高级二次开发技术
在现代化工过程模拟中,Aspen HYSYS 作为一种强大的工具,不仅能够进行基本的流程模拟,还支持用户通过二次开发来扩展其功能,满足特定的工业需求。本节将详细介绍高级二次开发技术,包括如何利用 Python 和 VBA 进行脚本编写、如何创建自定义模型、如何进行数据交换和接口开发等。通过这些技术,用户可以显著提升模拟的效率和准确性。
1. Python 脚本开发
1.1 Python 脚本的基础
Aspen HYSYS 支持 Python 脚本的编写,这为用户提供了极大的灵活性。Python 脚本可以通过 Aspen HYSYS 的 Scripting API 来访问和操作模拟数据,实现自动化流程、数据处理和结果分析等功能。
示例:自动化模拟运行
假设我们需要定期运行一个复杂的模拟流程,并将结果导出到 Excel 文件中。以下是一个简单的 Python 脚本示例,展示如何实现这一功能。
# 导入所需的库
import win32com.client
import pandas as pd
# 连接到 Aspen HYSYS
hysys = win32com.client.Dispatch(" Aspen.HYSYS.Application ")
hysys.Visible = True # 设置 HYSYS 窗口可见
# 打开一个现有的 HYSYS 文件
hysys.Simulate("C:\\Path\\To\\Your\\Simulation\\File.hsc")
# 定义需要导出的数据
stream_names = ["Feed", "Product1", "Product2"]
data_to_export = {
"Temperature": "Temperature",
"Pressure": "Pressure",
"MoleFlow": "MoleFlow"
}
# 创建一个空的 DataFrame 来存储结果
results = pd.DataFrame(columns=["Stream", "Temperature", "Pressure", "MoleFlow"])
# 遍历每个流并获取数据
for stream_name in stream_names:
stream = hysys.Flowsheet.Flowsheet(Stream=stream_name)
temp = stream.Property("Temperature")
pressure = stream.Property("Pressure")
mole_flow = stream.Property("MoleFlow")
# 将结果添加到 DataFrame
results = results.append({
"Stream": stream_name,
"Temperature": temp,
"Pressure": pressure,
"MoleFlow": mole_flow
}, ignore_index=True)
# 将结果导出到 Excel 文件
results.to_excel("C:\\Path\\To\\Your\\Output\\File.xlsx", index=False)
# 关闭 HYSYS
hysys.Quit()
1.2 Python 脚本的高级应用
1.2.1 参数优化
通过 Python 脚本,可以实现模拟参数的优化。例如,我们可以使用遗传算法来优化反应器的操作条件。
# 导入所需的库
import win32com.client
import pandas as pd
from deap import algorithms, base, creator, tools, gp
# 连接到 Aspen HYSYS
hysys = win32com.client.Dispatch("Aspen.HYSYS.Application")
hysys.Visible = True
# 打开一个现有的 HYSYS 文件
hysys.Simulate("C:\\Path\\To\\Your\\Simulation\\File.hsc")
# 定义优化目标
def evaluate(individual):
reactor = hysys.Flowsheet.Flowsheet(Unit="Reactor1")
reactor.SetProperty("Temperature", individual[0])
reactor.SetProperty("Pressure", individual[1])
hysys.Simulate()
product_yield = reactor.Property("ProductYield")
return (product_yield,)
# 设置遗传算法参数
creator.create("FitnessMax", base.Fitness, weights=(1.0,))
creator.create("Individual", list, fitness=creator.FitnessMax)
toolbox = base.Toolbox()
toolbox.register("attr_float", random.uniform, 300, 500) # 温度范围
toolbox.register("attr_float2", random.uniform, 10, 100) # 压力范围
toolbox.register("individual", tools.initCycle, creator.Individual,
(toolbox.attr_float, toolbox.attr_float2), n=1)
toolbox.register("population", tools.initRepeat, list, toolbox.individual)
toolbox.register("mate", tools.cxBlend, alpha=0.5)
toolbox.register("mutate", tools.mutPolynomialBounded, low=[300, 10], up=[500, 100], eta=0.5, indpb=0.2)
toolbox.register("select", tools.selTournament, tournsize=3)
toolbox.register("evaluate", evaluate)
