新型的應(yīng)用于過程控制的半實(shí)物仿真系統(tǒng)

張金山，高 強(qiáng)，李 航，趙德權(quán)，劉進(jìn)輝

（1.天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.油建渤海裝備技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300452）

0 引 言

目前，在連續(xù)型流程生產(chǎn)工業(yè)過程控制中，DCS系統(tǒng)已經(jīng)成為主要的控制方式［1］。在這種高度自動(dòng)化和信息化的工業(yè)控制下，為了避免因操作失誤造成設(shè)備損壞、原材料浪費(fèi)以及產(chǎn)品質(zhì)量降低等情況發(fā)生造成的損失，必須對(duì)操作人員在上崗前進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)［2］。由于在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)習(xí)培訓(xùn)可能會(huì)導(dǎo)致破壞性故障，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不允許該類故障發(fā)生。同時(shí)，近年來石化生產(chǎn)規(guī)模不斷增大，需要培訓(xùn)的操作人員逐漸增多，因此仿真培訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)于操作人員進(jìn)行業(yè)務(wù)培訓(xùn)，提高操作水平，提高操作人員診斷、排除故障的能力，起著至關(guān)重要的作用［3］。然而，工業(yè)生產(chǎn)多種多樣，生產(chǎn)過程比較復(fù)雜，生產(chǎn)規(guī)模差異很大，傳統(tǒng)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)因缺乏感官的真實(shí)性，造成被培訓(xùn)人員在實(shí)際操作中仍然難以很快進(jìn)入角色。因此，構(gòu)建一種模擬復(fù)雜控制流程的半實(shí)物仿真模型系統(tǒng)，不但可以使被培訓(xùn)人員得到一種更為真實(shí)的操作體驗(yàn)；而且可以為DCS系統(tǒng)的開發(fā)利用提供了一種模擬現(xiàn)場(chǎng)的驗(yàn)證環(huán)境，從而使得已開發(fā)出的控制程序能夠更快的應(yīng)用到實(shí)際控制中去。本文以典型油氣水處理流程為背景，為復(fù)雜控制系統(tǒng)（如DCS系統(tǒng)或FCS系統(tǒng)）提供一種具有復(fù)雜控制流程的半實(shí)物仿真模型系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)是一種由數(shù)學(xué)仿真模型和PLC 系統(tǒng)組成的具有實(shí)際物理信號(hào)輸出的半實(shí)物仿真模型系統(tǒng)，可以滿足復(fù)雜控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和掌握［4］。典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示：圖1 中①②表示實(shí)際電流電壓信號(hào)的傳輸以及工業(yè)總線傳輸信號(hào)，其余數(shù)據(jù)傳輸均表示OPC數(shù)據(jù)的傳輸。

圖1 典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 OPC通信

目前，流程控制行業(yè)內(nèi)主流的DCS控制系統(tǒng)，國外產(chǎn)品有ABB、霍尼韋爾、艾默生等，國內(nèi)產(chǎn)品以浙大中控為代表。另外，還有眾多正在使用的DCS品牌。要使本半實(shí)物仿真模型系統(tǒng)能夠應(yīng)用于絕大多數(shù)的DCS系統(tǒng)，需要解決的一個(gè)重要的問題就是系統(tǒng)與不同DCS 系統(tǒng)的通信問題［5］?；谏鲜鲈?，本系統(tǒng)采用通用數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)——OPC技術(shù)。

系統(tǒng)采用獨(dú)立開發(fā)的OPC 服務(wù)器作為數(shù)據(jù)交換場(chǎng)所。模型軟件、WinCC和DCS 都有自己相應(yīng)的OPC 客戶端，經(jīng)過局域網(wǎng)和OPC服務(wù)器進(jìn)行連接。模型軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會(huì)以一定時(shí)間刷新后寫入OPC 服務(wù)器，存儲(chǔ)后由WinCC和DCS的OPC 客戶端根據(jù)需要進(jìn)行讀取。同樣，WinCC和DCS的某些控制信息也會(huì)實(shí)時(shí)的存入OPC服務(wù)器，再由OPC服務(wù)器傳 遞給模型軟 件［6－7］。

