壓力容器模擬培訓(xùn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 紅 ，許銀萍，周永念，楊 帆

(1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205; 2.武漢市壓力容器壓力管道安全技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430205; 3. 武漢市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所，湖北 武漢 430013)

0 引 言

壓力容器廣泛應(yīng)用于化工、煉油、機(jī)械、動力、輕工、紡織、冶金、核能以及運(yùn)輸?shù)裙I(yè)部門，是生產(chǎn)過程中必不可少的重要設(shè)備.壓力容器安全管理人員和操作人員培訓(xùn)是一個集壓力容器基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識、安全管理和安全操作知識、法規(guī)知識等綜合性非常強(qiáng)的專業(yè)職能技術(shù)培訓(xùn)[1].考試培訓(xùn)機(jī)構(gòu)需要根據(jù)大綱要求內(nèi)容，結(jié)合實(shí)際情況制定具體的培訓(xùn)考核細(xì)則.目前國內(nèi)在壓力容器培訓(xùn)考核工作中還沒有相關(guān)的專用培訓(xùn)考核設(shè)備，培訓(xùn)考核主要靠講義、課堂教學(xué)、考試等傳統(tǒng)方式完成，不能完全滿足壓力容器種類多，行業(yè)覆蓋面廣，培訓(xùn)質(zhì)量要求高的要求.

仿真技術(shù)綜合了當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中多種現(xiàn)代化尖端手段，極大地?cái)U(kuò)展了人類的視野、時限和能力，在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域起到了極其重要的作用[2].近10年來，我國仿真技術(shù)得到迅速發(fā)展.從應(yīng)用的廣泛程度看，已經(jīng)從早期的航空、航天、火力發(fā)電和核動力發(fā)電部門擴(kuò)展到今天的軍事、電子、通信、交通、艦船、冶金、建筑、氣象、地質(zhì)、機(jī)械制造、輕工、技術(shù)訓(xùn)練等多種行業(yè)和部門，其應(yīng)用已滲透到系統(tǒng)生命周期的全過程.

半實(shí)物仿真作為仿真技術(shù)的一個分支，涉及的領(lǐng)域極廣，包括機(jī)電技術(shù)、液壓技術(shù)、控制技術(shù)、接口技術(shù)等.從某種角度上講，一個國家的半實(shí)物仿真技術(shù)的發(fā)展水平也代表其整體的科技實(shí)力.半實(shí)物仿真是工程領(lǐng)域內(nèi)一種應(yīng)用較為廣泛的仿真技術(shù)，是計(jì)算機(jī)仿真回路中接入一些實(shí)物進(jìn)行的試驗(yàn)，因而更接近實(shí)際情況[3].這種仿真試驗(yàn)將對象實(shí)體的動態(tài)特性通過建立數(shù)學(xué)模型、編程，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，這是在飛機(jī)與導(dǎo)彈控制和制導(dǎo)系統(tǒng)中必須進(jìn)行的仿真試驗(yàn).

實(shí)時監(jiān)控[4]系統(tǒng)以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而被廣泛應(yīng)用于金融系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、公安系統(tǒng)、教育系統(tǒng)和醫(yī)療系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域, 在計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和通信技術(shù)迅猛發(fā)展的過程中, 監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)水平也從初期的模擬信息傳輸與控制飛速發(fā)展到了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化信息傳輸與控制.

1 系統(tǒng)實(shí)施方案

考核培訓(xùn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示.系統(tǒng)基于先進(jìn)的以太網(wǎng)自動化技術(shù)所提供的現(xiàn)場設(shè)備開放網(wǎng)絡(luò)平臺，以網(wǎng)絡(luò)可編程控制器構(gòu)建下位機(jī)單元，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備控制，以工控組態(tài)軟件和通用PC為軟、硬件平臺構(gòu)建上位機(jī)系統(tǒng)，提供圖文界面環(huán)境；系統(tǒng)基于通用的以太網(wǎng)平臺，實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)間的通信，構(gòu)建一個上位機(jī)對應(yīng)多個下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，以方便系統(tǒng)擴(kuò)展[5-6].

下位機(jī)操作站選用“大工計(jì)控”公司的PEC 8000和DIO 2000 網(wǎng)絡(luò)可編程控制器.PEC8000是基于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化可編程控制器，有1路10 MB/100 MB工業(yè)以太網(wǎng)通信接口，2路RS485通信接口，支持MB+高速總線，8路數(shù)字量輸入(支持4路最高50 kHz高速輸入)，8路數(shù)字量輸出(支持2路最高頻率50 kHz高速輸出)，6路模擬量輸入，2路模擬量輸出.DIO2000是基于RS485串行通信的網(wǎng)絡(luò)化可編程控制器，有1路RS485通信接口，23路數(shù)字量輸入，16路數(shù)字量輸出.下位機(jī)通過現(xiàn)場檢測和執(zhí)行裝置，按照預(yù)先編制的控制程序?qū)崿F(xiàn)對模擬裝置操作狀態(tài)的監(jiān)測和控制.

上位機(jī)選用北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司開發(fā)的MCGS工控組態(tài)軟件進(jìn)行軟、硬件組態(tài)，通過采集和監(jiān)控下位機(jī)上傳的實(shí)時數(shù)據(jù)，提供模擬操作監(jiān)控流程，實(shí)現(xiàn)操作可視化，實(shí)現(xiàn)操作提示和培訓(xùn)考核功能.上位機(jī)與PLC之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信.以PEC 8000為主控制器，DIO 2000為數(shù)字量擴(kuò)展模塊，通過RS-485串行線路連接通信.

