蔡振興

青島科技大學(xué)化工學(xué)院 （山東青島 266042）

工作研究

Aspen Plus與VisualC++混合編程在化工模擬中的應(yīng)用

蔡振興

青島科技大學(xué)化工學(xué)院 （山東青島 266042）

化工過程模擬軟件Aspen Plus在化工流程的設(shè)計(jì)、校核方面得到了廣泛的應(yīng)用，顯著提高了化工工藝流程設(shè)計(jì)、校核的效率和水平。Aspen Plus支持ActiveX自動(dòng)控制技術(shù)，并符合CAPE-OPEN接口標(biāo)準(zhǔn)。借助VisualC++編程環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Aspen Plus數(shù)據(jù)庫的調(diào)用、單元模塊的開發(fā)、以及與水力學(xué)軟件的集成。

Aspen Plus VisualC++CAPE-OPEN 水力學(xué)

Aspen Plus是一款通用的化工過程模擬、設(shè)計(jì)、校核與優(yōu)化軟件，經(jīng)過幾十年不斷地改進(jìn)與優(yōu)化，目前可支持物料和熱量平衡、相平衡、化學(xué)平衡和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)平衡的計(jì)算。Aspen Plus擁有豐富的物性數(shù)據(jù)庫、準(zhǔn)確可靠的熱力學(xué)估算模型和適用廣泛的過程單元模型，可用于大部分化學(xué)工業(yè)流程的模擬。在工業(yè)流程設(shè)計(jì)或者校核階段，當(dāng)掌握足夠的熱力學(xué)操作數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量、組成的情況下，就可以對(duì)工廠實(shí)際流程進(jìn)行理論性的模擬計(jì)算。

Aspen Plus具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，支持ActiveX對(duì)象連接與嵌入技術(shù)，外部軟件可通過ActiveX接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Aspen Plus的自動(dòng)控制；同時(shí)Aspen Plus的單元模塊和物性數(shù)據(jù)庫支持CAPE-OPEN接口標(biāo)準(zhǔn)，可以方便地進(jìn)行組件的添加與遷移。Visual C++是由微軟公司開發(fā)的一種高級(jí)可視化的計(jì)算機(jī)程序開發(fā)語言，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和運(yùn)算穩(wěn)定性。本文借助Visual C++語言，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)Aspen Plus運(yùn)算結(jié)果、物性數(shù)據(jù)庫的調(diào)取，并開發(fā)了部分化工過程單元模塊，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了Aspen Plus與水力學(xué)軟件的集成。

1 Aspen Plus的自動(dòng)控制技術(shù)

1.1 Aspen Plus的自動(dòng)控制服務(wù)器

Aspen Plus提供了一種基于ActiveX的自動(dòng)控制服務(wù)器，將Aspen Plus的部分功能進(jìn)行封裝、可視化處理，并公開部分接口以供其他程序的調(diào)用與嵌入。Aspen Plus的自動(dòng)控制服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了其自身構(gòu)件的重用，并實(shí)現(xiàn)了與其他外部軟件的相互通信。Aspen Plus自動(dòng)控制服務(wù)器提供了豐富的對(duì)象集合，每個(gè)對(duì)象集合又包括齊全的屬性集合與函數(shù)集合，具有很強(qiáng)的封裝性與易用性。借助VisualC++編程環(huán)境，就可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)Aspen Plus對(duì)象的訪問，繼而調(diào)用接口函數(shù)獲取相應(yīng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)。

1.2 Aspen Plus所提供的對(duì)象集合

在VisualC++編譯器中，通過“項(xiàng)目→添加類→TypeLib中的MFC類”命令，進(jìn)入類型庫選擇窗口。在文件列表中，選中Aspen Plus自動(dòng)控制服務(wù)器提供的“happ.tlb”類型庫文件，隨后將“happ.tlb”文件提供的所有對(duì)象導(dǎo)入到程序中。Aspen Plus的自動(dòng)控制服務(wù)器提供了20余種ActiveX對(duì)象，其主要對(duì)象及其含義如表1所示。

