OPC實(shí)現(xiàn)APROS與DCS半實(shí)物仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信

楊 晨 潘衡堯 蔣 帥

(重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院)

OPC實(shí)現(xiàn)APROS與DCS半實(shí)物仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信

楊 晨 潘衡堯 蔣 帥

(重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院)

利用APROS軟件強(qiáng)大的多功能仿真和DCS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制功能，實(shí)現(xiàn)了利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)APROS仿真的現(xiàn)場數(shù)據(jù)與HOLLiAS DCS的控制信號(hào)間的實(shí)時(shí)通信。通過Delphi7編寫OPC Client建立APROS 和DCS的半實(shí)物仿真平臺(tái)，既能用APROS來驗(yàn)證DCS的控制功能、整定控制參數(shù)、減少控制系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間，又通過實(shí)物控制系統(tǒng)DCS輸出的控制信號(hào)，強(qiáng)化APROS仿真的真實(shí)性。

實(shí)時(shí)通信 APROS 半實(shí)物仿真系統(tǒng) OPC技術(shù)

APROS(Advanced PROcess Simulator)是1986年開始由芬蘭富騰公司(Fortum)和國家技術(shù)研究中心(VTT)聯(lián)合開發(fā)的仿真軟件，它應(yīng)用于常規(guī)火電站、核電站和化工廠的工程仿真機(jī)、安全分析中。APROS能對(duì)現(xiàn)場運(yùn)行過程進(jìn)行模擬，得到較為真實(shí)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)[1,2]。

HOLLiAS DCS系統(tǒng)在國內(nèi)各大電廠廣泛應(yīng)用，但該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制策略存在許多缺陷，需要不斷用現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行完善。在這種情況下，采用仿真軟件來進(jìn)行測試既可以減少自控系數(shù)調(diào)試的時(shí)間，又能減少調(diào)節(jié)階段的費(fèi)用，更為高效[3]。而OPC(OLE Process Control)是OPC基金會(huì)組織倡導(dǎo)的工業(yè)控制和生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域中使用的硬件和軟件的接口規(guī)范，以便有效地在應(yīng)用和過程控制設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)[4]。

鑒于此，筆者提出基于OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)仿真軟件APROS與DCS組成的半實(shí)物仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信方案。通過編寫仿真平臺(tái)端OPC Client程序訪問仿真軟件的OPC Server，并上傳仿真數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)將控制信號(hào)輸入到仿真平臺(tái)；編寫控制系統(tǒng)端OPC Client程序訪問控制系統(tǒng)的OPC Server，并輸入仿真數(shù)據(jù)，同時(shí)將控制系統(tǒng)輸出的控制信號(hào)上傳到數(shù)據(jù)庫；編寫數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序訪問數(shù)據(jù)庫并記錄歷史數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)仿真工程的控制系統(tǒng)，并對(duì)控制策略部分進(jìn)行組態(tài)，生成控制工程并將工程下裝，登錄操作員站；最后用APROS的仿真工程現(xiàn)場仿真數(shù)據(jù)來驗(yàn)證DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制功能，并對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行整定，同時(shí)又通過實(shí)物DCS系統(tǒng)輸出的控制信號(hào)，強(qiáng)化APROS仿真的真實(shí)性。

1 半實(shí)物仿真平臺(tái)數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)

半實(shí)物仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換過程如圖1所示。

圖1 仿真平臺(tái)和控制平臺(tái)的數(shù)據(jù)交換過程

圖1所示的這種結(jié)構(gòu)可方便今后在仿真平臺(tái)中再添加其他的仿真設(shè)備，實(shí)現(xiàn)更加細(xì)致完善的仿真過程。其他設(shè)備的添加只需通過已開發(fā)的OPC Client就可以連接并入該仿真平臺(tái)[5～7]。Delphi是由美國Borland公司于1995年開發(fā)的Windows平臺(tái)下的快速應(yīng)用程序開發(fā)工具。半實(shí)物仿真系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)接口采用Delphi7中Database Desktop提供的Paradox數(shù)據(jù)庫，可開發(fā)OPC Client使它能同時(shí)訪問OPC Server和數(shù)據(jù)庫。

