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
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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
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。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
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？
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
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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
过程模拟项目 DCS设备 PFD 设计 控制过程动先进控制提OTS 软件提供商 提供商 Honeywell ASPEN Hyprotech Honeywell RMPCT Simcon/HKD SimconX ABB Lummus 乙烯裂解 炉数学模型 乙烯裂解 优化 [7]
态模拟软件 供商 软件/设备 TDC3000 Aspen Plus HYSYS
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。
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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。
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