一种等离子体裂解煤工艺过程的三维可视化数据监控方法

摘要

本发明公开了一种等离子体裂解煤工艺过程的三维可视化数据监控方法，包括：(1)构建三维可视化监控系统；(2)实现数据库系统与三维可视化监控系统相互连接；(3)利用三维粒子呈现并监控流体的动态过程；(4)实现对等离子体裂解煤工艺过程的实时监控。本发明通过构建等离子体裂解煤工艺过程的三维可视化监控系统，并利用其与数据库系统相互之间指令与数据的连接来对生产过程实时监控，并将相关数据信息利用三维可视化技术进行动态呈现，实现人机交互与动态数据监控，为实际的工业生产过程监测与运行性能评估提供了决策支持。

说明书

技术领域

本发明属于计算机与数据监控技术领域，具体涉及一种等离子体裂解煤工艺过程的三维可视化数据监控方法。

背景技术

对于流程工业而言，三维可视化仿真与监控起着重要的作用，能够将复杂的流程工艺细节通过三维可视化的方式形象地呈现出来，有助于理解与掌握每个关键工艺过程，提高了对工业现场的三维过程监控能力，有助于分析与指导实际的生产过程。

等离子体裂解煤工艺过程属于流程工业，将煤粉在氢等离子体裂解环境下产生乙炔、乙烯等重要的工业原料气体，既能打破电石法制乙炔的传统，又是一种高效利用煤炭资源的有效途径。煤炭是我国的主要化石能源，煤炭资源的高效清洁利用是缓解石油资源短缺、确保我国能源安全的关键。利用氢等离子体裂解煤技术制取乙炔乙烯等化工基础原料，具有低碳、低资源消耗、低污染等特点。等离子体裂解煤工艺过程需要运用五种设备：等离子发生炬与反应器、淬冷器、除尘设备、换热设备、气体分离提纯装置。煤粉与氢气在等离子弧环境下迅速裂解产生裂解混合气，然后通过淬冷器后快速降温，进入除尘设备进行气固分离，去除尘土颗粒，同时交换热量，然后进入气液分离提纯装置，利用吸收剂来提高乙炔乙烯等浓度。

利用可视化技术，将等离子体裂解煤工艺过程的复杂工艺形象地仿真并且加以监控，通过生产实时数据在监控系统中的可视化呈现，有利于等离子体裂解煤工艺过程的集成仿真与优化控制，为实际的工业生产过程监测与运行性能评估提供了决策支持。

但是在现有的流程工业过程数据监控系统中，主要利用二维的平面监控图。二维的平面监控图，难以监控生产运行的动态变化过程，不能将生产数据与实际的现场工艺过程结合起来，不能直观形象地表现工艺流体的动态变化过程，不能直接表现工艺过程测量仪表的数据。

发明内容

本发明提供了一种等离子体裂解煤工艺过程的三维可视化数据监控方法，通过三维可视化监控系统与数据库系统相互之间指令与数据的连接来对生产过程实时监控，并将相关数据信息利用三维可视化技术进行动态呈现，实现人机交互与动态数据监控。

一种等离子体裂解煤工艺过程的三维可视化数据监控方法，包括如下步骤：

(1)获取等离子体裂解煤工艺过程中所有设备的几何尺寸数据，并对各个设备建立对应的三维模型；设计所有设备在三维可视化投影下的平面布局结构图，确保所有设备符合实际工艺连接原理，从而构建三维可视化监控系统及其关系数据库。

利用现有三维设计软件对等离子体裂解煤工艺过程中的各个生产设备建立对应的三维模型，调用三维场景，使得每个设备的三维模型不仅外观形状符合实际，而且内部结构也与实际现场一致。

按照等离子体裂解煤全套工艺规格，为了使工艺过程中的所有装置设备在三维空间下符合工艺连接原理，设计出所有装置设备在三维可视化投影下的平面布局结构图。如果平面布局结构图存在不符合工艺连接的情况，则需要重新布局设计，确保平面布局结构图与对应的三维空间布局都是符合实际的工艺原理，从而构建三维可视化监控系统及其关系数据库。

(2)采集连接工业现场的数据库系统中关于实际生产运行过程的生产工艺数据，根据不同监控时间尺度，使所述的生产工艺数据与所述的关系数据库中的实时统计数据进行融合，实现所述的数据库系统与三维可视化监控系统相互连接。

关系数据库包括静态数据表和动态数据表。静态数据表存储三维可视化监控系统中各个设备的属性和相互连接关系的数据信息；动态数据表存储实际生产过程中的实时统计数据，包括设备的温度、压力、液位、流量以及调节阀开度等工艺参数；三维可视化监控系统与数据库系统之间的交互指令也存储在动态数据表中。