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

HOLLiAS DCS系統(tǒng)中工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)站、現(xiàn)場控制站與APROS構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。其中APROS所在的機(jī)器，安裝了雙網(wǎng)卡后并入了DCS的網(wǎng)絡(luò)中，還可再加一塊網(wǎng)卡使它能連接外網(wǎng)。

圖2 半實(shí)物仿真系統(tǒng)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

仿真站。該站包含用于工業(yè)過程仿真建模的APROS仿真軟件。該軟件可以通過各種功能塊模擬許多過程動(dòng)態(tài)。

實(shí)時(shí)仿真硬件I/O機(jī)柜。將控制模型下裝到機(jī)柜中，輸入仿真數(shù)據(jù)后輸出控制信號(hào)，I/O機(jī)柜用于過程控制。

工程師站，也稱控制策略站。用于使用HOLLiAS MACS軟件設(shè)計(jì)控制策略。

操作員站，也稱監(jiān)控站。在系統(tǒng)中起監(jiān)視作用。同時(shí)具有歷史記錄、人機(jī)交互界面、系統(tǒng)過程詳細(xì)信息和診斷接口。

1.2 通信的實(shí)時(shí)性

申文彬提出了能準(zhǔn)確反映半實(shí)物仿真系統(tǒng)的時(shí)間同步特性，同時(shí)可評(píng)估半實(shí)物仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的定量指標(biāo)——時(shí)間同步精度Tsynca[8]：

(1)

(2)

式中fST(t)——仿真時(shí)間；

FMT(t)——機(jī)器時(shí)間；

ST——仿真步長。

筆者提出的方法不僅解決了仿真模型與所涉及的實(shí)物控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換這一問題，同時(shí)通過控制OPC Client的讀/寫頻率也保證了它們之間的通信在相同的時(shí)間間隔中，滿足時(shí)間同步精度要求。

2 APROS仿真工程

APROS是一個(gè)主要用于對(duì)熱能和核能發(fā)電裝置動(dòng)態(tài)模擬的仿真工具，它在相變、水和蒸汽的質(zhì)量、動(dòng)量和能量的守恒方程基礎(chǔ)上建立了熱工水力計(jì)算。同時(shí)APROS廣泛應(yīng)用在工業(yè)和研究界，因它重現(xiàn)物理行為精度高和靈活的平臺(tái)而出名。因此，選擇用APROS來對(duì)太陽能發(fā)電站蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真[9]。

太陽能發(fā)電站蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的仿真目的是確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)將仿真系統(tǒng)中的控制部分?jǐn)嚅_由DCS系統(tǒng)來完成，最終實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真的目標(biāo)。太陽能發(fā)電系統(tǒng)的原理為：太陽能射線被鏡子反射，聚集在一根內(nèi)有導(dǎo)熱油流動(dòng)的管線上，它的溫度高達(dá)393℃，利用這種導(dǎo)熱油的自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽。由蒸汽帶動(dòng)與發(fā)電機(jī)相連的汽輪機(jī)來產(chǎn)生電力。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)的流程如圖3所示。系統(tǒng)中的給水流入省煤器部分后，在省煤器內(nèi)加熱到接近沸騰溫度。同時(shí)系統(tǒng)中的汽包用于混合4個(gè)節(jié)段產(chǎn)生的蒸汽。產(chǎn)生的蒸汽從蒸汽出口流出，在汽包中通過氣旋的作用進(jìn)行分離。通過氣旋分離，防止蒸汽出口出來的蒸汽進(jìn)入下降管。產(chǎn)生的干蒸汽去到過熱器，在過熱器中，蒸汽的溫度將達(dá)到它最終的381℃，與此同時(shí)，導(dǎo)熱油的流動(dòng)方向與蒸汽流動(dòng)方向相反，溫度從393℃冷卻到300℃。

