【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于精细化工生产过程控制的，具体涉及一种精细化工硝化工艺生产过程的数字孪生管理系统及方法。
技术介绍
1、硝化是有机化合物分子中引入硝基(-no2)的反应，用于生产硝基化合物、硝胺、硝酸酯和亚硝基化合物等，涉及硝化反应的工艺过程为硝化工艺，是精细化工领域常见的反应类型之一。硝化反应具有速度快、放热量大、易燃爆等特点，国内硝化主流生产方法是以硝酸、硫酸混合为硝化剂的间歇液相硝化法，所采用的设备是釜式反应器。该工艺过程依靠人工加料，一次性间歇操作生产，但釜内局部热量容易积累，传质传热能力差，安全隐患大，易发生安全事故。国家要求硝基苯等27种化学品间歇和半间歇釜式硝化工艺禁用，二年内改造完毕，促使未来两年内技改需求快速释放。
2、为提高硝化工艺的安全可靠性，目前主流发展方向是进行连续化改造，将工艺操作过程转变成连续化，降低人工误操作引发安全事故的几率。相比间歇工艺，连续工艺更依赖完备的自控系统，若自动控制系统配套薄弱，则连续化工艺的本质安全得不到保障。与此同时，硝化工艺的防爆需求和精细化工的柔性生产需求也对自控系统提出了更高要求。
3、目前工业上多采用dcs系统对工艺生产过程进行控制，主要分为检测、运算/命令、执行三方面。检测包括各监测点位布置温度、压力、流量、液位等相应仪表，各仪表测得的数据信号通过电缆传输等途径到达中控室，通过比较实际测得数值与工艺需求设置参数之间的偏差，包括温度、压力、流量、液位等简单参数以及串级、比值、多冲量等复杂系统，决策后发出命令，反馈到控制阀等执行器执行相应命令，从而实现
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种精细化工硝化工艺生产过程的数字孪生管理系统及方法，将工厂的实际运行情况、工艺参数和设备状态等信息与虚拟数字模型进行整合匹配，以实现工厂流程、设备运行、工艺参数、生产产能和品质监控等方面的实时跟踪和调整优化。
2、实现本专利技术的技术方案如下：
3、一种精细化工硝化工艺生产过程的数字孪生管理系统，所述数字孪生管理系统仿照工厂厂区建立1:1三维数字地图，在平台内直观呈现化工厂区场景，包括建筑、道路、管道、动设备、静设备、仪器仪表、原料等要素；所述数字孪生管理系统包括信号采集模块、数据分析处理模块、阀及泵调节模块、安全预警模块和网络管理模块；
4、所述信号采集模块包括温度、压力、流量、液位等相应仪表以及电线电缆等信号传输装置，检测出的原始数据经过信号传输装置传输到数据分析处理模块；
5、所述数据分析处理模块包括原始信号数据库、预先给定的参数控制限值及目标值、依据经验数据形成的数据变化曲线函数、指令发送装置；原始信号数据库先存储信号采集模块传输来的检测数据，将检测数据与预先给定的参数控制限值及目标值进行对比，超出控制限制范围时，在一体化平台上发出预警信号或弹窗提示，并通过指令发送装置向阀及泵调节模块发出相应指令，使得参数回归到合理范围内并逐步向目标值保持一致；
6、所述阀及泵调节模块包括指令接收装置、电动调节阀及变频泵；阀及泵调节模块的指令接收装置，接收自数据分析处理模块发送装置发出的指令后，相应的电动调节阀及变频泵等依据指令发生动作；
7、所述安全预警模块包括生产危险源监测预警、风险分区、人员定位、巡检管理；
8、所述网络管理模块包括网关、5g基站、云服务器、app终端、一体化平台以及各关键节点的加密信道、身份认证、错误检测等安全可靠机制，对网络状态进行监控、优化，网络异常时进行报警。
9、进一步地，所述的数据分析处理模块中建立数值变化速率与流量的函数关系x＝f(f,δx/δt)，f表示流量，x表示温度或压力，δx表示一定时间内温度或压力的变化值，δt表示一定时间，δx/δt表示温度或有压力的变化速率；当温度、压力变化速率在极限值区间范围以内，采用单一调节手段；在极限值区间以外，采用组合调节手段，并计算每一次组合调节时的变化速率调节区间，提前预判系统的调节指令，并精准计算出调节动作，减少滞后效应。
10、进一步地，单一调节手段ⅰ：xⅰ＝f1(fⅰ,δxⅰ/δt)，xⅰ表示在单一手段ⅰ条件下温度或压力的数值，δxⅰ表示在单一手段ⅰ条件下一定时间内温度或压力的变化值，δt表示一定时间，δxⅰ/δt表示在单一手段ⅰ条件下温度或压力的变化速率，fⅰ表示单一调节手段所调控的流量数值，f1表示单一调节手段的函数关系。
11、进一步地，组合调节手段ⅰ和ⅱ组合：xⅱ＝f2(fⅱ,f1(fⅰ,δxⅱ/δt))，xⅱ表示在调节手段ⅰ和ⅱ组合条件下温度或压力的数值，δxⅱ表示在调节手段ⅰ和ⅱ组合条件下一定时间内温度或压力的变化值，δt表示一定时间，δxⅱ/δt表示在调节手段ⅰ和ⅱ组合条件下温度或压力的变化速率，fⅰ表示调节手段ⅰ所调控的流量数值，fⅱ表示调节手段ⅱ所调控的流量数值，f1表示单一调节手段条件下的函数关系，f2表示调节手段ⅰ和ⅱ组合条件下的函数关系。
12、进一步地，所述生产危险源监测预警是针对危化品储存设施、生产装置、可燃有毒气体、危化工艺、监控视频等数据进行实时监控，发生异情时立即报警，通过点击或搜索定位到报警点，快速查看设备的报警情况，并且将报警状态以显著的形式呈现在设备模型上。