# 运行遗传算法
population = toolbox.population(n=50)
NGEN = 100
CXPB = 0.5
MUTPB = 0.2
for gen in range(NGEN):
offspring = algorithms.varAnd(population, toolbox, cxpb=CXPB, mutpb=MUTPB)
fits = toolbox.map(toolbox.evaluate, offspring)
for fit, ind in zip(fits, offspring):
ind.fitness.values = fit
population = toolbox.select(offspring, len(population))
# 获取最优解
best_individual = tools.selBest(population, 1)[0]
print("最优操作条件:温度 = {}, 压力 = {}".format(best_individual[0], best_individual[1]))
# 关闭 HYSYS
hysys.Quit()
2. VBA 脚本开发
2.1 VBA 脚本的基础
Aspen HYSYS 也支持 VBA 脚本的编写,这为用户提供了另一种自动化和扩展功能的途径。VBA 脚本可以直接在 HYSYS 的 VBA 编辑器中编写和运行。
示例:自动化数据导出
假设我们需要将多个流的数据导出到 Excel 中,以下是一个 VBA 脚本示例。
Sub ExportStreamDataToExcel()
' 定义需要导出的流和数据
Dim streamNames As Variant
streamNames = Array("Feed", "Product1", "Product2")
Dim dataToExport As Variant
dataToExport = Array("Temperature", "Pressure", "MoleFlow")
' 创建 Excel 应用程序
Dim excelApp As Object
Set excelApp = CreateObject("Excel.Application")
excelApp.Visible = True
' 创建一个新的工作簿
Dim workbook As Object
Set workbook = excelApp.Workbooks.Add
' 创建一个新的工作表
Dim worksheet As Object
Set worksheet = workbook.Worksheets(1)
' 设置工作表标题
worksheet.Cells(1, 1).Value = "Stream"
worksheet.Cells(1, 2).Value = "Temperature"
worksheet.Cells(1, 3).Value = "Pressure"
worksheet.Cells(1, 4).Value = "MoleFlow"
' 定义数据行的初始位置
Dim row As Integer
row = 2
' 遍历每个流并获取数据
Dim stream As Object
Dim propName As Variant
Dim propValue As Double
For i = 0 To UBound(streamNames)
Set stream = ActiveProject.Flowsheet.Flowsheet(Stream:=streamNames(i))
For j = 0 To UBound(dataToExport)
propName = dataToExport(j)
propValue = stream.Property(propName).Value
worksheet.Cells(row, j + 1).Value = propValue
Next j
' 移动到下一行
row = row + 1
Next i
' 保存 Excel 文件
workbook.SaveAs "C:\Path\To\Your\Output\File.xlsx"
' 关闭 Excel 应用程序
excelApp.Quit
End Sub
2.2 VBA 脚本的高级应用
2.2.1 动态模拟
VBA 脚本可以实现动态模拟过程的自动化。例如,我们可以编写一个脚本来动态调整反应器的操作条件,并记录每一步的模拟结果。
Sub DynamicSimulation()
' 定义需要调整的操作条件
Dim temperatures As Variant
temperatures = Array(300, 350, 400, 450, 500)
Dim pressures As Variant
pressures = Array(10, 20, 30, 40, 50)
' 创建 Excel 应用程序
Dim excelApp As Object
Set excelApp = CreateObject("Excel.Application")
excelApp.Visible = True
' 创建一个新的工作簿
Dim workbook As Object
Set workbook = excelApp.Workbooks.Add
' 创建一个新的工作表
Dim worksheet As Object
Set worksheet = workbook.Worksheets(1)
' 设置工作表标题
worksheet.Cells(1, 1).Value = "Temperature"
worksheet.Cells(1, 2).Value = "Pressure"
worksheet.Cells(1, 3).Value = "ProductYield"
' 定义数据行的初始位置
Dim row As Integer
row = 2
' 遍历每个温度和压力组合
Dim temp As Variant
Dim pressure As Variant
Dim reactor As Object
Dim productYield As Double
For i = 0 To UBound(temperatures)
For j = 0 To UBound(pressures)
Set reactor = ActiveProject.Flowsheet.Flowsheet(Unit:="Reactor1")