2.1 APROS仿真系統(tǒng)建模和半實(shí)物系統(tǒng)連接

在APROS中對(duì)太陽能發(fā)電站蒸發(fā)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真工程的導(dǎo)熱油的性能參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。為了準(zhǔn)確地模擬導(dǎo)熱油的特性，必須對(duì)油的性質(zhì)作出調(diào)整。APROS中油的性質(zhì)計(jì)算是基于4個(gè)輸入?yún)?shù)：溫度在15℃和100℃的密度和動(dòng)力粘度。

熱交換器模型。APROS中有標(biāo)準(zhǔn)“逆流熱交換器”模塊，這簡化了建模工作并節(jié)約了計(jì)算時(shí)間。熱交換器被離散為多層換熱，來獲得高精度的傳熱計(jì)算。在管子側(cè)，由集箱連接下降管和上升管。各換熱器層中的節(jié)點(diǎn)高度為各層的平均高度。通過將換熱器離散為多層，蒸汽發(fā)生器模型的精確度可以得到有效提高。

管道幾何結(jié)構(gòu)建模。APROS中所有管道都可以真實(shí)完整的模擬。因此，鍋爐的自然水循環(huán)過程可以被高精度的模擬。輸入直徑、長度、高度差和壓力損失系數(shù)，就可以對(duì)不同的組件進(jìn)行建模，比如：下降管、上升管和汽包。

控制系統(tǒng)。瞬態(tài)過程的數(shù)值模擬還需對(duì)設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行精確建模，但由于實(shí)際控制系統(tǒng)在DCS中完成，因此控制部分在DCS中建模。

邊界條件。為了驗(yàn)證模型，需要定義邊界條件。為了去驗(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)備以常數(shù)邊界條件進(jìn)行仿真，相當(dāng)于系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行。對(duì)于導(dǎo)熱油來說，導(dǎo)熱油的入口溫度、質(zhì)量流量和壓力都是以常數(shù)邊界條件給出的。而對(duì)于工質(zhì)側(cè)(蒸汽/水)的相關(guān)參數(shù)，則通過給水溫度和汽包壓力來設(shè)定。

斷開仿真工程中的控制部分。太陽能發(fā)電站蒸發(fā)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真工程中，有控制系統(tǒng)的建模。但由于實(shí)際控制系統(tǒng)在DCS中完成，因此要斷開瞬態(tài)過程的數(shù)值模擬仿真工程中的控制部分，由DCS輸出水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)、汽包壓力調(diào)節(jié)閥信號(hào)和疏水流量調(diào)節(jié)閥信號(hào)。

2.2 DCS系統(tǒng)組態(tài)

DCS組態(tài)包括數(shù)據(jù)庫組態(tài)、設(shè)備組態(tài)、控制器算法組態(tài)和圖形組態(tài)。

數(shù)據(jù)庫組態(tài)就是定義和編輯系統(tǒng)各控制站的點(diǎn)信息，是形成整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)[10,11]。在系統(tǒng)中有兩類點(diǎn)，一類是實(shí)際的物理測點(diǎn)，另一類是中間量點(diǎn)。而現(xiàn)場的實(shí)際裝置為確保安全，一般是不允許任意修改參數(shù)設(shè)置的，若需要輸入非電信號(hào)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，則需要將實(shí)際的物理測點(diǎn)和中間量點(diǎn)配合使用。現(xiàn)場數(shù)據(jù)的信號(hào)處理過程如圖4所示，現(xiàn)場的模擬電信號(hào)，經(jīng)過FM卡件轉(zhuǎn)換為16位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)后，經(jīng)過控制器算法組態(tài)中的H_E模塊轉(zhuǎn)換為AI信號(hào)，再將中間變量1給AI信號(hào)，控制運(yùn)算的輸入、輸出控制信號(hào)的中間變量，輸出的中間變量再給AO。

對(duì)系統(tǒng)的3個(gè)主要控制回路進(jìn)行控制器算法組態(tài)：

a. 在APROS模型中，是由省煤器之前的一個(gè)泵來供應(yīng)給水的。因此，通過DCS輸出泵的轉(zhuǎn)速信號(hào)來改變水的質(zhì)量流量，以使汽包的水達(dá)到它的設(shè)定值。

b. 在APROS模型中，使用了一個(gè)過熱器后的閥門控制蒸汽出口達(dá)到控制汽包壓力的目的。因此，通過DCS輸出過熱器后面控制閥開度信號(hào)調(diào)節(jié)汽包壓力。

c. 在APROS模型中，汽包的排污也要進(jìn)行模擬，由汽包底部引出的一個(gè)排污管來保持一個(gè)固定的排污質(zhì)量。因此，通過DCS輸出流量閥門開度控制汽包排污的質(zhì)量流量，保持設(shè)定值。

