package）利用OLI公司的專業的電解質組分和OLI引擎，UniSim平臺可以嚴格模擬電解質系統。包括以下功能：

? OLI模型預測和考慮溶液中所有的組分、離子；

? 基于Helgeson狀態方程，OLI模型可在最廣的水溶液條件下提供精確的平衡常數和狀態性質；

? 結合Bromley、Zemaitis、Meissner、Pitzer，及OLI特有技術，該模型的活度系數方法可準確模擬強電解系統；

? 提供包括79個無機元素及其組分，和超過3000種有機組分的綜合電解質數據庫；

? 通過OLI特有的熱力學物性包，可計算復雜水溶液系統的熱力學性質和傳遞性質。

UniSim的換熱器設計換熱器設計軟件包是霍尼韋爾自主擁有的產品，做為UniSim平臺的擴展構成部分，各種換熱設備的設計也列入了UniSim的產品系列中。

UniSim Shell-Tube ExchangerModeler(STE) 管殼式換熱器模塊是世界上非常優秀的管殼式換熱器軟件，用戶遍及化工及石化行業。以計算準確性和工程實用性而聞名。新一代的STEM將所有管殼式換熱器集為一體，將傳熱和機械強度計算融為一體。可用于多組分，多相流冷凝器，罐式重沸器、降液膜蒸發器，多臺換熱器組等，并提供管束排列圖。

UniSim Crossflow ExchangerModeler(CFE) 橫流換熱器主要用于空冷器及其它類似換熱裝置，可以模擬光管或翅片管束，管外界質可以是空氣或其他氣體?？梢阅M計算以下系統：空冷，煙氣余熱回收系統、空調系統、空氣除濕系統、制冷系統等。

UniSim Fired Process HeaterModeler(FPH) 加熱爐對于給定爐型及其結構尺寸、燃料消耗量、過?？諝庀禂?、被加熱介質等，軟件能進行以下計算：通過燃燒室和對流室的傳熱計算及多相流流體計算，可得到被加熱流體和煙氣的溫度分布和壓力分布。其中煙氣的壓力分布是沿燃燒室經對流段至煙囪的非常詳細的數據。

UniSim Plate-Fin ExchangerModeler(PFE) 板翅式換熱器根據各流股的工藝條件，計算出換熱器的幾何尺寸及通道層數，核算給定進出口狀態，核算換熱器。模擬給定板翅式換熱器的幾何尺寸、通道層數及進口狀態，計算出口狀態

UniSim Plate Heat ExchangerModeler(PHE) 板式換熱器可設計熱負荷和壓力降，模擬給定板式換熱器的在給定物流和入口條件下熱負荷、壓力降和出口物流變化；驗查給定的形狀的換熱器是否滿足需要的負荷或出口物流條件要求。換熱器的中平板類型、數量和通過的順序等均可進行調整。

UniSim Design Suite有以下杰出的技術特點：

穩態和動態集成的建模環境

UniSim提供了穩態（Steady State)和動態（Dynamic State)兩種模擬環境，穩態和動態共享相同的物性數據和熱力學方法，共享單元模型。用于工藝設計的穩態模型在提供了相關的設備數據后就可能轉為動態模型，使用戶方便地擴展多方面的工程應用。 “模擬”可以理解為“模仿”與“擬合”，是用軟件作為工具，去模仿一個過程（反應、吸收、換熱、流動等），根據所給過程條件（溫度、壓力、流量、設備尺寸），對這個過程進行物料平衡、能量平衡、相平衡、化學平衡的計算，預計過程可能發生的現象，指導科研、設計、生產部門的工作。過程可以是實際生產過程、實驗過程、假象過程。穩態和動態的模擬具有不同的目的，并且能夠形成有益的補充：

