【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于精細化工生產過程控制的，具體涉及一種精細化工硝化工藝生產過程的數字孿生管理系統及方法。
技術介紹
1、硝化是有機化合物分子中引入硝基(-no2)的反應，用于生產硝基化合物、硝胺、硝酸酯和亞硝基化合物等，涉及硝化反應的工藝過程為硝化工藝，是精細化工領域常見的反應類型之一。硝化反應具有速度快、放熱量大、易燃爆等特點，國內硝化主流生產方法是以硝酸、硫酸混合為硝化劑的間歇液相硝化法，所采用的設備是釜式反應器。該工藝過程依靠人工加料，一次性間歇操作生產，但釜內局部熱量容易積累，傳質傳熱能力差，安全隱患大，易發生安全事故。國家要求硝基苯等27種化學品間歇和半間歇釜式硝化工藝禁用，二年內改造完畢，促使未來兩年內技改需求快速釋放。
2、為提高硝化工藝的安全可靠性，目前主流發展方向是進行連續化改造，將工藝操作過程轉變成連續化，降低人工誤操作引發安全事故的幾率。相比間歇工藝，連續工藝更依賴完備的自控系統，若自動控制系統配套薄弱，則連續化工藝的本質安全得不到保障。與此同時，硝化工藝的防爆需求和精細化工的柔性生產需求也對自控系統提出了更高要求。
3、目前工業上多采用dcs系統對工藝生產過程進行控制，主要分為檢測、運算/命令、執行三方面。檢測包括各監測點位布置溫度、壓力、流量、液位等相應儀表，各儀表測得的數據信號通過電纜傳輸等途徑到達中控室，通過比較實際測得數值與工藝需求設置參數之間的偏差，包括溫度、壓力、流量、液位等簡單參數以及串級、比值、多沖量等復雜系統，決策后發出命令，反饋到控制閥等執行器執行相應命令，從而實現
技術實現思路
1、有鑒于此，本專利技術提供了一種精細化工硝化工藝生產過程的數字孿生管理系統及方法，將工廠的實際運行情況、工藝參數和設備狀態等信息與虛擬數字模型進行整合匹配，以實現工廠流程、設備運行、工藝參數、生產產能和品質監控等方面的實時跟蹤和調整優化。
2、實現本專利技術的技術方案如下：
3、一種精細化工硝化工藝生產過程的數字孿生管理系統，所述數字孿生管理系統仿照工廠廠區建立1:1三維數字地圖，在平臺內直觀呈現化工廠區場景，包括建筑、道路、管道、動設備、靜設備、儀器儀表、原料等要素；所述數字孿生管理系統包括信號采集模塊、數據分析處理模塊、閥及泵調節模塊、安全預警模塊和網絡管理模塊；
4、所述信號采集模塊包括溫度、壓力、流量、液位等相應儀表以及電線電纜等信號傳輸裝置，檢測出的原始數據經過信號傳輸裝置傳輸到數據分析處理模塊；
5、所述數據分析處理模塊包括原始信號數據庫、預先給定的參數控制限值及目標值、依據經驗數據形成的數據變化曲線函數、指令發送裝置；原始信號數據庫先存儲信號采集模塊傳輸來的檢測數據，將檢測數據與預先給定的參數控制限值及目標值進行對比，超出控制限制范圍時，在一體化平臺上發出預警信號或彈窗提示，并通過指令發送裝置向閥及泵調節模塊發出相應指令，使得參數回歸到合理范圍內并逐步向目標值保持一致；
6、所述閥及泵調節模塊包括指令接收裝置、電動調節閥及變頻泵；閥及泵調節模塊的指令接收裝置，接收自數據分析處理模塊發送裝置發出的指令后，相應的電動調節閥及變頻泵等依據指令發生動作；
7、所述安全預警模塊包括生產危險源監測預警、風險分區、人員定位、巡檢管理；
8、所述網絡管理模塊包括網關、5g基站、云服務器、app終端、一體化平臺以及各關鍵節點的加密信道、身份認證、錯誤檢測等安全可靠機制，對網絡狀態進行監控、優化，網絡異常時進行報警。