表1 Aspen Plus提供的主要對(duì)象

1.3 Aspen Plus自動(dòng)控制服務(wù)器的使用

Visual C++編譯器會(huì)自動(dòng)將Aspen Plus提供的對(duì)象封裝為“類”，以方便程序的聲明與調(diào)用，表1給出了部分對(duì)象的封裝類。在程序中，可以通過聲明CHAPEngine的實(shí)例，實(shí)現(xiàn)對(duì)Aspen Plus文件的打開、運(yùn)行及保存；通過聲明CHapp IP的實(shí)例實(shí)現(xiàn)對(duì)Aspen Plus內(nèi)部數(shù)據(jù)列表的抓取，繼而借助CHNode獲取數(shù)據(jù)列表的某個(gè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的寫入或者讀取。

借助Aspen Plus自動(dòng)控制服務(wù)器提供的眾多對(duì)象接口，可以實(shí)現(xiàn)特定流程組分或組成的改變、流股或單元模塊物性的獲取、進(jìn)料位置的改變以及流程的反復(fù)迭代與優(yōu)化。同時(shí)還可以將Aspen Plus中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到其他軟件中，如將指定塔板的氣液數(shù)據(jù)導(dǎo)出到水力學(xué)軟件中，進(jìn)行水力學(xué)方面的核算。

2 與水力學(xué)軟件的集成

Aspen Plus提供了對(duì)泡罩、篩板等5種常規(guī)塔板的水力學(xué)核算功能，但是中國(guó)化工行業(yè)卻有60余種不同類型的板式塔塔板構(gòu)型；同時(shí)，Aspen Plus僅支持水力學(xué)的核算功能，不方便研究人員進(jìn)行塔板的設(shè)計(jì)工作。但是Aspen Plus卻擁有最豐富的物性數(shù)據(jù)庫和最嚴(yán)格的板式塔求解算法，通過指定Aspen Plus精餾塔模塊功能，可以實(shí)現(xiàn)逐層塔板氣液質(zhì)量流量、體積流量、黏度、表面張力、溫度的求解。如果將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)出到其他水力學(xué)軟件中，即可便捷、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)塔板水力學(xué)的設(shè)計(jì)與核算。

借助Aspen Plus的自動(dòng)控制服務(wù)器，即可實(shí)現(xiàn)水力學(xué)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出功能。首先在Aspen Plus中根據(jù)工廠實(shí)際操作參數(shù)設(shè)定組分、組成、溫度、壓力，選擇合適的精餾塔模型和熱力學(xué)方程，對(duì)精餾塔進(jìn)行過程模擬并成功收斂。隨后通過Aspen Plus提供的IHAPEngine和IHNode對(duì)象，獲取水力學(xué)數(shù)據(jù)列表分支，逐個(gè)獲取每層塔板的氣液數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)出到水力學(xué)軟件中。通過自動(dòng)控制技術(shù)，大大地提高了水力學(xué)設(shè)計(jì)校核的效率和準(zhǔn)確性。

3 Aspen Plus單元模塊和數(shù)據(jù)庫的擴(kuò)展

3.1 CAPE-OPEN接口標(biāo)準(zhǔn)

CAPE-OPEN最早是由歐盟發(fā)起并制定的，意為“開放的計(jì)算機(jī)輔助過程工程”。經(jīng)過近20年的發(fā)展，CAPE-OPEN接口標(biāo)準(zhǔn)已涵蓋到化工過程模擬軟件的單元操作模塊、物性數(shù)據(jù)庫模塊、數(shù)值求解模塊、錯(cuò)誤反饋模塊以及動(dòng)力學(xué)模塊等。開發(fā)者只要遵循CAPE-OPEN接口標(biāo)準(zhǔn)，無論采用何種編程語言或者編程環(huán)境，都可以實(shí)現(xiàn)模擬軟件各個(gè)組件間的通信與協(xié)作。CAPE-OPEN極大地避免了不必要的重復(fù)性工作，促進(jìn)了技術(shù)的交流與進(jìn)步。