PID模塊用增量型算式計(jì)算，為此根據(jù)PID控制算法搭建如圖5所示的DCS-PID控制器算法組態(tài)。

圖4 使用OPC時(shí)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的信號(hào)處理過程

圖5 DCS-PID控制組態(tài)

控制算法組態(tài)中，為使整個(gè)系統(tǒng)能真實(shí)模擬現(xiàn)場信號(hào)傳輸，使用慣性(HSFOP)模塊對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場模擬。

由于本次DCS只用于控制，現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控可以在APROS中直接進(jìn)行，所以圖形組態(tài)中只創(chuàng)建了控制部分?？刂葡到y(tǒng)操作員界面如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)操作員界面

程序編寫完成后，編譯成功下裝控制器算法到主控單元中。下裝完成后重啟，登錄操作員站即可運(yùn)行控制工程。

2.3 OPC Client和數(shù)據(jù)庫

在Delphi7的Database Desktop中建立Paradox數(shù)據(jù)庫，建立數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)并保存數(shù)據(jù)表文件。最后編寫訪問并顯示數(shù)據(jù)庫的Delphi應(yīng)用程序。

在Delphi7中編寫OPC Client。該客戶端是在Kassl dOPC提供的測試OPC Client的基礎(chǔ)上，通過添加TDBGrid、TTable及TDataSource等組件與數(shù)據(jù)庫建立連接，并通過計(jì)時(shí)器設(shè)定實(shí)現(xiàn)自動(dòng)寫入數(shù)據(jù)、自動(dòng)更新數(shù)據(jù)等功能。計(jì)時(shí)器的刷新時(shí)間為150ms，完成整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程只需要300ms，符合實(shí)時(shí)通信標(biāo)準(zhǔn)。

3 半實(shí)物仿真平臺(tái)中的通信連接

HOLLiAS MACSV系統(tǒng)中，任意一臺(tái)操作員站都可作為OPC Server端，然后在相應(yīng)的機(jī)器上配置好DCOM，使用OPC Client軟件中編寫的Link Start功能即可讀取OPC Server中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Paradox數(shù)據(jù)庫中。APROS所在的工作站配置好DCOM后，只需選中APROS中的Enable external connectivity選項(xiàng)即可運(yùn)行OPC Server。點(diǎn)擊Link Stop可斷開與OPC Server的連接。

4 半實(shí)物仿真平臺(tái)控制環(huán)路

通過Delphi7還可以編寫程序?qū)崿F(xiàn)各種需要的功能。例如在未安裝HOLLiAS MACSV系統(tǒng)，無法下裝操作員站的PC上也可以更改控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)可以遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)參數(shù)。圖7中，在OPC Client的基礎(chǔ)上添加3個(gè)控制窗口，同時(shí)建立Delphi控件和OPC獲取參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可。在Edit控件中輸入值后可以單擊更新參數(shù)按鈕，按獲取參數(shù)則可獲取OPC Server中對(duì)應(yīng)標(biāo)簽數(shù)據(jù)的值。

圖7 控制參數(shù)調(diào)節(jié)程序界面

通過兩個(gè)OPC Client分別與DCS、APROS的OPC Server連接后，點(diǎn)擊客戶端中的Link Start完成數(shù)據(jù)的交換。運(yùn)行APROS工程，APROS工程中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過OPC傳遞到DCS，同時(shí)DCS輸出變量LV1水泵轉(zhuǎn)速、LV2汽包壓力調(diào)節(jié)閥開度和LV3疏水流量調(diào)節(jié)閥開度。