9、進一步地，所述的數據分析處理模塊中建立數值變化速率與流量的函數關系x＝f(f,δx/δt)，f表示流量，x表示溫度或壓力，δx表示一定時間內溫度或壓力的變化值，δt表示一定時間，δx/δt表示溫度或有壓力的變化速率；當溫度、壓力變化速率在極限值區間范圍以內，采用單一調節手段；在極限值區間以外，采用組合調節手段，并計算每一次組合調節時的變化速率調節區間，提前預判系統的調節指令，并精準計算出調節動作，減少滯后效應。
10、進一步地，單一調節手段ⅰ：x?。絝1(fⅰ,δxⅰ/δt)，xⅰ表示在單一手段ⅰ條件下溫度或壓力的數值，δxⅰ表示在單一手段ⅰ條件下一定時間內溫度或壓力的變化值，δt表示一定時間，δxⅰ/δt表示在單一手段ⅰ條件下溫度或壓力的變化速率，fⅰ表示單一調節手段所調控的流量數值，f1表示單一調節手段的函數關系。
11、進一步地，組合調節手段ⅰ和ⅱ組合：xⅱ＝f2(fⅱ,f1(fⅰ,δxⅱ/δt))，xⅱ表示在調節手段ⅰ和ⅱ組合條件下溫度或壓力的數值，δxⅱ表示在調節手段ⅰ和ⅱ組合條件下一定時間內溫度或壓力的變化值，δt表示一定時間，δxⅱ/δt表示在調節手段ⅰ和ⅱ組合條件下溫度或壓力的變化速率，fⅰ表示調節手段ⅰ所調控的流量數值，fⅱ表示調節手段ⅱ所調控的流量數值，f1表示單一調節手段條件下的函數關系，f2表示調節手段ⅰ和ⅱ組合條件下的函數關系。
12、進一步地，所述生產危險源監測預警是針對危化品儲存設施、生產裝置、可燃有毒氣體、?；に?、監控視頻等數據進行實時監控，發生異情時立即報警，通過點擊或搜索定位到報警點，快速查看設備的報警情況，并且將報警狀態以顯著的形式呈現在設備模型上。
13、所述數字孿生管理系統的管理方法，包括以下步驟：
14、步驟一、信號采集模塊將所采集的流量初值、溫度、壓力、液位、流量等信號傳輸給數據分析處理模塊；
15、步驟二、數據分析處理模塊將信號接收、存儲后進行數據處理，依據外界輸入的溫度、壓力、液位、流量等給定值進行對比判斷，如果超過預警值，將報警并采取緊急措施，如果未達到報警值將繼續判斷是否超過設定值；如果在設定值范圍內將繼續監測溫度、壓力、液位、流量等信號，重復上述步驟；
16、如果超過設定值范圍，將依據外界輸入的閥門開度和變頻泵頻率與溫度、壓力、液位、流量之間的函數關系，計算并輸出閥門開度調節信號和變頻泵頻率調節信號；
17、步驟三、數據分析處理模塊將調節信號發送給閥及泵調節模塊進行設備的流量調節，從而實現流量調整，并進一步實現溫度、壓力、液位等數據的調整，直至調整到設定值以內，持續進行工藝關鍵指標的動態監控及調整，保障正常生產。
18、進一步地，所述緊急措施，具體為緊急停車系列措施，將反應器內溫度、反應器內壓力、原料流量、冷卻循環水形成聯鎖關系，當反應失控時，自動報警、自動停止加料并全開冷卻循環水緊急冷卻，同時設有泄爆管和緊急排放系統。
19、有益效果：
20、1、本專利技術使用數字孿生管理系統，建立化工生產信息網絡，提高化工工藝流程和生產過程自動化、數字化、智能化，可以更好地提高生產效率、提高產品質量、降低成本、減少資源浪費和環境污染。