根据不同监控时间尺度，将数据库系统中以秒/分钟为计量单位的生产工艺数据聚集到关系数据库中以小时/天为计量单位的实时统计数据下，实现数据库系统与三维可视化监控系统相互连接。

(3)采用三维粒子的可视化技术呈现三维可视化监控系统中流体的动态过程，进而监控三维可视化监控系统中流体的动态过程。

在三维可视化监控系统中，等离子体裂解煤工艺过程中设备内部的三维粒子的属性包括有：大小、颜色、形状、数量、透明度、流动速度、重力加速度、黏度、生命周期、刚性碰撞。设置上述属性来表现等离子体裂解煤工艺过程中不同反应物(包括煤粉、氢气、冷却水、水蒸气、导热油、裂解气、甲基吡咯烷酮吸收剂、乙炔、乙烯、高炔)的动态效果。

(4)通过观测记录三维可视化监控系统中测量仪表和调节阀表盘上的三维指针刻度与实时数字，实现对等离子体裂解煤工艺过程的实时监控，进而分析实际的生产运行状况。

在三维可视化监控系统中，每台设备上的每个测量仪表(包括温度仪表、压力仪表、液位仪表、流量仪表)与调节阀表盘上都有三维指针刻度与实时数字，通过连接数据库系统，可实时动态监控等离子体裂解煤工艺过程。

其中，三维指针刻度与实时数字的动态转角显示公式如下：

${\Phi }_{\mathrm{point}}=F·\frac{A}{a}·\theta$Φ_digit＝F·A_i·36°

式中：指针的转角为Φ_point，数字的转角为Φ_digit，F为三维空间的方向向量，A为具体的测量参数，a为每个表盘的指针最小刻度值；θ为每个表盘指针的最小转角，A_i为测量参数按照数位拆分后的每个数字。

本发明的监控方法使三维可视化监控系统与数据库系统相互联系地组成一有机整体，可以自由交互数据信息来实现整个三维监控系统的集成与协作。而等离子体裂解煤工艺过程的三维可视化监控系统再现了一个与实际现场一致的三维环境，利用三维粒子的可视化技术呈现三维可视化监控系统中流体的动态效果，通过连接实际生产现场的数据库系统，观测三维仪表和调节阀表盘上的指针刻度与实时数字，可实时监控等离子体裂解煤过程中工艺参数的变化情况，并分析实时的生产状况，进行生产预报与状态预测。

本发明的有益技术效果为：

(1)利用三维可视化技术，建立等离子体裂解煤工艺过程的三维可视化监控系统，可以在虚拟的三维环境中漫游，增强了现实感，所有的工艺设备模型与实际现场一致，使用户获得沉浸感并熟悉等离子体裂解煤工艺流程。

(2)通过采集数据库系统中关于生产运行过程的工艺数据，实现数据库系统与三维可视化监控系统连接，用户可实时监控分析实际的生产运行状况。

(3)利用三维粒子的可视化技术呈现三维可视化监控系统中流体的动态效果，直观形象地呈现出等离子体裂解煤工艺现场的实际物料生产过程。

附图说明

图1为本发明的三维可视化数据监控方法的步骤示意图。

图2为本发明的三维可视化数据监控方法的具体实施流程示意图。

图3为等离子体裂解煤工艺过程中所有设备的平面布局结构图。

图4为三维可视化监控系统中测量仪表的三维指针刻度与实时数字的显示原理图。

图5为等离子体裂解煤工艺过程中设备的液位数据监控曲线图。

图6为等离子体裂解煤工艺过程中设备的压力数据监控曲线图。

图7为等离子体裂解煤工艺过程中设备的温度数据监控曲线图。

图8为等离子体裂解煤工艺过程中设备的流量数据监控曲线图。

图9为等离子体裂解煤工艺过程中调节阀的开度数据监控曲线图。

图10为等离子体裂解煤工艺过程的三维可视化监控系统的效果图。

图11为三维可视化监控系统中流体的动态过程的监控效果图。

图12为三维可视化监控系统中测量仪表和调节阀数据的监控效果图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的三维可视化数据监控方法进行详细说明。

如图1所示，一种等离子体裂解煤工艺过程的三维可视化数据监控方法，包括如下步骤：

(1)构建三维可视化监控系统。

获取等离子体裂解煤工艺过程中所有设备的几何尺寸数据，利用Autodesk 3DS Max软件对等离子体裂解煤工艺过程中的各个生产设备建立对应的三维模型，调用三维场景，使得每个设备的三维模型不仅外观形状符合实际，而且内部结构也与实际现场一致。

