UniSimTM的三大应用模块

UniSimTM主要由以下三个应用模块组成：

• UniSim Design Suite 工艺设计套件

• UniSim Operations Suite 操作运营套件

• UniSim Optimization Suite 优化模拟套件

 

2.1 UniSim Design Suite 工艺设计套件

UniSim Design Suite工艺设计套件基于成熟的技术，已经具有三十年的开发应用经验，主要应用效益体现在：

• 改进工艺设计－工程师可迅速地对工艺设计做出评估，包括利润是不是最大、可靠性如何、安全性如何等

据估计，在项目投产中由于工艺临时更改产生的费用占到总项目投资的7%。UniSim使工程师能早期评估他们的工艺设计对整个项目的影响。在设计新的工艺时，UniSim可让用户对各种现场情况快速建模。交互式的环境有利于用户作“what-if"的研究和敏感性分析。利用Unisim可对工艺进行高精度地建模，模型中包含有设备和工艺的详细信息。

• 监控设备的性能－保证设备性能最优化

Unisim能让用户迅速确定设备运行性能是否达到标称值。例如，故障维修或改善设备操作性能的工程师可利用Unisim估计设备是否出现问题（如热交换器结垢，塔板溢流，压缩机和分离器效率低等），参与技改项目的工程师可迅速对用不于同场合的设备性能进行评估，并可预测由于设计基准变化可能会带来的影响。

• 减少工程费用－减少手工操作、避免重复输入容易出错的数据

利于Unisim创建在整个工厂的生命周期（见图2）都可调整的工艺模型，可以减少工程设计的费用。Unisim从概念设计到详细设计、设计评估、培训及优化过程，提供了非常好的环境，保证工程师能快速高效地完成工作。它可节省时间，并尽可能避免容易出错的手工操作，如数据传送、格式编排及产品与工艺数据的分析等，而这通常要占到整个工程项目30%的工时数。

 图 2 UniSim平台全生命周期应用

 

UniSim Design Suite主要软件包包括：

NeoteNeotec的PIPESYS 用于管道中单相和多相流的综合模拟，同时Neotec的黑油选项（Black Oil ），还可以用于计算那种很难确定组分的石油流体的相态行为。包括严格单相流或多相流模拟；压力正推或反算；模拟各种管路设备的影响，包括压缩机、泵、换热器、冷凝器、调节阀、弯管等；进行一些特殊分析，如Slug流预测、管路腐蚀速度预测、严重Slug流态检查；模拟单管或管网；灵敏度分析。

Schlumberger的AMSIM 斯伦贝谢公司的胺包被集成到UniSim平台用于胺处理模块模拟和优化气相和液相胺处理过程，包括单相、混合相或活性胺。严格模拟氢化硫和二氧化碳的吸收，和在各种工业溶剂中的反应。一个高级的热力学电解模型得到的结果比经验模型的结果更可靠，尤其是混合胺的处理。

Scandpower的OLGAS 两相和三相流选项，可用于管道中多相流特性的计算，另外，还可以通过已有接口，与Scandpower的OLGA2000连接，管中多相流的瞬态模拟，以及井上管线和管网模拟。

    InfoChem的多相闪蒸（MultiFlash） 用于复杂混合物的相行为计算。

OLI的电解质包（Electrolyte Package） 利用OLI公司的专业的电解质组分和OLI引擎，UniSim平台可以严格模拟电解质系统。包括以下功能：

•  OLI模型预测和考虑溶液中所有的组分、离子；

•  基于Helgeson状态方程，OLI模型可在最广的水溶液条件下提供精确的平衡常数和状态性质；

•  结合Bromley、Zemaitis、Meissner、Pitzer，及OLI特有技术，该模型的活度系数方法可准确模拟强电解系统；

•  提供包括79个无机元素及其组分，和超过3000种有机组分的综合电解质数据库；

•  通过OLI特有的热力学物性包，可计算复杂水溶液系统的热力学性质和传递性质。

UniSim的换热器设计 换热器设计软件包是霍尼韦尔自主拥有的产品，做为UniSim平台的扩展构成部分，各种换热设备的设计也列入了UniSim的产品系列中。

UniSim Shell-Tube ExchangerModeler(STE) 管壳式换热器模块是世界上非常优秀的管壳式换热器软件，用户遍及化工及石化行业。以计算准确性和工程实用性而闻名。新一代的STEM将所有管壳式换热器集为一体，将传热和机械强度计算融为一体。可用于多组分，多相流冷凝器，罐式重沸器、降液膜蒸发器，多台换热器组等，并提供管束排列图。