Aspen Plus是CAPE-OPEN接口標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者之一，其單元模塊和物性數(shù)據(jù)庫亦遵循了CAPE-OPEN標(biāo)準(zhǔn)。Aspen Plus在CAPE-OPEN的基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步擴(kuò)展了單元模塊和物性數(shù)據(jù)庫的相關(guān)接口。開發(fā)者可以根據(jù)CAPE-OPEN技術(shù)手冊(cè)和Aspen Plus的模型手冊(cè)，開發(fā)可以運(yùn)行在Aspen Plus環(huán)境中的單元模塊，或者對(duì)Aspen Plus的物性數(shù)據(jù)庫進(jìn)行擴(kuò)展和調(diào)用。

3.2 Aspen Plus單元模塊的開發(fā)

按照CAPE-OPEN標(biāo)準(zhǔn)，過程模擬軟件的組件被分為單元操作模塊（UnitOperation）、數(shù)值求解器（Numerical solvers）、熱力學(xué)和物性包（Thermodynamic and physicalproperties）以及模擬執(zhí)行器（Simulator executive）等幾大部分，共同組成了一個(gè)完整的過程模擬軟件。它們之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 CAPE-OPEN組件結(jié)構(gòu)布局

Aspen Plus支持Fortran過程單元模塊、Excel過程單元模塊、基于CAPE-OPEN COM技術(shù)的過程單元模塊以及由建模工具導(dǎo)入4種用戶自定義的過程單元模塊等的開發(fā)。Aspen Plus的開發(fā)商AspenTech公司充分遵循了CAPE-OPEN標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的擴(kuò)展。當(dāng)Aspen Plus提供的化工過程單元模型不能滿足實(shí)際模擬需要時(shí)，用戶可以根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)、公式開發(fā)自定義單元模塊，并無障礙地遷移到Aspen Plus的模擬環(huán)境中。Aspen Plus系統(tǒng)框架提供了強(qiáng)大的擴(kuò)展能力，可以集成所有符合CAPE-OPEN標(biāo)準(zhǔn)的過程單元模塊，同時(shí)過程單元模塊被封裝為動(dòng)態(tài)鏈接庫文件，有助于保護(hù)設(shè)計(jì)者的開發(fā)成果。

基于CAPE-OPEN標(biāo)準(zhǔn)的Aspen Plus過程模塊開發(fā)，采用了面向?qū)ο缶幊痰腃OM和COM+技術(shù)，模型以動(dòng)態(tài)鏈接庫組件的形式存在，可以在任何支持CAPE-OPEN接口標(biāo)準(zhǔn)的模擬軟件中使用。相對(duì)于Fortran過程模塊和Excel過程模塊，CAPE-OPEN模塊不必依附于其他運(yùn)行環(huán)境，與Aspen Plus的關(guān)聯(lián)度小，開發(fā)、編譯、調(diào)試、遷移等都非常簡(jiǎn)單。CAPE-OPEN CoLan協(xié)會(huì)提供了相應(yīng)的接口標(biāo)準(zhǔn)文件，在VisualC++編譯環(huán)境下，就可以快速地開發(fā)出一個(gè)健全的化工過程單元模塊。首先開發(fā)者在Visual C++中選擇“ATL項(xiàng)目”，隨后從CoLan協(xié)會(huì)提供的“CAPE-OPEN-11.tlb”類型庫文件中導(dǎo)入CAPE-OPEN單元模塊接口，便快捷地完成了一個(gè)具有完備外部接口的單元模塊。最后，開發(fā)者在指定的函數(shù)實(shí)現(xiàn)體內(nèi)添加對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)算法，便完成了一個(gè)符合CAPE-OPEN標(biāo)準(zhǔn)的單元模塊。