1.2 模型軟件

仿真模型采用根據(jù)油氣水處理流程開發(fā)的“油氣水分離系統(tǒng)仿真模型”。本模型由基于.NET 技術(shù)的動(dòng)態(tài)仿真軟件PISP平臺(tái)建立。通過機(jī)理建模與辨識(shí)建模結(jié)合的方法，得到模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的仿真模型［8－9］，如圖2所示為流程總圖。本模型系統(tǒng)包含石化行業(yè)油氣水處理流程的各個(gè)基礎(chǔ)單元，如一級(jí)分離器、二級(jí)分離器、一級(jí)分離器、二級(jí)換熱器等，如圖3所示為一級(jí)分離器畫面。該動(dòng)態(tài)模型實(shí)時(shí)的產(chǎn)生模型現(xiàn)場(chǎng)的各種儀表數(shù)據(jù)，并顯示于畫面中。需要傳輸給中控的點(diǎn)的數(shù)據(jù)經(jīng)軟件內(nèi)OPC客戶端傳遞給OPC服務(wù)器，再經(jīng)由WinCC和PLC 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，以現(xiàn)場(chǎng)電信號(hào)或者工業(yè)總線信號(hào)的形式提供給DCS端進(jìn)行讀取、處理與控制。

1.3 控制端

基于控制分工、控制冗余和DCS與PLC點(diǎn)數(shù)限制等原因的考慮，本系統(tǒng)將PLC控制和DCS控制分為柔性控制端和硬性控制端（合稱控制端）。

（1）柔性控制端

柔性控制端包括：西門子S7—300PLC和西門子上位軟件WinCC。

在柔性控制端，實(shí)現(xiàn)流程中剩余的控制任務(wù)。比如PLC對(duì)離心泵的控制以及PLC 對(duì)伺服電機(jī)的控制等。另外，在需要的情況下，柔性控制端可增加流程中重要部分的控制權(quán)限，實(shí)現(xiàn)對(duì)DCS控制的冗余，即在沒有DCS或者DCS停止工作時(shí)，仿真系統(tǒng)仍能自己形成控制閉環(huán)，持續(xù)穩(wěn)定工作。

（2）硬性控制端

硬性控制端包括：DCS控制器和上位軟件環(huán)境。

這里的DCS系統(tǒng)前面已經(jīng)表述，包括絕大多數(shù)品牌的DCS控制系統(tǒng)，如石油化工生產(chǎn)系統(tǒng)常見的霍尼韋爾、愛默生、ABB等系統(tǒng)。

在硬性控制端，實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程中重要的控制部分，如果DCS存在IO點(diǎn)數(shù)的限制，所需數(shù)據(jù)通信可以通過三部分進(jìn)行傳輸，一是經(jīng)PLC 傳輸來的實(shí)際IO 電信號(hào)；二是采用相應(yīng)DCS系統(tǒng)所支持的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議進(jìn)行傳輸；三是經(jīng)OPC在OPC服務(wù)器讀取的OPC數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案及特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

（1）方案如圖4所示，圖4中①②③表示OPC 數(shù)據(jù)的傳輸，其余箭頭既表示實(shí)際電流電壓信號(hào)的傳輸，也表示具有現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸特點(diǎn)的Profibus和Modbus信號(hào)的傳輸。

圖4 系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)此次使用的“油氣水分離系統(tǒng)仿真模型”，全模型共有變量168路，其中數(shù)字量24路，模擬量144路，如果全部由IO模塊進(jìn)行傳輸是很難達(dá)到要求的。本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)時(shí)僅對(duì)和PID 控制有關(guān)的32路模擬量通過模擬IO 進(jìn)行通信，對(duì)24路數(shù)字量通過數(shù)字IO 進(jìn)行通信，剩余的部分則由DCS系統(tǒng)所支持的Profibus—DP協(xié)議進(jìn)行傳輸，接線如圖5所示。

