基于OTS系統(tǒng)的酸堿中和系統(tǒng)的建模與仿真

劉鎖清，劉少虹，李軍紅

（1.山西大學(xué) 動力工程系，太原 030013；2.山西大學(xué) 自動化系，太原 030013）

自動化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用使得電站系統(tǒng)逐漸走向智能化、自動化、高效化，使得企業(yè)對員工的要求也越來越高，然而由于火電廠發(fā)電高度耦合的連續(xù)化生產(chǎn)線，不可能為了培訓(xùn)員工而停止正常生產(chǎn)，電廠新員工很難參與到實(shí)際開車、停車、故障等操控中[1]。因此仿真技術(shù)得以應(yīng)用，為這些問題的解決提供了可靠的應(yīng)用平臺。它不僅可以確定新控制方案的可行性，為電廠各個系統(tǒng)的優(yōu)化控制算法提供實(shí)驗(yàn)平臺，而且能夠?qū)剡\(yùn)行人員實(shí)施崗前培訓(xùn)，從而提高運(yùn)行人員的操作水平和處理事故的能力。

所采用的仿真環(huán)境是OTS支撐系統(tǒng)。OTS在國外普及程度很高，但在國內(nèi)認(rèn)可程度還不高，最初只有少數(shù)幾家大型化工、石油、煉油企業(yè)采用了國外廠商霍尼韋爾、英維思、橫河的OTS系統(tǒng)。隨著國內(nèi)OTS的發(fā)展，近年來更多的大中型生產(chǎn)型企業(yè)也逐漸認(rèn)識并認(rèn)可了OTS系統(tǒng)[2]。在此以小型系統(tǒng)酸堿中和系統(tǒng)為例，利用Intouch組態(tài)軟件以及和利時OTS系統(tǒng)，開發(fā)出一套酸堿中和系統(tǒng)仿真軟件，為火電廠各個系統(tǒng)領(lǐng)域探索機(jī)理建模以及仿真系統(tǒng)開發(fā)提供了借鑒。

1 酸堿中和系統(tǒng)的工藝流程

酸堿中和系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。系統(tǒng)投運(yùn)前，首先檢查各個泵、閥門是否存在故障，酸/堿貯存槽是否有足夠的酸/堿，各管路無滲漏，等。檢查無誤后酸堿中和系統(tǒng)具備投入運(yùn)行條件。

圖1 酸堿中和系統(tǒng)的工藝流程Fig.1 Process flow chart of acid-base neutralization system

酸堿中和系統(tǒng)具體操作流程如下：

中和水池水位達(dá)2.5 m時，取樣化驗(yàn)廢水pH值。若pH為6～9，則打開中和水泵，啟動中和水泵排水；中和池液位降至0.5 m時，停中和水泵；放至所需刻度。

若廢水pH值不在6～9范圍內(nèi)，則進(jìn)行以下操作：

步驟1當(dāng)pH＜6時，粗略計(jì)算所需加入堿量，開啟中和水池進(jìn)堿氣動門，觀察堿液貯存槽液位；

步驟2當(dāng)pH＞9時，粗略計(jì)算需加入酸量，開啟中和水池進(jìn)酸氣動門，觀察酸液貯存槽液位，放至所需刻度；

步驟3開羅茨風(fēng)機(jī)出口手動門，中和水池進(jìn)氣門，啟動羅茨風(fēng)機(jī)，攪拌均勻后停運(yùn)羅茨風(fēng)機(jī)，關(guān)閉風(fēng)機(jī)出口手動門、中和水池進(jìn)氣門；

步驟4開啟中和水池再循環(huán)閥，啟動中和水泵，廢水循環(huán)5～10 min，觀察廢水pH值，pH為6～9時開啟中和水泵出口門，關(guān)閉中和水池再循環(huán)閥，向工業(yè)廢水調(diào)節(jié)池送水；中和水池液位降至0.5 m時停中和水泵。

需要注意：若中和水泵打循環(huán)時，發(fā)現(xiàn)pH值不在6～9范圍內(nèi)，則應(yīng)重復(fù)步驟1—步驟3的操作。

2 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所建立的酸堿中和系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該仿真系統(tǒng)主要由3個部分組成，人機(jī)界面的監(jiān)控系統(tǒng)、建立仿真模型的OTS系統(tǒng)以及兩者之間進(jìn)行通訊的MMI點(diǎn)表[3]。