UniSim Crossflow ExchangerModeler(CFE) 横流换热器主要用于空冷器及其它类似换热装置，可以模拟光管或翅片管束，管外界质可以是空气或其他气体。可以模拟计算以下系统：空冷，烟气余热回收系统、空调系统、空气除湿系统、制冷系统等。

UniSim Fired Process HeaterModeler(FPH) 加热炉对于给定炉型及其结构尺寸、燃料消耗量、过剩空气系数、被加热介质等，软件能进行以下计算：通过燃烧室和对流室的传热计算及多相流流体计算，可得到被加热流体和烟气的温度分布和压力分布。其中烟气的压力分布是沿燃烧室经对流段至烟囱的非常详细的数据。

UniSim Plate-Fin ExchangerModeler(PFE) 板翅式换热器根据各流股的工艺条件，计算出换热器的几何尺寸及通道层数，核算给定进出口状态，核算换热器。模拟给定板翅式换热器的几何尺寸、通道层数及进口状态，计算出口状态

UniSim Plate Heat ExchangerModeler(PHE) 板式换热器可设计热负荷和压力降，模拟给定板式换热器的在给定物流和入口条件下热负荷、压力降和出口物流变化；验查给定的形状的换热器是否满足需要的负荷或出口物流条件要求。换热器的中平板类型、数量和通过的顺序等均可进行调整。

UniSim Design Suite有以下杰出的技术特点：

稳态和动态集成的建模环境

UniSim提供了稳态（Steady State)和动态（Dynamic State)两种模拟环境，稳态和动态共享相同的物性数据和热力学方法，共享单元模型。用于工艺设计的稳态模型在提供了相关的设备数据后就可能转为动态模型，使用户方便地扩展多方面的工程应用。 “模拟”可以理解为“模仿”与“拟合”，是用软件作为工具，去模仿一个过程（反应、吸收、换热、流动等），根据所给过程条件（温度、压力、流量、设备尺寸），对这个过程进行物料平衡、能量平衡、相平衡、化学平衡的计算，预计过程可能发生的现象，指导科研、设计、生产部门的工作。过程可以是实际生产过程、实验过程、假象过程。稳态和动态的模拟具有不同的目的，并且能够形成有益的补充：

• 化工工艺的设计和优化包括稳态和动态行为的研究，稳态模型可以进行稳态能量和物料的平衡计算以及评价装置的细节，化工工程师使用稳态模拟去优化工艺。

• 借助动态模拟，可以确定在安全和容易操作的情况下装置是否可以生产需要的产品，通过定义详细的设备条件来确认装置是否与实际的情形一致，离线的动态模拟可以优化控制器从而改善装置产量和安全性。

• 动态模拟能够帮助更好的设计、优化和操作化工工艺和装置，动态模拟工具对于更好的研究过程行为、稳定操作是非常重要的。根据不同的需求可以设计和测试不同的控制策略，可以检验系统扰动的动态响应和优化控制器，动态分析提供反馈和改善稳态模型。

轻松地建模环境 图形化的流程搭建是在称之为“工艺流程图PFD”的建模环境上实现。各种单元设备和物流的连接均以图形化的形式体现，过程调试辅助工具为流程的正确模拟提供了保证。此外还提供如剪切、拷贝、粘贴、子流程图等方式提高流程结构化和建模效率。

丰富的单元操作模型 做为石油、化工流程的基本过程“三传一反”，即动量传递、质量传递、热量传递和反应单元相关的单元设备均包括在UniSim模拟平台上，如泵、压缩机、精馏塔、闪蒸罐、换热器、加热炉、平推流/全混流等多种反应器。并能真实地模拟各种工况，如空罐、溢流、倒流、气蚀等。

综合的严格物性数据库 UniSim提供了一组功能强大的物性计算包，对石油天然气和冶炼行业中的物性、传输特性、物相特性进行精确的计算。它的基础数据是来源于世界富有盛名的物性数据系统，并经过本公司的严格校验。这些数据包括 160,000个交互作用参数和1,800多个纯物质数据。最新UniSim平台允许用户根据需要增加新的组份。

原油环境 UniSim平台的油环境可以对石油流股进行分析，利用原油评价的基础数据，通过分析和调合可以产生准确的原油虚拟组份，并进一步用于如常减压装置的模拟。硫及重金属的分布可以得到准确的模拟。