圖5 接線圖

（2）模型采用.NET 技術(shù)，基于PISP平臺(tái)由VC 編程實(shí)現(xiàn)，在安裝相應(yīng)的軟件環(huán)境和仿真軟件后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)流程的仿真。本系統(tǒng)此次使用的“油氣水分離系統(tǒng)仿真模型”由一級(jí)換熱器、二級(jí)換熱器、一級(jí)分離器、三級(jí)換熱器、二級(jí)分離器、電加熱器以及各類壓力泵組成。仿真工藝分為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、冷態(tài)開車以及故障處理三種狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下，在DCS控制端調(diào)節(jié)好PID 控制參數(shù)的情況下，系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行；冷態(tài)開車狀態(tài)下，需要操作員進(jìn)行操作的現(xiàn)場(chǎng)閥完全在模型軟件上進(jìn)行操作，DCS端按開車步驟進(jìn)行控制操作；故障處理狀態(tài)下，仿真模型設(shè)計(jì)了若干工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常發(fā)生的故障，模擬故障的發(fā)生，操作員需進(jìn)行規(guī)定的操作，才能將故障排除。

（3）OPC服務(wù)器采用獨(dú)立開發(fā)的OPC服務(wù)器，其特點(diǎn)是性能穩(wěn)定，能夠和絕大多數(shù)的OPC 客戶端實(shí)現(xiàn)連接并正常通信。在這里，OPC 服務(wù)器是一個(gè)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)中心，模型所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會(huì)寫到Server中，而WinCC和DCS又會(huì)根據(jù)需要讀取Server中的數(shù)據(jù)。

（4）對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的儀表信號(hào)，WinCC 會(huì)讀取后傳遞給PLC，從而實(shí)現(xiàn)了OPC的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)到實(shí)際電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。PLC將這些儀表信號(hào)通過實(shí)際電流電壓信號(hào)，或者Profibus和Modbus傳遞給DCS，使得DCS可以像讀取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)一樣，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，相應(yīng)的控制信號(hào)會(huì)實(shí)際電流電壓信號(hào)，或者Profibus和Modbus再返回PLC，經(jīng)過PLC→WinCC→OPC服務(wù)器→模型的順序，送到模擬現(xiàn)場(chǎng)，使得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。

經(jīng)過上述信號(hào)的傳輸，構(gòu)成了一個(gè)由模擬現(xiàn)場(chǎng)的仿真模型和DCS組成的控制回路。

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）可擴(kuò)展性

在硬件方面，可通過增加PLC 卡件的方式，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)功能與測(cè)試點(diǎn)數(shù)量的擴(kuò)容。

在軟件方面，一是根據(jù)實(shí)際工藝情況，可以替換不同的仿真模型；二是組態(tài)方便，可針對(duì)不同的模型進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)模擬。

（2）信號(hào)多樣性

本系統(tǒng)擁有MODBUS、PROFIBUS通信接口，組態(tài)后可方便實(shí)現(xiàn)與DCS的MODBUS、PROFIBUS 通信。由于PLC通信卡件的多樣性，對(duì)于目前主流的通信方式，本系統(tǒng)都可以通過增加卡件的方式實(shí)現(xiàn)與DCS的通信。

（3）半實(shí)物仿真

在以往的仿真系統(tǒng)中，僅僅是使用數(shù)學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的建模。這種仿真模式的優(yōu)點(diǎn)是模型建立之后只利用簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)環(huán)境即可以實(shí)現(xiàn)仿真，但是缺點(diǎn)卻是模型所提供的信號(hào)只能是計(jì)算機(jī)信號(hào)，無法真正模擬現(xiàn)場(chǎng)提供給DCS的實(shí)際電信號(hào)。如果采用電路將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，模擬成實(shí)際4－20mA／0－10V 電信號(hào)，所要面臨的問題是針對(duì)不同的仿真對(duì)象，需要重復(fù)的進(jìn)行電路板的設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試，工作量龐大。

本仿真系統(tǒng)采用OPC技術(shù)，將已建立的現(xiàn)場(chǎng)模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過PLC及上位，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)信號(hào)與實(shí)際電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。對(duì)DCS而言，完全按照實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通信進(jìn)行接線與設(shè)置，不需要做多余的更改。并且對(duì)于PLC 而言，根據(jù)不同仿真對(duì)象，只需要對(duì)卡件進(jìn)行增減與改變，就可實(shí)現(xiàn)仿真的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

（4）使用便捷性

上面已經(jīng)說到，如果用電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，會(huì)因?yàn)殡娐钒宓脑O(shè)計(jì)、制作與測(cè)試，產(chǎn)生大量的工作。而PLC 卡件因?yàn)槠涑墒煨耘c穩(wěn)定性，增減與改變不會(huì)造成上述的問題。比如已有的仿真模型是一個(gè)幾十個(gè)點(diǎn)的小模型，現(xiàn)在需要建立一個(gè)幾百個(gè)點(diǎn)的模型，那么只需要增加PLC卡件就可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展。另外，當(dāng)模型改變時(shí)，只需要對(duì)PLC上位進(jìn)行相應(yīng)的組態(tài)，就可以實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的重新配置。