reactor.SetProperty "Temperature", temperatures(i)
reactor.SetProperty "Pressure", pressures(j)
' 运行模拟
ActiveProject.Simulate
' 获取产品产量
productYield = reactor.Property("ProductYield").Value
' 将结果添加到 Excel
worksheet.Cells(row, 1).Value = temperatures(i)
worksheet.Cells(row, 2).Value = pressures(j)
worksheet.Cells(row, 3).Value = productYield
' 移动到下一行
row = row + 1
Next j
Next i
' 保存 Excel 文件
workbook.SaveAs "C:\Path\To\Your\Output\DynamicSimulationResults.xlsx"
' 关闭 Excel 应用程序
excelApp.Quit
End Sub
3. 自定义模型开发
3.1 自定义模型的原理
自定义模型允许用户在 Aspen HYSYS 中添加新的单元操作模型,这些模型可以基于现有的物理模型或完全新的数学模型。自定义模型通常通过编写 C# 或 C++ 代码来实现,并通过 Aspen HYSYS 的 API 进行集成。
示例:自定义反应器模型
以下是一个简单的 C# 代码示例,展示如何创建一个自定义反应器模型。
using AspenTech.HSCore;
using AspenTech.HSCore.Flowsheet;
using AspenTech.HSCore.Flowsheet.UnitOp;
using System;
namespace CustomReactor
{
[HSClass("CustomReactor", HSClassType.UnitOperation)]
public class CustomReactor : HSFUnitOp
{
// 定义模型参数
[HSParameter("Temperature", "反应器温度", HSUnitType.Temperature, 300)]
public double Temperature { get; set; }
[HSParameter("Pressure", "反应器压力", HSUnitType.Pressure, 10)]
public double Pressure { get; set; }
[HSParameter("MoleFlow", "进料摩尔流量", HSUnitType.MoleFlow, 100)]
public double MoleFlow { get; set; }
// 定义模型输出
[HSParameter("ProductYield", "产品产量", HSUnitType.Fraction, 0)]
public double ProductYield { get; set; }
// 模型计算方法
protected override void Calculate()
{
// 假设反应器的产率与温度和压力成正比
double k = 0.0001; // 反应速率常数
ProductYield = k * Temperature * Pressure * MoleFlow;
}
}
}
3.2 自定义模型的集成
自定义模型编写完成后,需要将其集成到 Aspen HYSYS 中。以下是集成步骤:
-
编译代码:将上述 C# 代码编译成 DLL 文件。
-
注册 DLL:在 HYSYS 中注册生成的 DLL 文件。
-
创建模型:在 HYSYS 的 Flowsheet 中创建自定义模型的实例。
示例:注册和创建自定义模型
-
编译代码:
使用 Visual Studio 或其他 C# 编译工具将上述代码编译成 DLL 文件。
-
注册 DLL:
在 HYSYS 中,进入
Tools > Add-ins > Unit Operation Modeler
,选择Add Model
并浏览到生成的 DLL 文件路径,点击Register
。 -
创建模型:
在 HYSYS 的 Flowsheet 中,选择
Insert > Unit Operation
,找到并选择CustomReactor
,设置其参数并添加到流程中。
4. 数据交换和接口开发
4.1 数据交换的基本原理
Aspen HYSYS 支持与其他软件进行数据交换,例如通过 COM 接口与 Excel、MATLAB 等工具进行交互。这种数据交换可以用于输入数据的预处理、模拟结果的后处理等。
示例:从 Excel 导入数据
假设我们需要从 Excel 文件中读取操作条件,并将这些条件应用到 HYSYS 模型中。以下是一个 VBA 脚本示例。
Sub ImportDataFromExcel()
' 打开 Excel 文件
Dim excelApp As Object
Set excelApp = CreateObject("Excel.Application")
excelApp.Visible = False
Dim workbook As Object
Set workbook = excelApp.Workbooks.Open("C:\Path\To\Your\Input\Conditions.xlsx")
Dim worksheet As Object
Set worksheet = workbook.Worksheets(1)
' 获取操作条件
Dim temperature As Double
Dim pressure As Double
Dim moleFlow As Double
temperature = worksheet.Cells(2, 1).Value
pressure = worksheet.Cells(2, 2).Value
moleFlow = worksheet.Cells(2, 3).Value
' 应用操作条件到 HYSYS
Dim reactor As Object
Set reactor = ActiveProject.Flowsheet.Flowsheet(Unit:="Reactor1")