圖2 酸堿中和仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structurem of acid-base neutralization simulation system

基于OTS的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)酸堿中和系統(tǒng)各個設(shè)備的工作原理，建立設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，然后利用Fortran語言編制仿真程序，建立算法模型庫，并在OTS仿真平臺下轉(zhuǎn)換為仿真模型，通過各仿真算法庫的各類算法邏輯組態(tài)，實(shí)現(xiàn)酸堿中和系統(tǒng)的動態(tài)模擬仿真。

基于Intouch組態(tài)軟件的酸堿中和系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)按照酸堿中和系統(tǒng)的工藝流程組態(tài)其動態(tài)的監(jiān)控界面，并對OTS環(huán)境下的仿真模型進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，參數(shù)實(shí)時顯示設(shè)置以及報(bào)警。

仿真系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)通過DDE協(xié)議進(jìn)行動態(tài)的數(shù)據(jù)交換，其具體實(shí)現(xiàn)是通過點(diǎn)表文件和MMI.EXE應(yīng)用程序進(jìn)行，其中MMI點(diǎn)表文件是實(shí)現(xiàn)2個系統(tǒng)間變量通訊的媒介[3]。

3 仿真軟件的設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)是操作員與仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時控制、參數(shù)顯示以及報(bào)警功能信息傳遞的媒介。按照酸堿中和系統(tǒng)的工藝流程，采用Intouch組態(tài)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的監(jiān)控畫面。監(jiān)控界面主要包括：酸堿中和系統(tǒng)總圖、計(jì)算及控制界面、參數(shù)及穩(wěn)性動態(tài)顯示界面以及報(bào)警界面。酸堿中和系統(tǒng)總貌的監(jiān)控畫面如圖3所示。

圖3 酸堿中和系統(tǒng)總貌的監(jiān)控畫面Fig.3 Monitoring picture of general appearance of acid-base neutralization system

首先利用Intouch的開發(fā)界WindowMaker提供的繪圖工具，根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程繪制靜態(tài)的人機(jī)界面。然后，定義組態(tài)畫面上的各個變量并建立其標(biāo)記名字典即定義變量的數(shù)據(jù)類型，最后完成動作鏈接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫面的動態(tài)模擬。

3.2 數(shù)據(jù)通訊

要實(shí)現(xiàn)OTS系統(tǒng)與Intouch人機(jī)界面的通訊，首先需要在Intouch的開發(fā)界面（Window Maker）中創(chuàng)建1個DDE訪問名，并在通訊協(xié)議欄選擇DDE通訊協(xié)議[4]。協(xié)議創(chuàng)建好后，建立數(shù)據(jù)庫——人機(jī)界面數(shù)據(jù)庫和仿真模型數(shù)據(jù)庫，整個數(shù)據(jù)的通訊過程即為畫面?zhèn)葦?shù)據(jù)庫 （或仿真模型數(shù)據(jù)庫）通過DDE協(xié)議，完成與Intouch組態(tài)軟件的運(yùn)行界面（或OTS系統(tǒng)）實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸。

監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與仿真模型數(shù)據(jù)庫輸入與輸出變量并不相同，通過DDE協(xié)議可以完成單側(cè)（界面?zhèn)然蚍抡婺Ｐ蛡?cè)）的數(shù)據(jù)傳輸，要實(shí)現(xiàn)界面?zhèn)扰c模型側(cè)的數(shù)據(jù)傳輸，還需要建立MMI點(diǎn)表，以使OTS軟件仿真下的模型側(cè)變量和Intouch人機(jī)界面?zhèn)鹊臄?shù)據(jù)變量達(dá)成一種一一對應(yīng)關(guān)系。而在實(shí)際開發(fā)過程中，是將模型側(cè)和界面測的I/O清單一一對應(yīng)地放在excel表格中，形成通訊點(diǎn)表，畫面?zhèn)鹊牟僮鞫伺c模型側(cè)實(shí)現(xiàn)無縫連接。當(dāng)仿真機(jī)連盤后，界面?zhèn)鹊牟僮鲃討B(tài)信息就會與模型側(cè)信息進(jìn)行同步更新[5]。

酸堿中和系統(tǒng)的中和水泵部分通訊點(diǎn)見表1。當(dāng)仿真機(jī)連盤運(yùn)行以后，左右兩側(cè)的數(shù)據(jù)信息同步更新保持一致。