内置人工智能 在系统中设有人工智能系统，它在所有过程中都能发挥非常重要的作用。当输入的数据能满足系统计算要求时，人工智能系统会驱动系统自动计算。当数据输入发生错误时，该系统会告诉你哪里出了问题。

数据回归包 数据回归包提供了强有力的回归工具。用实验数据或库中的标准数据通过该工具用户可得到焓、气液平衡常数K的数学回归方程 (方程的形式可自定)。用回归公式可以提高运算速度，在某些条件下还可使计算精度提高。

扩展性 UniSim软件是具有高度开放性模拟的平台，利用它用户完全可以自定义用户程序并无缝地集成到UniSim平台中。UniSim软件的集成的模拟环境及完全开放的面向对象的软件设计思路完全符合对象连接与嵌入规则(OLE)，软件允许定制客户自己的程序。它的完美的直观的用户界面，使人操作起来便捷、自然。对象的连接和嵌入(OLE)的扩展功能允许用户开发用户稳态和动态的单元模型；如规定专有的反应动力学表达式；建立特定的物性数据包。

工艺参数优化器 软件中增加了功能强大的优化器，它有五种算法供您选择，可解决无约束、有约束、等式约束及不等式约束的问题。其中序列二次型是比较先进的一种方法，可进行多变量的线性、非线性优化，配合使用变量计算表，你可将更加复杂的经济计算模型加入优化器中，以得到最大经济效益的操作条件。

丰富的控制算法 除化工单元操作算法外，UniSim同时有丰富的控制算法支持过程控制和过程监视功能。

    方案分析工具 某些变量按一定趋势变化时，其它变量的变化趋势如何呢？了解这些对方案分析非常重要。比如，当研究塔的回流比和产品质量的变化对热负荷、产量、温度的影响时，在UniSim的方案分析中选择回流比和产品质量作为自变量，给出它们的变化范围和步长，UniSim就开始计算，最后会给出一个汇总表供工艺人员进行分析。

支持AcitiveX控件 允许集成用户创建的单元操作、专有的反应动力描述、专门的特性包。可与微软的Excel和Visual Basic方便地集成。

拓展功能 近年来，霍尼韦尔分别与一些在某专业邻域有突出特长的公司签定了联盟协议，如Infochem计算机服务有限公司、Neotechnology咨询有限公司、Scandpower石油技术公司和斯伦贝谢（Schlumberger）有限公司和OLI公司，做为霍尼韦尔为过程控制业提供的UniSim仿真解决方案的组成部分。这些联盟使霍尼韦尔可在UniSim平台上提供各专业领域独到的专业知识。

2.2 UniSim Operations Suite仿真操作套件

UniSim Operations Suite是以UniSim Design基础模拟平台，与控制系统相结合，用于操作培训和控制校验的系统。

UniSim Operations Suite带来的主要效益如下：

• 加速生产投运，增加工厂利润

• 避免生产事故，维持工厂利润

• 保护企业的资产和生产环境

UniSim Operations Suite技术特点如下：

• 独特的仿真技术

UniSimTM Operations Suite的仿真技术是基于工厂里管道图、仪表图和设备数据表的详细信息的。仿真器是实时动态的模型，它结合了所有控制相关的详细内容。其最大的特点是仿真精度非常高。仿真模型的规模不受限制，既可用于详细的工程研究，也可作为实时应用（如操作仿真培训）。

UniSim Operations Suite利用工程和热力学关系的基本原理精确地描述设备的运转状态。这些功能已得到广泛的应用，并在实践中经过了无数次的验证。必要时，也可把霍尼韦尔其它的组件与仿真器结合，以帮助客户实现最大的利润。

•  精确的物性

任何仿真模型的好坏最终决定于物性的有效性和相关的热力学计算。UniSimTM所用的是霍尼韦尔先进的物性解决方案，而这种解决方案是目前市场上公认最好的，并已广泛地应用到各种场合。

• 先进的仿真引擎

UniSim Operations Suite是建立在综合的动态的设备仿真基础上，它是继承了过去20年的优秀成果，面向未来的解决方案。为保护客户在仿真方面的投资，Unisim支持以前用霍尼韦尔的shadow plant 和Aspen的Virtual plant Simulator在公用接口和控制执行环境中开发的仿真模型。这样，在一个统一的环境中，用户既可得到对以前方案的支持，又可以利用我们最好的技术开发新的模型