按照等离子体裂解煤全套工艺规格，为了使工艺过程中的所有装置设备在三维空间下符合工艺连接原理，设计出所有装置设备在三维可视化投影下的平面布局结构图(如图3所示)。图3中工艺符号对应的工艺名称如表1所示。

表1：工艺符号与工艺名称的对应表

如果平面布局结构图存在不符合工艺连接的情况，则需要重新布局设计，确保平面布局结构图与对应的三维空间布局都是符合实际的工艺原理，从而构建三维可视化监控系统及其关系数据库。

三维可视化技术的沉浸性、交互性和想象性决定了它适于再现具体的事物信息。图10为等离子体裂解煤工艺过程的三维可视化监控系统，图中各个工艺设备的尺寸是参考现场图纸与平面布局结构图制作的，空间布局结构基本上符合实际。同时各个三维设备模型的材质纹理采用了现场的图片或者颜色，所以整体来说，三维可视化监控系统几乎与实际工业现场同比例对应一致的。与此同时，除了几何外观与现场一致外，图10中所有工艺设备的内部结构同样与工业现场一致。

(2)实现数据库系统与三维可视化监控系统相互连接。

关系数据库包括静态数据表和动态数据表。静态数据表存储三维可视化监控系统中各个设备的属性和相互连接关系的数据信息；动态数据表存储实际生产过程中的实时统计数据，包括设备的温度、压力、液位、流量以及调节阀开度等工艺参数；三维可视化监控系统与数据库系统之间的交互指令也存储在动态数据表中。

采集连接工业现场的数据库系统中关于实际生产运行过程的生产工艺数据，根据不同监控时间尺度，将数据库系统中以秒/分钟为计量单位的生产工艺数据聚集到关系数据库中以小时/天为计量单位的实时统计数据下，实现数据库系统与三维可视化监控系统相互连接。

(3)利用三维粒子呈现并监控流体的动态过程。

采用三维粒子的可视化技术呈现三维可视化监控系统中流体的动态过程，进而监控三维可视化监控系统中流体的动态过程。在三维可视化监控系统中，等离子体裂解煤工艺过程中设备内部的三维粒子包括的属性有：大小、颜色、形状、数量、透明度、流动速度、重力加速度、黏度、生命周期、刚性碰撞。设置上述属性来表现等离子体裂解煤工艺过程中不同反应物(包括煤粉、氢气、冷却水、水蒸气、导热油、裂解气、甲基吡咯烷酮吸收剂、乙炔、乙烯、高炔)的动态效果，上述反应物对应的三维粒子属性参数如表2所示。

表2：不同反应物的三维粒子属性参数

表2中，大小表示三维粒子的直径范围，并且与形状对应。如果形状是sphere(球体)，大小即表示粒子球体的直径；如果形状是ellipsoid(椭球体)，大小即表示粒子椭球体的长直径，而粒子椭球体的短直径默认为长直径的3/4；透明度范围为0.0～1.0，全透明为0.0，不透明为1.0；刚性碰撞值为0，1，表示反应物除了与装置设备碰撞外还与装置设备内部的塔板碰撞，刚性碰撞值为0，表示该反应物只与装置设备碰撞。

在构建完等离子体裂解煤工艺过程的三维可视化监控系统后，采用三维粒子的可视化技术来表现三维可视化监控系统中流体的动态效果，如图11所示。其中，图11(a)与(b)表现的是三维全局监控效果，图中不同颜色的箭头代表不同的物料，比如蓝色表示冷却水、红色表示导热油、淡蓝色表示裂解气、紫色表示乙炔气、棕红色表示高炔气等。而且，所有物料箭头的流动方向表示了实际的工艺走向，流动速度快慢取决于实际的管线流量的大小。

如图11(c)与(d)所示，三维粒子的可视化技术可更加细节地表现三维可视化监控系统中流体的动态效果。所有的反应粒子均在三维环境中的重力作用下与设备碰撞，与实际的反应塔内固体、液体、气体物料流动完全一致。

(4)实现对等离子体裂解煤工艺过程的实时监控。

通过观测记录三维可视化监控系统中测量仪表和调节阀表盘上的三维指针刻度与实时数字，实现对等离子体裂解煤工艺过程的实时监控，进而分析实际的生产运行状况。

在三维可视化监控系统中，每台设备上的每个测量仪表(包括温度仪表、压力仪表、液位仪表、流量仪表)与调节阀表盘上都有三维指针刻度与实时数字，通过连接数据库系统，可实时动态监控等离子体裂解煤工艺过程。