? 化工工藝的設計和優化包括穩態和動態行為的研究，穩態模型可以進行穩態能量和物料的平衡計算以及評價裝置的細節，化工工程師使用穩態模擬去優化工藝。

? 借助動態模擬，可以確定在安全和容易操作的情況下裝置是否可以生產需要的產品，通過定義詳細的設備條件來確認裝置是否與實際的情形一致，離線的動態模擬可以優化控制器從而改善裝置產量和安全性。

? 動態模擬能夠幫助更好的設計、優化和操作化工工藝和裝置，動態模擬工具對于更好的研究過程行為、穩定操作是非常重要的。根據不同的需求可以設計和測試不同的控制策略，可以檢驗系統擾動的動態響應和優化控制器，動態分析提供反饋和改善穩態模型。

輕松地建模環境圖形化的流程搭建是在稱之為“工藝流程圖PFD”的建模環境上實現。各種單元設備和物流的連接均以圖形化的形式體現，過程調試輔助工具為流程的正確模擬提供了保證。此外還提供如剪切、拷貝、粘貼、子流程圖等方式提高流程結構化和建模效率。

豐富的單元操作模型做為石油、化工流程的基本過程“三傳一反”，即動量傳遞、質量傳遞、熱量傳遞和反應單元相關的單元設備均包括在UniSim模擬平臺上，如泵、壓縮機、精餾塔、閃蒸罐、換熱器、加熱爐、平推流/全混流等多種反應器。并能真實地模擬各種工況，如空罐、溢流、倒流、氣蝕等。

綜合的嚴格物性數據庫 UniSim提供了一組功能強大的物性計算包，對石油天然氣和冶煉行業中的物性、傳輸特性、物相特性進行精確的計算。它的基礎數據是來源于世界富有盛名的物性數據系統，并經過本公司的嚴格校驗。這些數據包括 160,000個交互作用參數和1,800多個純物質數據。最新UniSim平臺允許用戶根據需要增加新的組份。

原油環境 UniSim平臺的油環境可以對石油流股進行分析，利用原油評價的基礎數據，通過分析和調合可以產生準確的原油虛擬組份，并進一步用于如常減壓裝置的模擬。硫及重金屬的分布可以得到準確的模擬。

內置人工智能在系統中設有人工智能系統，它在所有過程中都能發揮非常重要的作用。當輸入的數據能滿足系統計算要求時，人工智能系統會驅動系統自動計算。當數據輸入發生錯誤時，該系統會告訴你哪里出了問題。

數據回歸包數據回歸包提供了強有力的回歸工具。用實驗數據或庫中的標準數據通過該工具用戶可得到焓、氣液平衡常數K的數學回歸方程 (方程的形式可自定)。用回歸公式可以提高運算速度，在某些條件下還可使計算精度提高。

擴展性 UniSim軟件是具有高度開放性模擬的平臺，利用它用戶完全可以自定義用戶程序并無縫地集成到UniSim平臺中。UniSim軟件的集成的模擬環境及完全開放的面向對象的軟件設計思路完全符合對象連接與嵌入規則(OLE)，軟件允許定制客戶自己的程序。它的完美的直觀的用戶界面，使人操作起來便捷、自然。對象的連接和嵌入(OLE)的擴展功能允許用戶開發用戶穩態和動態的單元模型；如規定專有的反應動力學表達式；建立特定的物性數據包。

工藝參數優化器軟件中增加了功能強大的優化器，它有五種算法供您選擇，可解決無約束、有約束、等式約束及不等式約束的問題。其中序列二次型是比較先進的一種方法，可進行多變量的線性、非線性優化，配合使用變量計算表，你可將更加復雜的經濟計算模型加入優化器中，以得到最大經濟效益的操作條件。

豐富的控制算法除化工單元操作算法外，UniSim同時有豐富的控制算法支持過程控制和過程監視功能。

方案分析工具某些變量按一定趨勢變化時，其它變量的變化趨勢如何呢？了解這些對方案分析非常重要。比如，當研究塔的回流比和產品質量的變化對熱負荷、產量、溫度的影響時，在UniSim的方案分析中選擇回流比和產品質量作為自變量，給出它們的變化范圍和步長，UniSim就開始計算，最后會給出一個匯總表供工藝人員進行分析。