13、所述数字孪生管理系统的管理方法，包括以下步骤：
14、步骤一、信号采集模块将所采集的流量初值、温度、压力、液位、流量等信号传输给数据分析处理模块；
15、步骤二、数据分析处理模块将信号接收、存储后进行数据处理，依据外界输入的温度、压力、液位、流量等给定值进行对比判断，如果超过预警值，将报警并采取紧急措施，如果未达到报警值将继续判断是否超过设定值；如果在设定值范围内将继续监测温度、压力、液位、流量等信号，重复上述步骤；
16、如果超过设定值范围，将依据外界输入的阀门开度和变频泵频率与温度、压力、液位、流量之间的函数关系，计算并输出阀门开度调节信号和变频泵频率调节信号；
17、步骤三、数据分析处理模块将调节信号发送给阀及泵调节模块进行设备的流量调节，从而实现流量调整，并进一步实现温度、压力、液位等数据的调整，直至调整到设定值以内，持续进行工艺关键指标的动态监控及调整，保障正常生产。
18、进一步地，所述紧急措施，具体为紧急停车系列措施，将反应器内温度、反应器内压力、原料流量、冷却循环水形成联锁关系，当反应失控时，自动报警、自动停止加料并全开冷却循环水紧急冷却，同时设有泄爆管和紧急排放系统。
19、有益效果：
20、1、本专利技术使用数字孪生管理系统，建立化工生产信息网络，提高化工工艺流程和生产过程自动化、数字化、智能化，可以更好地提高生产效率、提高产品质量、降低成本、减少资源浪费和环境污染。
21、2、本专利技术将现实工厂的实际运行情况、工艺参数和设备状态等信息与虚拟数字模型进行整合匹配，以实现工厂流程、设备运行、工艺参数、生产产本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种精细化工硝化工艺生产过程的数字孪生管理系统，其特征在于，包括信号采集模块、数据分析处理模块、阀及泵调节模块、安全预警模块和网络管理模块；
2.如权利要求1所述的数字孪生管理系统，其特征在于，所述的数据分析处理模块中建立数值变化速率与流量的函数关系x＝f(F,Δx/Δt)，F表示流量，x表示温度或压力，Δx表示一定时间内温度或压力的变化值，Δt表示一定时间，Δx/Δt表示温度或有压力的变化速率；当温度、压力变化速率在极限值区间范围以内，采用单一调节手段；在极限值区间以外，采用组合调节手段，并计算每一次组合调节时的变化速率调节区间，提前预判系统的调节指令，并精准计算出调节动作，减少滞后效应。
3.如权利要求2所述的数字孪生管理系统，其特征在于，单一调节手段Ⅰ：xⅠ＝f1(FⅠ,ΔxⅠ/Δt)，xⅠ表示在单一手段Ⅰ条件下温度或压力的数值，ΔxⅠ表示在单一手段Ⅰ条件下一定时间内温度或压力的变化值，Δt表示一定时间，ΔxⅠ/Δt表示在单一手段Ⅰ条件下温度或压力的变化速率，FⅠ表示单一调节手段所调控的流量数值，f1表示单一调节手段的函数关系。
4.
5.如权利要求1所述的数字孪生管理系统，其特征在于，所述生产危险源监测预警是针对危化品储存设施、生产装置、可燃有毒气体、危化工艺、监控视频等数据进行实时监控，发生异情时立即报警，通过点击或搜索定位到报警点，快速查看设备的报警情况，并且将报警状态以显著的形式呈现在设备模型上。
6.一种应用于权利要求1～5任一系统的管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.如权利要求6所述的管理方法，其特征在于，所述紧急措施，具体为紧急停车系列措施，将反应器内温度、反应器内压力、原料流量、冷却循环水形成联锁关系，当反应失控时，自动报警、自动停止加料并全开冷却循环水紧急冷却，同时设有泄爆管和紧急排放系统。
...【技术特征摘要】
1.一种精细化工硝化工艺生产过程的数字孪生管理系统，其特征在于，包括信号采集模块、数据分析处理模块、阀及泵调节模块、安全预警模块和网络管理模块；
2.如权利要求1所述的数字孪生管理系统，其特征在于，所述的数据分析处理模块中建立数值变化速率与流量的函数关系x＝f(f,δx/δt)，f表示流量，x表示温度或压力，δx表示一定时间内温度或压力的变化值，δt表示一定时间，δx/δt表示温度或有压力的变化速率；当温度、压力变化速率在极限值区间范围以内，采用单一调节手段；在极限值区间以外，采用组合调节手段，并计算每一次组合调节时的变化速率调节区间，提前预判系统的调节指令，并精准计算出调节动作，减少滞后效应。
3.如权利要求2所述的数字孪生管理系统，其特征在于，单一调节手段ⅰ：xⅰ＝f1(fⅰ,δxⅰ/δt)，xⅰ表示在单一手段ⅰ条件下温度或压力的数值，δxⅰ表示在单一手段ⅰ条件下一定时间内温度或压力的变化值，δt表示一定时间，δxⅰ/δt表示在单一手段ⅰ条件下温度或压力的变化速率，fⅰ表示单一调节手段所调控的流量数值，f1表示单一调节手段的函数关系。
4.如权利要求2所述的数字孪生管理系统，其特征在于，组合调...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏苗，黄益平，胡猛，黄晶晶，倪泽雨，
申请(专利权)人：中建安装集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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