其中，三维指针刻度与实时数字的动态转角显示公式如下：

${\Phi }_{\mathrm{point}}=F·\frac{A}{a}·\theta$Φ_digit＝F·A_i·36°

式中：指针的转角为Φ_point，数字的转角为Φ_digit，F为三维空间的方向向量，A为具体的测量参数，a为每个表盘的指针最小刻度值；θ为每个表盘指针的最小转角，A_i为测量参数按照数位拆分后的每个数字。

具体的三维指针刻度与实时数字的显示原理参数见表3所示。

表3：三维指针刻度与实时数字的显示原理参数

图4为液位仪表上的三维指针刻度与实时数字的示意图，其指针转角与数字转角的计算过程为：

指针的转角为Φ_point＝F*A*θ/a＝(0，0，1)*1.360*5.0/0.2＝(0，0，1)*34＝(0，0，34)。

由表3可知，Φ_point＝(0，0，34)，表示三维表盘指针转角为垂直于XY平面顺时针旋转34度。

数字的转角分别为：

Φ_A1＝(1，0，0)*1*36＝(36，0，0)，表示第一个数位“1.”转角为垂直于YZ平面顺时针旋转36度。

Φ_A2＝(1，0，0)*3*36＝(108，0，0)，表示第二个数位“3”转角为垂直于YZ平面顺时针旋转108度。

Φ_A3＝(1，0，0)*6*36＝(216，0，0)，表示第三个数位“6”转角为垂直于YZ平面顺时针旋转216度。

Φ_A4＝(1，0，0)*0*36＝(0，0，0)，表示第四个数位“0”转角为垂直于YZ平面顺时针旋转0度。

如图12所示，在等离子体裂解煤工艺过程的三维可视化监控系统中，每个测量仪表(包括温度仪表、压力仪表、液位仪表、流量仪表)与调节阀的外观形状以及表盘上的指针刻度和实时数字都是与现场一致的，而且显示的具体数据也是从与三维可视化监控系统相互连接的数据库系统中采集到的。

图5至图9，分别为等离子体裂解煤工艺过程中表示设备的液位、压力、温度、流量以及调节阀开度的测量参数曲线(监控时间为400min)。每个图中不同的曲线代表不同的测量点，而且每个图中右边标示各个工艺参数的测量位号，这些测量位号与实际工艺现场的仪表与调节阀的位号都是一致的。而且可以看出这些测量参数曲线都在允许的上下限范围之内，也就是说都是在正常工作状态中。每个图中虚线标示为控制变量的上下限，如果其中哪条测量参数曲线超过设定的上下限监控指标，说明此时发生异常状况，需要进行故障诊断与分析。

如图2所示，本发明的三维可视化数据监控方法的具体实施流程如下：

1)根据等离子体裂解煤工艺过程中所有设备的几何尺寸数据，构造所有工艺设备的三维模型；

2)设计所有设备在三维可视化投影下的平面布局结构图；

3)判断平面布局结构图是否符合实际工艺连接原理，如果不符合重复步骤2)，重新设计平面布局结构图；

4)建立等离子体裂解煤工艺过程的三维可视化监控系统；

5)采集连接工业现场的数据库系统中关于生产运行过程的生产工艺数据；

6)根据监控时间尺度，将生产工艺数据多层次聚集到关系数据库中的实时统计数据下；

7)实现数据库系统与三维可视化监控系统相互连接；

8)设置三维可视化监控系统中设备内部的三维粒子的大小、颜色、形状等属性来表示不同的反应物料；

9)采用三维粒子的可视化技术呈现并监控三维可视化监控系统中流体的动态过程；

10)观测记录三维可视化监控系统中测量仪表和调节阀表盘上的三维指针刻度与实时数字的显示变化过程；

11)实现对等离子体裂解煤工艺过程的可视化数据动态监控；

12)设定生产工艺参数的运行上下限指标，在三维可视化监控系统中实时监控等离子体裂解煤工艺过程是否运行故障，如果不存在运行故障，重复步骤4)至11)，继续三维可视化监控；

13)诊断分析运行故障，消除故障，重复步骤4)至12)，继续三维可视化监控。

在等离子体裂解煤工艺过程的三维可视化监控系统中，所有的设备模型都与实际现场一致，用户可以在虚拟的三维环境中漫游，增强了现实感，使用户获得沉浸感并熟悉等离子体裂解煤工艺流程。本发明通过采集数据库系统中关于生产运行过程的实时生产数据，按照不同监控时间尺度聚集到关系数据库中，实现数据库系统与三维可视化监控系统相互连接。利用三维粒子的可视化技术呈现三维可视化监控系统中流体的动态效果，通过观测记录三维可视化监控系统中测量仪表和调节阀表盘上的三维指针刻度与实时数字，实现对等离子体裂解煤工艺过程的实时监控，进而分析实际的生产运行状况，进行生产预报以及状态预测。