支持AcitiveX控件允許集成用戶創建的單元操作、專有的反應動力描述、專門的特性包?？膳c微軟的Excel和Visual Basic方便地集成。

拓展功能近年來，霍尼韋爾分別與一些在某專業鄰域有突出特長的公司簽定了聯盟協議，如Infochem計算機服務有限公司、Neotechnology咨詢有限公司、Scandpower石油技術公司和斯倫貝謝（Schlumberger）有限公司和OLI公司，做為霍尼韋爾為過程控制業提供的UniSim仿真解決方案的組成部分。這些聯盟使霍尼韋爾可在UniSim平臺上提供各專業領域獨到的專業知識。

2.2 UniSim Operations Suite仿真操作套件

UniSim Operations Suite是以UniSim Design基礎模擬平臺，與控制系統相結合，用于操作培訓和控制校驗的系統。

UniSim Operations Suite帶來的主要效益如下：

? 加速生產投運，增加工廠利潤

? 避免生產事故，維持工廠利潤

? 保護企業的資產和生產環境

UniSim Operations Suite技術特點如下：

? 獨特的仿真技術

UniSimTM Operations Suite的仿真技術是基于工廠里管道圖、儀表圖和設備數據表的詳細信息的。仿真器是實時動態的模型，它結合了所有控制相關的詳細內容。其最大的特點是仿真精度非常高。仿真模型的規模不受限制，既可用于詳細的工程研究，也可作為實時應用（如操作仿真培訓）。

UniSim Operations Suite利用工程和熱力學關系的基本原理精確地描述設備的運轉狀態。這些功能已得到廣泛的應用，并在實踐中經過了無數次的驗證。必要時，也可把霍尼韋爾其它的組件與仿真器結合，以幫助客戶實現最大的利潤。

? 精確的物性

任何仿真模型的好壞最終決定于物性的有效性和相關的熱力學計算。UniSimTM所用的是霍尼韋爾先進的物性解決方案，而這種解決方案是目前市場上公認最好的，并已廣泛地應用到各種場合。

? 先進的仿真引擎

UniSim Operations Suite是建立在綜合的動態的設備仿真基礎上，它是繼承了過去20年的優秀成果，面向未來的解決方案。為保護客戶在仿真方面的投資，Unisim支持以前用霍尼韋爾的shadow plant 和Aspen的Virtual plant Simulator在公用接口和控制執行環境中開發的仿真模型。這樣，在一個統一的環境中，用戶既可得到對以前方案的支持，又可以利用我們最好的技術開發新的模型

? 綜合培訓功能

Unisim培訓站提供各種性能的設備協助進行操作員培訓。可以完成的主要任務有基本課程、故障排除及學員評估，這些任務是通過圖形用戶接口來完成的。

? 彈性的仿真架構

Unisim可以仿真任何規模、任何復雜度的設備。這種杰出的能力來自于其專有的計算架構，這種架構允許多個仿真同時運行于一個或多個計算機上。從而，大的模型可以分布在幾臺計算機上；在一個監視器上可運行多個用戶界面；可以很方便地集成外部的硬件系統（如DCS、PLC等）。

? 與DCS的集成

在許多情況下，如果能把模型與DCS集成，Unisim仿真器將會帶來更大的附加值。這在操作員培訓和試運行驗證工作中特別重要。

UniSim Operations Suite包含以下應用軟件：

? Procedure Development & Assessment（操作過程開發和評估）

在開工幾個月之前，你就可以利用Unisim仿真器對工藝反復進行仿真操作，以掌握和優化正常和異常情況下的操作程序。這樣，由于操作程序都按工藝過程和控制的動態特性進行了驗證。你的班組就會對操作過程更有信心。