reactor.SetProperty "Temperature", temperature
reactor.SetProperty "Pressure", pressure
reactor.SetProperty "MoleFlow", moleFlow
' 关闭 Excel 文件
workbook.Close SaveChanges:=False
excelApp.Quit
End Sub
4.2 接口开发
接口开发允许用户将 Aspen HYSYS 与其他软件系统进行集成。例如,我们可以创建一个 Web 服务接口,通过 HTTP 请求来获取和设置 HYSYS 模型的参数。
示例:创建 Web 服务接口
以下是一个简单的 C# 代码示例,展示如何创建一个 Web 服务接口来控制 Aspen HYSYS 模型。
using System;
using System.Web.Services;
using AspenTech.HSCore;
[WebService(Namespace = "http://www.example.com/hysys")]
public class HYSYSWebService : WebService
{
[WebMethod]
public string SetReactorConditions(double temperature, double pressure, double moleFlow)
{
try
{
// 连接到 Aspen HYSYS
HSCApplication hysys = new HSCApplication();
hysys.Visible = true;
// 打开一个现有的 HYSYS 文件
hysys.Simulate("C:\\Path\\To\\Your\\Simulation\\File.hsc");
// 获取反应器单元
HSFUnitOp reactor = (HSFUnitOp)hysys.Flowsheet.Flowsheet(Unit: "Reactor1");
// 设置操作条件
reactor.SetProperty("Temperature", temperature);
reactor.SetProperty("Pressure", pressure);
reactor.SetProperty("MoleFlow", moleFlow);
// 运行模拟
hysys.Simulate();
// 关闭 HYSYS
hysys.Quit();
return "操作条件设置成功";
}
catch (Exception ex)
{
return "操作条件设置失败: " + ex.Message;
}
}
}
4.3 数据交换的高级应用
4.3.1 实时数据交换
实时数据交换允许 Aspen HYSYS 与外部数据源进行实时交互。例如,我们可以使用 Python 和 HYSYS 的 API 来实时读取和更新操作条件。
# 导入所需的库
import win32com.client
import time
# 连接到 Aspen HYSYS
hysys = win32com.client.Dispatch("Aspen.HYSYS.Application")
hysys.Visible = True
# 打开一个现有的 HYSYS 文件
hysys.Simulate("C:\\Path\\To\\Your\\Simulation\\File.hsc")
# 获取反应器单元
reactor = hysys.Flowsheet.Flowsheet(Unit="Reactor1")
# 定义实时数据源
def get_real_time_data():
# 假设从某个数据源获取实时数据
temperature = 350 + 50 * random.random()
pressure = 20 + 30 * random.random()
mole_flow = 100 + 50 * random.random()
return temperature, pressure, mole_flow
# 实时更新操作条件
for _ in range(100):
temperature, pressure, mole_flow = get_real_time_data()
reactor.SetProperty("Temperature", temperature)
reactor.SetProperty("Pressure", pressure)
reactor.SetProperty("MoleFlow", mole_flow)
# 运行模拟
hysys.Simulate()
# 获取产品产量
product_yield = reactor.Property("ProductYield")
print("产品产量: ", product_yield)
# 暂停一段时间
time.sleep(1)
# 关闭 HYSYS
hysys.Quit()
5. 二次开发的调试和测试
5.1 调试基础
调试是确保二次开发代码正确运行的关键步骤。Aspen HYSYS 提供了多种调试工具,包括日志记录、断点设置等。有效的调试方法可以帮助用户快速定位和解决代码中的问题,确保模拟结果的准确性和可靠性。
5.1.1 日志记录
日志记录是调试过程中非常重要的工具。通过记录关键步骤和变量值,用户可以更好地理解代码的执行过程和状态。在 Python 和 VBA 脚本中,都可以实现日志记录功能。
Python 日志记录示例:
import win32com.client
import logging
# 配置日志记录
logging.basicConfig(filename='hysys_log.txt', level=logging.DEBUG, format='%(asctime)s - %(levelname)s - %(message)s')
# 连接到 Aspen HYSYS
hysys = win32com.client.Dispatch("Aspen.HYSYS.Application")
hysys.Visible = True
# 打开一个现有的 HYSYS 文件
try:
hysys.Simulate("C:\\Path\\To\\Your\\Simulation\\File.hsc")
logging.info("模拟文件成功打开")
except Exception as e:
logging.error("模拟文件打开失败: " + str(e))
# 获取反应器单元
try:
reactor = hysys.Flowsheet.Flowsheet(Unit="Reactor1")
logging.info("反应器单元获取成功")
except Exception as e:
logging.error("反应器单元获取失败: " + str(e))
# 设置操作条件
try:
reactor.SetProperty("Temperature", 400)
reactor.SetProperty("Pressure", 50)
reactor.SetProperty("MoleFlow", 150)
logging.info("操作条件设置成功")
except Exception as e:
logging.error("操作条件设置失败: " + str(e))
# 运行模拟
try:
hysys.Simulate()
logging.info("模拟运行成功")
except Exception as e:
logging.error("模拟运行失败: " + str(e))
# 获取产品产量
try:
product_yield = reactor.Property("ProductYield")
logging.info("产品产量: " + str(product_yield))
except Exception as e:
logging.error("获取产品产量失败: " + str(e))
# 关闭 HYSYS
hysys.Quit()
logging.info("HYSYS 关闭成功")
VBA 日志记录示例:
Sub LogMessage(ByVal message As String)
' 定义日志文件路径
Dim logFile As String
logFile = "C:\Path\To\Your\Log\hysys_log.txt"
' 打开日志文件
Dim fileNumber As Integer
fileNumber = FreeFile
Open logFile For Append As fileNumber
Print #fileNumber, Now & " - " & message
Close fileNumber
End Sub
Sub SetReactorConditions()
' 获取反应器单元
On Error GoTo ErrorHandler
Dim reactor As Object
Set reactor = ActiveProject.Flowsheet.Flowsheet(Unit:="Reactor1")
' 设置操作条件
reactor.SetProperty "Temperature", 400
reactor.SetProperty "Pressure", 50
reactor.SetProperty "MoleFlow", 150
' 运行模拟
ActiveProject.Simulate
' 获取产品产量
Dim productYield As Double
productYield = reactor.Property("ProductYield").Value
' 记录日志
Call LogMessage("操作条件设置成功: 温度 = 400, 压力 = 50, 摩尔流量 = 150")
Call LogMessage("产品产量: " & productYield)
Exit Sub
ErrorHandler:
Call LogMessage("操作条件设置失败: " & Err.Description)
End Sub
5.2 断点设置
断点设置是调试过程中另一个重要的工具。通过在代码中设置断点,用户可以在特定的代码行暂停执行,检查变量值和代码状态。在 Python 和 VBA 中,断点设置的方法有所不同。
Python 断点设置:
在 Python 脚本中,可以使用 import pdb; pdb.set_trace()
来设置断点。当代码执行到该行时,会进入调试模式,用户可以逐行执行代码并检查变量值。
import win32com.client
import pdb
# 连接到 Aspen HYSYS
hysys = win32com.client.Dispatch("Aspen.HYSYS.Application")
hysys.Visible = True
# 打开一个现有的 HYSYS 文件
hysys.Simulate("C:\\Path\\To\\Your\\Simulation\\File.hsc")
# 获取反应器单元
reactor = hysys.Flowsheet.Flowsheet(Unit="Reactor1")
# 设置操作条件
reactor.SetProperty("Temperature", 400)
reactor.SetProperty("Pressure", 50)
reactor.SetProperty("MoleFlow", 150)
# 设置断点
pdb.set_trace()
# 运行模拟
hysys.Simulate()
# 获取产品产量
product_yield = reactor.Property("ProductYield")
print("产品产量: ", product_yield)
# 关闭 HYSYS
hysys.Quit()
VBA 断点设置:
在 VBA 中,可以通过点击代码行左侧的空白区域来设置断点。当代码执行到断点时,会暂停执行,用户可以使用 VBA 的调试工具来检查变量值和代码状态。
Sub SetReactorConditions()
' 获取反应器单元
Dim reactor As Object
Set reactor = ActiveProject.Flowsheet.Flowsheet(Unit:="Reactor1")
' 设置操作条件
reactor.SetProperty "Temperature", 400
reactor.SetProperty "Pressure", 50
reactor.SetProperty "MoleFlow", 150
' 设置断点
' 点击左侧空白区域设置断点
' 运行模拟
ActiveProject.Simulate
' 获取产品产量
Dim productYield As Double