• 综合培训功能

Unisim培训站提供各种性能的设备协助进行操作员培训。可以完成的主要任务有基本课程、故障排除及学员评估，这些任务是通过图形用户接口来完成的。

• 弹性的仿真架构

Unisim可以仿真任何规模、任何复杂度的设备。这种杰出的能力来自于其专有的计算架构，这种架构允许多个仿真同时运行于一个或多个计算机上。从而，大的模型可以分布在几台计算机上；在一个监视器上可运行多个用户界面；可以很方便地集成外部的硬件系统（如DCS、PLC等）。

• 与DCS的集成

在许多情况下，如果能把模型与DCS集成，Unisim仿真器将会带来更大的附加值。这在操作员培训和试运行验证工作中特别重要。

UniSim Operations Suite包含以下应用软件：

• Procedure Development & Assessment（操作过程开发和评估）

在开工几个月之前，你就可以利用Unisim仿真器对工艺反复进行仿真操作，以掌握和优化正常和异常情况下的操作程序。这样，由于操作程序都按工艺过程和控制的动态特性进行了验证。你的班组就会对操作过程更有信心。

一旦开始设备开始运行，就可以扩展一些培训内容了，如对一些经常性的事故如何采取补救措施，防止再次发生。采用这种方式，同事们可以从其他发生过事故的同事那吸收教训。

• Control Strategy Assessment（控制方案评估）

第一次进行控制操作时不一定要在系统真正运行时，因为实际的工艺过程存在风险。早在项目投运前，利用动态仿真，项目组可以调节控制器的参数，确认联锁和系统安全，优化报警组态及稳定控制回路。

• Comprehensive Training Programs（综合培训计划）

综合培训最直接的好处就是保证系统有效地投运。系统投运后，其好处就体现在正常的操作中，这时焦点转移到如何维护生产了。

• Scenario Assessment（事故分析）

霍尼韦尔过程解决方案中的UniSim ProcessSync,是提高操作员效率的独有的软件工具。它基于霍尼韦尔的成熟的Uniformance 技术，恢复实际的设备数据并进行事故分析、补救培训以及与未在场的人员分享经验。

• Online Performance Monitoring（在线性能监控）

利用连接器把仿真器与控制室相连，给操作人员提供了一个决策支持工具帮助其进行早期事故检测。

UniSim仿真操作系统将UniSim的高精度模拟功能与霍尼韦尔在操作培训和自控领域的丰富的经验完美地结合。典型的系统结构如下：

 图 3 利用UniSim构成的操作培训系统的系统架构

UniSim仿真操作系统的主要包括：模拟服务器，DCS操作站，现场站，教员站及控制器模拟站。

仿真模型服务器 用于OTS工程师进行客户化的模型开发，动态仿真工艺过程的运行，其运行平台完全基于UniSim Design 及基于此建立的模型。

 图 4 UniSim模型服务器界面

DCS操作站 该操作站由DCS厂家提供并专用于OTS系统，其软硬件配置与生产用DCS操作站完全一致。其用户组态文件如操作员界面将从生产用DCS中拷贝并下装到该操作站上，故其界面与生产装置所用界面完成一致。

现场站(可兼操作员站) 现场站主要用于外操人员（现场操作员），现场站是完成在DCS操作站上无法完成的远程操作功能，如现场手动开关阀、就地开关面板或位于控制室内的辅操台上按扭开关等。这些操作并不在DCS上完成，但在开/停车及紧急状态下却需要这些操作。操作员可以在该站图形界面上通过鼠标完成辅助操作台的功能。

但当系统未连接DCS操作站时，此站可替代DCS操作站的功能。操作员通过该站实现各种DCS操作功能，如控制器的投用（手动、自动、串级等），泵的启停等。

教员站 主要作用是控制动态仿真程序的运行，用于教员对学员进行培训、设定故障、设定培训课程、学员表现评定等。利用鼠标点击，就可以进行许多操作，如运行操作员动态仿真系统 (OTS)、执行命令及选择某项功能等。教员控制台采用Windows操作系统，它可同时显示多个画面或窗口，这些画面或窗口按层叠的方式排放。

图 5 教员站提供的主要教员控制功能

DCS控制模拟站 在PC机上模拟DCS控制器的控制执行环境，使实际生产使用的控制组态包可直接下装用于OTS培训系统。在操作员培训系统生成或修改后的DCS组态文件可上载到真实的DCS系统中。该站的配置以DCS厂家标准为准，其数量依DCS厂家对模拟站容量要求而定，一般一个模拟站可模拟3-4个真实控制器。