一旦開始設備開始運行，就可以擴展一些培訓內容了，如對一些經常性的事故如何采取補救措施，防止再次發生。采用這種方式，同事們可以從其他發生過事故的同事那吸收教訓。

? Control Strategy Assessment（控制方案評估）

第一次進行控制操作時不一定要在系統真正運行時，因為實際的工藝過程存在風險。早在項目投運前，利用動態仿真，項目組可以調節控制器的參數，確認聯鎖和系統安全，優化報警組態及穩定控制回路。

? Comprehensive Training Programs（綜合培訓計劃）

綜合培訓最直接的好處就是保證系統有效地投運。系統投運后，其好處就體現在正常的操作中，這時焦點轉移到如何維護生產了。

? Scenario Assessment（事故分析）

霍尼韋爾過程解決方案中的UniSim ProcessSync,是提高操作員效率的獨有的軟件工具。它基于霍尼韋爾的成熟的Uniformance 技術，恢復實際的設備數據并進行事故分析、補救培訓以及與未在場的人員分享經驗。

? Online Performance Monitoring（在線性能監控）

利用連接器把仿真器與控制室相連，給操作人員提供了一個決策支持工具幫助其進行早期事故檢測。

UniSim仿真操作系統將UniSim的高精度模擬功能與霍尼韋爾在操作培訓和自控領域的豐富的經驗完美地結合。典型的系統結構如下：

圖 3 利用UniSim構成的操作培訓系統的系統架構

UniSim仿真操作系統的主要包括：模擬服務器，DCS操作站，現場站，教員站及控制器模擬站。

仿真模型服務器用于OTS工程師進行客戶化的模型開發，動態仿真工藝過程的運行，其運行平臺完全基于UniSim Design 及基于此建立的模型。

圖 4 UniSim模型服務器界面

DCS操作站該操作站由DCS廠家提供并專用于OTS系統，其軟硬件配置與生產用DCS操作站完全一致。其用戶組態文件如操作員界面將從生產用DCS中拷貝并下裝到該操作站上，故其界面與生產裝置所用界面完成一致。

現場站(可兼操作員站) 現場站主要用于外操人員（現場操作員），現場站是完成在DCS操作站上無法完成的遠程操作功能，如現場手動開關閥、就地開關面板或位于控制室內的輔操臺上按扭開關等。這些操作并不在DCS上完成，但在開/停車及緊急狀態下卻需要這些操作。操作員可以在該站圖形界面上通過鼠標完成輔助操作臺的功能。

但當系統未連接DCS操作站時，此站可替代DCS操作站的功能。操作員通過該站實現各種DCS操作功能，如控制器的投用（手動、自動、串級等），泵的啟停等。

教員站主要作用是控制動態仿真程序的運行，用于教員對學員進行培訓、設定故障、設定培訓課程、學員表現評定等。利用鼠標點擊，就可以進行許多操作，如運行操作員動態仿真系統 (OTS)、執行命令及選擇某項功能等。教員控制臺采用Windows操作系統，它可同時顯示多個畫面或窗口，這些畫面或窗口按層疊的方式排放。

圖 5 教員站提供的主要教員控制功能

DCS控制模擬站在PC機上模擬DCS控制器的控制執行環境，使實際生產使用的控制組態包可直接下裝用于OTS培訓系統。在操作員培訓系統生成或修改后的DCS組態文件可上載到真實的DCS系統中。該站的配置以DCS廠家標準為準，其數量依DCS廠家對模擬站容量要求而定，一般一個模擬站可模擬3-4個真實控制器。

圖 6 UniSim教員站界面

2.3 UniSim Optimization Suite 優化套件

UniSim優化套件主要基于主要用于在線優化，UniSim穩態嚴格機理模型通過Profit Bridge與honeywell公司先進控制與優化套件中的ProfitMax實時優化器相結合，從而實現先進控制器/優化器的在線增益更新，適合非線性過程的先進控制與在線優化應用。