3 系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)

本仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)主要才用了OPC、硬點(diǎn)連接、Modbus、Profibus等形式。數(shù)據(jù)鏈路如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)鏈路

3.1 OPC通信

首先在OPC客戶端和OPC服務(wù)器中同時(shí)建立相同的點(diǎn)（全模型共168個(gè)點(diǎn)全部建立）。OPC 服務(wù)器為WinCC自帶OPC服務(wù)器，OPC客戶端為控件形式嵌入到仿真模型中。仿真模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)用進(jìn)入OPC 客戶端，如圖6中①部分。在實(shí)驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的傳輸錯(cuò)誤，因此在OPC 客戶端的設(shè)計(jì)時(shí)，我們采用了“多組分傳”的方法。所謂“多組分傳”，就是在建立OPC Group時(shí)，我們根據(jù)數(shù)據(jù)量建立多個(gè)Group，每個(gè)Group只包含30個(gè)點(diǎn)，這樣就避免了因大量數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸所產(chǎn)生的傳輸錯(cuò)誤。

模型中的OPC客戶端所得到的數(shù)據(jù)，通過寫操作寫入WinCC中的OPC服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，如圖6中②部分。這些數(shù)據(jù)根據(jù)情況，一部分會(huì)通過WinCC 與PLC通信轉(zhuǎn)換為實(shí)際IO 信號(hào)，一部分會(huì)通過OPC 直接傳遞給DCS，如圖6中③部分。

3.2 硬點(diǎn)通信

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)控制中，DCS所接收到的儀表信號(hào)都是通過信號(hào)線傳輸?shù)?－20mA／0－10V 電信號(hào)。因此，PLC的IO與DCS的IO 采用硬點(diǎn)接線連接，如圖6 中④部分。在實(shí)際測(cè)試中，PLC所提供的信號(hào)完全符合現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)要求，并具有相當(dāng)高的精度。模型中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，在經(jīng)過IO 傳輸?shù)紻CS后，其誤差可以保證在0.1%以內(nèi)。部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所以。

表1 硬點(diǎn)通信數(shù)據(jù)

3.3 其他通信方式

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)控制中，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)還會(huì)通過Modbus、Profibus等通信方式傳輸給DCS，本系統(tǒng)在此方面也做了相應(yīng)的仿真，只需要在對(duì)PLC編程進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改，就可以實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)與DCS之間相應(yīng)的通信。Profibus通信部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示，Modbus通信與Profibus通信在使用和效果上基本相同，在此不再贅述。

表2 Profibus通信數(shù)據(jù)

由表1及表2的數(shù)據(jù)可以看出，OPC 通信不存在任何誤差，只是在實(shí)際使用中會(huì)存在不到1s的延遲；硬點(diǎn)通信由于電流傳輸?shù)脑驎?huì)存在誤差，不過這種誤差基本保持在可以允許的范圍之內(nèi)；而Profibus通信也基本不存在誤差，可以準(zhǔn)確對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，無論采用何種通信方式，其傳輸精度都可以達(dá)到要求的水平。

4 結(jié)束語

在實(shí)際工程應(yīng)用中，與傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)提供了更好、更為逼真的仿真環(huán)境。所提供的各種信號(hào)以及信號(hào)的誤差水平，完全和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)入中控室的信號(hào)相同。同時(shí)，模型所提供的設(shè)備運(yùn)行情況，在DCS控制的情況下，基本和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備吻合。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)DCS系統(tǒng)測(cè)試、培訓(xùn)以及應(yīng)用的目的。目前我國在半實(shí)物仿真方面的研究和應(yīng)用剛剛起步，與國際先進(jìn)水平還有較大差距。隨著模型仿真和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的發(fā)展，基于半實(shí)物仿真技術(shù)的仿真技術(shù)必將在控制設(shè)備的測(cè)試、培訓(xùn)以及應(yīng)用方面有長(zhǎng)足的發(fā)展。

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