3.3 Aspen Plus物性數(shù)據(jù)庫的擴(kuò)展

Aspen Plus在化工工藝過程模擬中具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，擁有最豐富的物性數(shù)據(jù)庫、狀態(tài)方程和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)式。但是Aspen Plus著眼于整個(gè)工藝過程，對(duì)于特定的設(shè)備，尤其是反應(yīng)器一般采用的是“均勻假設(shè)”。而CFD軟件可以對(duì)反應(yīng)器等裝置的內(nèi)部細(xì)節(jié)進(jìn)行模擬，可以清楚地看到溫度、壓力、物質(zhì)組成在反應(yīng)器內(nèi)部的分布。但是CFD軟件主要針對(duì)單個(gè)設(shè)備，無法對(duì)整個(gè)大的流程進(jìn)行模擬。

Fluent和Aspen Plus聯(lián)合推出了Aspen Plus Toolkit（APT），通過CAPE-OPEN標(biāo)準(zhǔn)將兩個(gè)軟件的數(shù)據(jù)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)操作。Fluent通過APT可以從Aspen Plus的物性數(shù)據(jù)庫和模擬結(jié)果中獲取所需的數(shù)據(jù)，結(jié)合自身算法進(jìn)行相應(yīng)地計(jì)算，隨后將結(jié)果顯示或者導(dǎo)出。該技術(shù)通過軟件集成，極大地增強(qiáng)了化工操作的模擬水平，因此獲得了2004年“R&D 100Award”大獎(jiǎng)。

借助APT工具，初步實(shí)現(xiàn)了Fluent與Aspen Plus的集成。但是這個(gè)工具僅僅是一種初級(jí)的、用戶無法自定義的連接技術(shù)；對(duì)于其他軟件如MATLAB，Aspen Plus并沒有提供類似的連接工具。用戶完全可以根據(jù)CAPE-OPEN熱力學(xué)和物性包部分的規(guī)定，開發(fā)更加實(shí)用、穩(wěn)健、強(qiáng)大的Aspen Plus數(shù)據(jù)庫與其他軟件的連接工具。浙江大學(xué)耿大釗等開發(fā)的MATLAB與Aspen Plus的接口工具箱MAP，就部分地采用了這種思想。

4 結(jié)論

本文對(duì)Aspen Plus的擴(kuò)展功能進(jìn)行了分析，并結(jié)合Visual C++編程語言對(duì)Aspen Plus的ActiveX自動(dòng)控制技術(shù)、CAPE-OPEN單元模塊的開發(fā)、物性數(shù)據(jù)庫的互聯(lián)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述。通過Aspen Plus提供的接口，可以開發(fā)符合自身需求的化工單元模塊，實(shí)現(xiàn)與流體力學(xué)軟件Fluent的互聯(lián)，同時(shí)還可以方便地對(duì)模擬過程進(jìn)行調(diào)控、對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行讀取。借助VisualC++語言，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Aspen Plus的二次開發(fā)，擴(kuò)展了化工過程的計(jì)算求解功能，提高了化工過程的模擬運(yùn)算水平。

Application of Mixed Programming Based on Aspen Plus and Visual C++in Chemical Simulation

Cai Zhenxing

The Aspen Plus simulation software has been widely used in design and check of chemical process,and it could significantly improve the efficiency and level of chemical process design and check.Aspen Plus supports ActiveX automatic control technology and it is in accordance with the CAPE-OPEN interface standard.By using Visual C++,the invocation and unitmodule development of Aspen Plus database,the integration of Aspen Plus and hydraulics software have been achieved.

Aspen Plus;Visual C++;CAPE-OPEN;Hydraulics

（略）

TQ 02

2013年12月

蔡振興 男 1990年生 碩士研究生 研究方向?yàn)榛み^程模擬