UniSim Optimization Suite帶來的好處：

UniSim Optimization Suite提供獨特的動態非線性優化解決方案，增加企業的利潤，提高工廠對商業計劃和工藝性能變化的快速反應能力。它可為企業帶來如下好處：

? 切實改進工藝—通過提高生產能力，提高產量，減少操作費用，保證質量的連續性，增加操作的靈活性和提高穩定性，其帶來和利潤比采用APC帶來的利潤要高出25%。

? 持續的利潤—UniSim OptimizationSuite與先進控制的緊密集成所提供的優化方案非常容易維護，一般只要花用到5－10%的工程項目的時間。優化方案的在線使用時間可超過95%的系統運行時間，因此系統可獲得持續的優化。

? 離線優化，在線使用—UniSim Optimization Suite可以在線使用離線設計和優化的模型。這使得整個工廠生命周期中可使用穩定的模型，從而為在仿真軟件上的投資帶來最大的回報。

? 從單個操作單元到全廠范圍內的動態優化—UniSim OptimizationSuite是霍尼韋爾獨特的分層優化的一部分。這樣Unisim能解決從單個操作單元、線性的基于模型的優化問題到多操作單元、全廠范圍內的、非線性的基于模型的優化問題。除此之外，這種分層優化還允許對優化技術進行不斷地改進和選擇，而不是對所有的優化問題采用一種方法來解決。當然，只有經過驗證過的優化方法才可以加入到優化層中。

UniSim Optimization Suite技術特點包括：

? Profit Bridge Socket（優化橋）—UniSim Optimization Suite包含一個優化橋，通過它，Unisim模型可與honeywell公司先進控制與優化套件Profit Optimizer和Profit Controller無縫集成（圖7所示），以實現非線性的優化和控制。使用優化橋時，Unisim模型給Profit控制器和Profi t優化器提供不斷更新的增益。非線性增益可提高Profit Suite應用程序的優化和控制性能。

? P r o f i t M a x 集成— U n i S i m Optimization Suite可以實現許多U n i S i m 模型在霍尼韋爾的Profi tMax的實時優化系統內進行集成。Profi tMax支持穩態、非線性的優化，并能把其優化的穩態目標值下載到Profit Optimizer中，以便在工廠里實現優化控制。Profi tMax最適合于高度非線性的系統或特殊的優化問題如混合的整體非線性規劃問題。

? 支持AcitiveX控件—允許集成用戶創建的單元操作、專有的反應動力描述、專門的特性包。

? 綜合的單元操作—包括穩態環境中的蒸餾、反應、熱傳遞操作、設備旋轉及邏輯操作。實踐證明其可提供優質的、逼真的結果。

? 大量的優化工具—UniSim DesignSuite包含一個嵌入式用于優化工藝操作的SQP（順序的二次規劃）優化工具。除此之外，還有一個強大的內置的數據處理工具，它在提供在線參數估計時，允許丟棄壞的測量值。　

? 內置的神經網絡模型—可以利用那些用實際的工廠數據難以模擬的基本原理模型把特定的工藝或操作插入到Unisim中。還可以利用來自模型（這些模型從UniSim數據表得到）的數據訓練出一個神經網絡。它與基本原理模型的結果會非常接近，但是仿真或優化的速度能顯著提高。

UniSim Optimization Suite應用軟件

優化模擬套件包括：UniSim模型與霍尼韋爾優化和先控技術方案集成、增益更新和在線優化、先進排產與計劃調度等。

3 UniSim主要功能

UniSim的主要功能概括起來，包括如下幾點：

? 工藝過程的動態研究、評估

o 正常生產操作研究

o 裝置開車和停車研究

o 工藝設備故障處理和緊急停車處理應急預案研究