21、2、本專利技術將現實工廠的實際運行情況、工藝參數和設備狀態等信息與虛擬數字模型進行整合匹配，以實現工廠流程、設備運行、工藝參數、生產產本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種精細化工硝化工藝生產過程的數字孿生管理系統，其特征在于，包括信號采集模塊、數據分析處理模塊、閥及泵調節模塊、安全預警模塊和網絡管理模塊；
2.如權利要求1所述的數字孿生管理系統，其特征在于，所述的數據分析處理模塊中建立數值變化速率與流量的函數關系x＝f(F,Δx/Δt)，F表示流量，x表示溫度或壓力，Δx表示一定時間內溫度或壓力的變化值，Δt表示一定時間，Δx/Δt表示溫度或有壓力的變化速率；當溫度、壓力變化速率在極限值區間范圍以內，采用單一調節手段；在極限值區間以外，采用組合調節手段，并計算每一次組合調節時的變化速率調節區間，提前預判系統的調節指令，并精準計算出調節動作，減少滯后效應。
3.如權利要求2所述的數字孿生管理系統，其特征在于，單一調節手段Ⅰ：xⅠ＝f1(FⅠ,ΔxⅠ/Δt)，xⅠ表示在單一手段Ⅰ條件下溫度或壓力的數值，ΔxⅠ表示在單一手段Ⅰ條件下一定時間內溫度或壓力的變化值，Δt表示一定時間，ΔxⅠ/Δt表示在單一手段Ⅰ條件下溫度或壓力的變化速率，FⅠ表示單一調節手段所調控的流量數值，f1表示單一調節手段的函數關系。
4.
5.如權利要求1所述的數字孿生管理系統，其特征在于，所述生產危險源監測預警是針對?；穬Υ嬖O施、生產裝置、可燃有毒氣體、?；に?、監控視頻等數據進行實時監控，發生異情時立即報警，通過點擊或搜索定位到報警點，快速查看設備的報警情況，并且將報警狀態以顯著的形式呈現在設備模型上。
6.一種應用于權利要求1～5任一系統的管理方法，其特征在于，包括以下步驟：
7.如權利要求6所述的管理方法，其特征在于，所述緊急措施，具體為緊急停車系列措施，將反應器內溫度、反應器內壓力、原料流量、冷卻循環水形成聯鎖關系，當反應失控時，自動報警、自動停止加料并全開冷卻循環水緊急冷卻，同時設有泄爆管和緊急排放系統。
...【技術特征摘要】
1.一種精細化工硝化工藝生產過程的數字孿生管理系統，其特征在于，包括信號采集模塊、數據分析處理模塊、閥及泵調節模塊、安全預警模塊和網絡管理模塊；
2.如權利要求1所述的數字孿生管理系統，其特征在于，所述的數據分析處理模塊中建立數值變化速率與流量的函數關系x＝f(f,δx/δt)，f表示流量，x表示溫度或壓力，δx表示一定時間內溫度或壓力的變化值，δt表示一定時間，δx/δt表示溫度或有壓力的變化速率；當溫度、壓力變化速率在極限值區間范圍以內，采用單一調節手段；在極限值區間以外，采用組合調節手段，并計算每一次組合調節時的變化速率調節區間，提前預判系統的調節指令，并精準計算出調節動作，減少滯后效應。
3.如權利要求2所述的數字孿生管理系統，其特征在于，單一調節手段ⅰ：x?。絝1(fⅰ,δxⅰ/δt)，xⅰ表示在單一手段ⅰ條件下溫度或壓力的數值，δxⅰ表示在單一手段ⅰ條件下一定時間內溫度或壓力的變化值，δt表示一定時間，δxⅰ/δt表示在單一手段ⅰ條件下溫度或壓力的變化速率，fⅰ表示單一調節手段所調控的流量數值，f1表示單一調節手段的函數關系。
4.如權利要求2所述的數字孿生管理系統，其特征在于，組合調...
【專利技術屬性】
技術研發人員：夏苗，黃益平，胡猛，黃晶晶，倪澤雨，
申請(專利權)人：中建安裝集團有限公司，
類型：發明
國別省市：
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