productYield = reactor.Property("ProductYield").Value
' 输出产品产量
MsgBox "产品产量: " & productYield
End Sub
5.3 单元测试
单元测试是确保代码功能正确的重要手段。通过编写单元测试,用户可以自动化地验证代码的各个部分是否按预期工作。在 Python 和 VBA 中,都可以实现单元测试功能。
Python 单元测试示例:
import unittest
import win32com.client
class TestHYSYSFunctions(unittest.TestCase):
def setUp(self):
# 连接到 Aspen HYSYS
self.hysys = win32com.client.Dispatch("Aspen.HYSYS.Application")
self.hysys.Visible = False
# 打开一个现有的 HYSYS 文件
self.hysys.Simulate("C:\\Path\\To\\Your\\Simulation\\File.hsc")
# 获取反应器单元
self.reactor = self.hysys.Flowsheet.Flowsheet(Unit="Reactor1")
def tearDown(self):
# 关闭 HYSYS
self.hysys.Quit()
def test_set_properties(self):
# 设置操作条件
self.reactor.SetProperty("Temperature", 400)
self.reactor.SetProperty("Pressure", 50)
self.reactor.SetProperty("MoleFlow", 150)
# 运行模拟
self.hysys.Simulate()
# 获取产品产量
product_yield = self.reactor.Property("ProductYield")
# 验证产品产量
self.assertTrue(product_yield > 0, "产品产量应大于0")
def test_get_properties(self):
# 获取当前操作条件
temperature = self.reactor.Property("Temperature")
pressure = self.reactor.Property("Pressure")
mole_flow = self.reactor.Property("MoleFlow")
# 验证获取的值
self.assertEqual(temperature, 300, "初始温度应为300")
self.assertEqual(pressure, 10, "初始压力应为10")
self.assertEqual(mole_flow, 100, "初始摩尔流量应为100")
if __name__ == '__main__':
unittest.main()
VBA 单元测试示例:
Sub RunUnitTests()
Dim test1 As Boolean
Dim test2 As Boolean
test1 = TestSetProperties()
test2 = TestGetProperties()
If test1 And test2 Then
MsgBox "所有测试通过"
Else
MsgBox "测试失败"
End If
End Sub
Function TestSetProperties() As Boolean
' 获取反应器单元
Dim reactor As Object
Set reactor = ActiveProject.Flowsheet.Flowsheet(Unit:="Reactor1")
' 设置操作条件
reactor.SetProperty "Temperature", 400
reactor.SetProperty "Pressure", 50
reactor.SetProperty "MoleFlow", 150
' 运行模拟
ActiveProject.Simulate
' 获取产品产量
Dim productYield As Double
productYield = reactor.Property("ProductYield").Value
' 验证产品产量
If productYield > 0 Then
TestSetProperties = True
Else
TestSetProperties = False
End If
End Function
Function TestGetProperties() As Boolean
' 获取反应器单元
Dim reactor As Object
Set reactor = ActiveProject.Flowsheet.Flowsheet(Unit:="Reactor1")
' 获取当前操作条件
Dim temperature As Double
Dim pressure As Double
Dim moleFlow As Double
temperature = reactor.Property("Temperature").Value
pressure = reactor.Property("Pressure").Value
moleFlow = reactor.Property("MoleFlow").Value
' 验证获取的值
If temperature = 300 And pressure = 10 And moleFlow = 100 Then
TestGetProperties = True
Else
TestGetProperties = False
End If
End Function
5.4 调试和测试的最佳实践
-
详细的日志记录:记录每一步的操作和结果,帮助快速定位问题。
-
分阶段调试:将复杂的脚本分解成多个小部分,逐步调试每个部分。
-
单元测试自动化:编写单元测试脚本,自动化地验证代码的各个功能。
-
代码审查:定期进行代码审查,确保代码的可读性和可维护性。
-
使用模拟数据:在调试和测试过程中,使用模拟数据来验证代码的正确性。
通过上述调试和测试方法,用户可以确保二次开发代码的可靠性和准确性,从而更好地利用 Aspen HYSYS 进行复杂流程的模拟和优化。