在APROS的Chart界面中可以觀察到對(duì)應(yīng)汽包水位數(shù)據(jù)的變化，通過輸入一個(gè)擾動(dòng)水位并使用圖7的調(diào)節(jié)參數(shù)應(yīng)用程序整定汽包水位控制系統(tǒng)參數(shù)，最終可將汽包水位測量值穩(wěn)定調(diào)節(jié)到設(shè)定值。通過對(duì)比可知，在相同的控制系數(shù)情況下，半實(shí)物仿真平臺(tái)的控制效果要優(yōu)于純仿真控制，調(diào)節(jié)整定所需的時(shí)間短、響應(yīng)迅速、曲線振蕩幅度小。

5 結(jié)束語

基于OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)仿真軟件APROS與DCS系統(tǒng)組成的半實(shí)物仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信，通過APROS太陽能發(fā)電站蒸發(fā)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真工程模擬現(xiàn)場，同時(shí)通過OPC將現(xiàn)場仿真數(shù)據(jù)和DCS系統(tǒng)反饋的控制信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。編寫的OPC Client完成單個(gè)數(shù)據(jù)的完整交換過程只需要100ms，完全符合實(shí)時(shí)通信的要求，同時(shí)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序還可以深入開發(fā)添加歷史數(shù)據(jù)庫、導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫、導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫及查找等功能。

仿真結(jié)果表明：OPC技術(shù)能可靠地完成APROS仿真平臺(tái)和DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，減少自控系數(shù)調(diào)節(jié)的時(shí)間，對(duì)控制參數(shù)的整定很有幫助。在APROS仿真環(huán)境下，能根據(jù)需求對(duì)模型進(jìn)行擴(kuò)充和完善，建立更全面的模擬系統(tǒng)。同時(shí)，在半實(shí)物仿真系統(tǒng)平臺(tái)上的模擬控制實(shí)驗(yàn)沒有安全問題，有助于加強(qiáng)對(duì)控制理論的理解。最后,由于半實(shí)物仿真系統(tǒng)平臺(tái)是基于真實(shí)的DCS系統(tǒng)，所以在經(jīng)過本半實(shí)物仿真平臺(tái)上驗(yàn)證后的控制算法更容易在現(xiàn)場實(shí)施，這也是半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與基于軟件的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)本質(zhì)的區(qū)別。

通過本次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了實(shí)物控制臺(tái)和虛擬仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)交換，結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)使得今后控制策略的研究更加方便。該研究成果不論是在自動(dòng)化基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用、先進(jìn)控制理論研究與應(yīng)用領(lǐng)域還是在員工系統(tǒng)培訓(xùn)等領(lǐng)域都將會(huì)發(fā)揮重要作用。

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RealizingReal-timeCommunicationbetweenAPROSandDCSBasedonOPCTechnology

YANG Chen, PAN Heng-yao, JIANG Shuai
(SchoolofPowerEngineering,ChongqingUniversity)

Through giving full play to the APROS’ powerful multi-function simulation and the DCS’ real-time control function, making use of OPC technology to realize real-time communication between the field data of APROS simulation and the control signal of HOLLiAS DCS was implemented, including using Delphi 7 to program OPC client and establishing semi-physical simulation platform for both PROS and DCS. In this way, the APROS can be adopted to confirm the control function of DCS, adjust the control parameters and reduce the debugging time of the control system; and the control signals out of DCS can be controlled by physical outputs to intensify the authenticity of APROS simulation.

real-time communication, APROS, semi-physical simulation system, OPC technology

TH862+.7

A

1000-3932(2017)04-0392-06

2016-11-04，

2017-02-07)

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51576020)。

楊晨(1963-)，教授，從事熱力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性、分布式能源系統(tǒng)、可再生能源及多尺度模擬等的研究，yxtyc@cqu.edu.cn。

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AbstractThe AC/DC conversion circuit design with charging function was introduced, including AC to DC conversion circuit, a DC to DC conversion circuit and a battery charging circuit. The application results show that in the case of 220V(AC) power source or battery on hand, the 24V(DC),12V (DC) and 3.3V(DC) can be output stably.

KeywordsAC/DC conversion circuit, voltage conversion, output voltage