采用昆侖通態(tài)的觸摸屏TPC1062K作為現(xiàn)場操作終端，方便學(xué)生完成壓力容器外觀檢查操作，觸摸屏與PEC 8000通過RS-485串行模式進(jìn)行通信.

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)

在編程環(huán)境PLC-Config中獲取PEC8000上的IP地址192.168.1.181，將PC機(jī)上的IP地址設(shè)置成同一網(wǎng)段192.168.1.X ，上位機(jī)與PLC就能進(jìn)行通訊.PEC8000與MCGS觸摸屏之間的通訊，采用RS485接線方式，7號口接主控制器PEC8000上的T1+,8號口接T1-.在MCGS組態(tài)軟件的設(shè)備窗口中選擇“通用串口父設(shè)備” ，“莫迪康ModbusRTU子設(shè)備”，并配置各自的設(shè)備屬性.PEC8000與MCGS監(jiān)控界面的通訊，通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接.在MCGS的設(shè)備窗口里選擇“通用TCP/IP父設(shè)備”，“莫迪康MODBUS-TCP子設(shè)備”，按表1和表2進(jìn)行相應(yīng)的屬性設(shè)置.

單個PEC8000與DIO2000總共有31路開關(guān)量輸入，20路開關(guān)量輸出，蒸壓釜系統(tǒng)需要12路開關(guān)量輸入，21路開關(guān)量輸出，其中觸摸屏占用14路輸出.現(xiàn)場調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)觸摸屏上開關(guān)量輸出不占用PLC上的實(shí)際端口，所以可直接使用PLC上的內(nèi)部虛擬端口，節(jié)約出很多實(shí)際輸出端口.

表1 主設(shè)備參數(shù)設(shè)置Table 1 Setting of the master equipment parameters

表2 次設(shè)備參數(shù)設(shè)置Table 2 Setting of the secondary equipment parameters

2.2 系統(tǒng)動畫流程設(shè)計(jì)

MCGS組態(tài)環(huán)境中，沒有動畫插入功能.使用3Dmax作出蒸壓釜操作培訓(xùn)從開門到關(guān)門的五張狀態(tài)圖，每個動作會出現(xiàn)相應(yīng)的圖片.這樣做出來的動畫效果很差，每張圖片切換時波動大，不能客觀、真實(shí)地顯示蒸壓釜的操作流程，而且使用3Dmax制作動畫，其過程復(fù)雜，工作量大.

使用相機(jī)直接拍攝現(xiàn)場模擬樣機(jī).用三腳架固定住相機(jī)，從側(cè)面和正面分別拍攝蒸發(fā)釜的動作過程(為了使效果更加明顯，盡可能的多拍一些照片).拍出的照片運(yùn)用Photoshop進(jìn)行處理，裁減掉不需要的東西.最后將每張照片以位圖的形式插入MCGS中，并進(jìn)行設(shè)置.這里要注意一點(diǎn)，相機(jī)拍出的圖片像素很高，占用空間大，如果直接貼到MCGS中，會導(dǎo)致系統(tǒng)反應(yīng)慢，甚至出現(xiàn)癱瘓這種情況，所以在插入圖片之前要用Photoshop將照片的像素改小.

最終的蒸壓釜流程效果圖如圖2所示.

圖2 蒸壓釜流程圖Fig.2 The figure of the autoclave process

2.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫[7]訪問方式，通過MCGS各種數(shù)據(jù)屬性的設(shè)置和構(gòu)件的操作，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)處理和交換功能.整個蒸壓釜數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括試題信息庫，學(xué)員信息庫.在Microsoft Access數(shù)據(jù)庫中分別對兩類數(shù)據(jù)庫進(jìn)行編輯，試題信息庫需要錄入試題名稱、試題操作步驟、試題初始條件，學(xué)院信息庫中包括新學(xué)員信息錄入和管理.MCGS不在ODBC數(shù)據(jù)源管理器中指定ODBC數(shù)據(jù)源，而是直接在MCGS組態(tài)軟件中，指定使用的ODBC驅(qū)動程序和ODBC數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，從而由MCGS直接建立起ODBC數(shù)據(jù)庫連接，這種方式可以使工程應(yīng)用時需要考慮的復(fù)雜性降低.

3 系統(tǒng)主要功能

該系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)仿真與壓力容器操作系統(tǒng)樣機(jī)相結(jié)合，逼真地模擬出壓力容器的實(shí)際操作環(huán)境，自動記錄和回放系統(tǒng)操作過程參數(shù)，設(shè)置設(shè)備常見故障，自動對學(xué)員的操作能力進(jìn)行考核與評價，滿足壓力容器實(shí)際操作技能培訓(xùn)和考核的各項(xiàng)要求，實(shí)現(xiàn)了典型工藝設(shè)備流程動畫的輔助教學(xué)，全面提高了培訓(xùn)考核的管理質(zhì)量.

4 結(jié) 語

系統(tǒng)采用上下位機(jī)的架構(gòu)，充分利用上位機(jī)處理信息能力超強(qiáng)和下位機(jī)穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，非常適合工業(yè)現(xiàn)場.同時基于通用的以太網(wǎng)平臺，實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)間的通信，構(gòu)建了一個上位機(jī)對應(yīng)多個下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，方便系統(tǒng)擴(kuò)展.在MCGS中利用Access數(shù)據(jù)庫保存數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù), 提高了系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率, 同時也使其它應(yīng)用軟件系統(tǒng)能直接處理數(shù)據(jù)庫中的存盤數(shù)據(jù).

參考文獻(xiàn)：

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