图 6 UniSim教员站界面

2.3 UniSim Optimization Suite 优化套件

UniSim优化套件主要基于主要用于在线优化，UniSim稳态严格机理模型通过Profit Bridge与honeywell公司先进控制与优化套件中的ProfitMax实时优化器相结合，从而实现先进控制器/优化器的在线增益更新，适合非线性过程的先进控制与在线优化应用。

UniSim Optimization Suite带来的好处：

UniSim Optimization Suite提供独特的动态非线性优化解决方案，增加企业的利润，提高工厂对商业计划和工艺性能变化的快速反应能力。它可为企业带来如下好处：

•  切实改进工艺—通过提高生产能力，提高产量，减少操作费用，保证质量的连续性，增加操作的灵活性和提高稳定性，其带来和利润比采用APC带来的利润要高出25%。

• 持续的利润—UniSim OptimizationSuite与先进控制的紧密集成所提供的优化方案非常容易维护，一般只要花用到5－10%的工程项目的时间。优化方案的在线使用时间可超过95%的系统运行时间，因此系统可获得持续的优化。

• 离线优化，在线使用—UniSim Optimization Suite可以在线使用离线设计和优化的模型。这使得整个工厂生命周期中可使用稳定的模型，从而为在仿真软件上的投资带来最大的回报。

• 从单个操作单元到全厂范围内的动态优化—UniSim OptimizationSuite是霍尼韦尔独特的分层优化的一部分。这样Unisim能解决从单个操作单元、线性的基于模型的优化问题到多操作单元、全厂范围内的、非线性的基于模型的优化问题。除此之外，这种分层优化还允许对优化技术进行不断地改进和选择，而不是对所有的优化问题采用一种方法来解决。当然，只有经过验证过的优化方法才可以加入到优化层中。

UniSim Optimization Suite技术特点包括：

• Profit Bridge Socket（优化桥）—UniSim Optimization Suite包含一个优化桥，通过它，Unisim模型可与honeywell公司先进控制与优化套件Profit Optimizer和Profit Controller无缝集成（图7所示），以实现非线性的优化和控制。使用优化桥时，Unisim模型给Profit控制器和Profi t优化器提供不断更新的增益。非线性增益可提高Profit Suite应用程序的优化和控制性能。

• P r o f i t M a x 集成— U n i S i m Optimization Suite可以实现许多U n i S i m 模型在霍尼韦尔的Profi tMax的实时优化系统内进行集成。Profi tMax支持稳态、非线性的优化，并能把其优化的稳态目标值下载到Profit Optimizer中，以便在工厂里实现优化控制。Profi tMax最适合于高度非线性的系统或特殊的优化问题如混合的整体非线性规划问题。

• 支持AcitiveX控件—允许集成用户创建的单元操作、专有的反应动力描述、专门的特性包。

• 综合的单元操作—包括稳态环境中的蒸馏、反应、热传递操作、设备旋转及逻辑操作。实践证明其可提供优质的、逼真的结果。

• 大量的优化工具—UniSim DesignSuite包含一个嵌入式用于优化工艺操作的SQP（顺序的二次规划）优化工具。除此之外，还有一个强大的内置的数据处理工具，它在提供在线参数估计时，允许丢弃坏的测量值。　

• 内置的神经网络模型—可以利用那些用实际的工厂数据难以模拟的基本原理模型把特定的工艺或操作插入到Unisim中。还可以利用来自模型（这些模型从UniSim数据表得到）的数据训练出一个神经网络。它与基本原理模型的结果会非常接近，但是仿真或优化的速度能显著提高。

UniSim Optimization Suite应用软件

优化模拟套件包括：UniSim模型与霍尼韦尔优化和先控技术方案集成、增益更新和在线优化、先进排产与计划调度等。

3 UniSim主要功能

UniSim的主要功能概括起来，包括如下几点：

• 工艺过程的动态研究、评估

o 正常生产操作研究

o 装置开车和停车研究

o 工艺设备故障处理和紧急停车处理应急预案研究

• 控制方案策略研究论证

o DCS控制和复杂控制策略

o APC先进控制策略验证和评估

o ESD逻辑有效性验证和评

o 顺控逻辑和时效性验证

• 操作法研究

o 正常生产操作法的确认