3.3 仿真支撐系統(tǒng)

模塊化建模是仿真系統(tǒng)建模的基本思想，首先將酸堿中和系統(tǒng)分解為若干原理相同或相似的設(shè)備級，對設(shè)備級建立數(shù)學(xué)模型，采用OTS仿真平臺建立各個設(shè)備的仿真模型，模型算法用Fortran語言編寫。一個設(shè)備對應(yīng)一個模塊，一個模塊對應(yīng)一種算法，每一個算法都具有通用性，能夠被重復(fù)調(diào)用，且使用方法簡單。在此以系統(tǒng)的泵為例建立泵的仿真模型[5]。

表1 中和水泵部分通訊點(diǎn)Tab.1 Partial communication points of neutralization pump

利用Fortran語言編制的泵模型算法的部分源代碼如下：

其中，IN（*）表示輸入，OUT（*）表示輸出。

上述源代碼定義了泵算法模型的輸出參數(shù)OUT（1）為停止命令。由程序可見，要想實(shí)現(xiàn)OUT（1）為停止命令，有3種方式：手動停、保護(hù)停、自動停。這3種停止命令均對應(yīng)各自等號右側(cè)的3種條件，最終通過對OUT（1）的賦值語句與IF語句得出停止命令 OUT（1）的狀態(tài)（對 OUT（38）賦值是用于求解OUT（40））。（有文字的部分屬于注釋——不參與程序的運(yùn)行與編譯）

利用Fortran語言編制設(shè)備的算法模型，編譯之后在OTS系統(tǒng)中形成算法庫，通過調(diào)用該算法并設(shè)置模型的系數(shù)和輸入?yún)?shù)，使其更接近實(shí)際設(shè)備的運(yùn)行結(jié)果，從而形成泵的仿真設(shè)備模型，如圖4所示。該模型顯示了模塊的模型側(cè)變量名、模塊所用的算法名稱，以及模塊在模型中狀態(tài)、運(yùn)行速率，模塊的輸入（左側(cè)）、輸出（中間）和系數(shù)（右側(cè)）等。

圖4 泵的設(shè)備模型Fig.4 Equipment model of pump

通過在OTS系統(tǒng)中完成各個設(shè)備的仿真模型后，還需將這些建立的獨(dú)立設(shè)備依據(jù)酸堿中和系統(tǒng)的工藝流程，進(jìn)行仿真系統(tǒng)的控制邏輯組態(tài)，在各種工藝條件下對各種工藝流程就行模擬仿真，從而真實(shí)地再現(xiàn)酸堿中和系統(tǒng)的工藝流程。為實(shí)現(xiàn)投運(yùn)備用中和水泵而在OTS系統(tǒng)中進(jìn)行的邏輯組態(tài)如圖5所示。

至此酸堿中和系統(tǒng)的仿真軟件開發(fā)完成，軟件應(yīng)用時，只需將Intouch軟件與OTS系統(tǒng)分別打開，并裝入各自的文件，通訊連盤后該仿真軟件即可使用，電廠運(yùn)行人員可以在仿真系統(tǒng)上練習(xí)生產(chǎn)操作，掌握工藝流程以及研究控制策略。

4 結(jié)語

利用Intouch組態(tài)軟件以及OTS系統(tǒng)開發(fā)了酸堿中和系統(tǒng)的仿真軟件，構(gòu)造了一種以訓(xùn)練和教學(xué)為目的，在某種程度上再現(xiàn)一個真實(shí)系統(tǒng)行為的系統(tǒng)。采用動態(tài)仿真系統(tǒng)培訓(xùn)生產(chǎn)操作人員，能使操作人員更好地掌握操作規(guī)程，在仿真系統(tǒng)上“嘗試”生產(chǎn)操作，進(jìn)行開車、運(yùn)行、停車操作、設(shè)置以及處理事故，使操作人員能在更短的時間內(nèi)更準(zhǔn)確、全面地學(xué)會工藝操作；并且利用該仿真操作系統(tǒng)可以優(yōu)化生產(chǎn)操作以及開發(fā)控制系統(tǒng)的分析。為火電廠仿真系統(tǒng)的開發(fā)提供了借鑒。

圖5 1號中和水泵備用邏輯Fig.5 No.1 neutralization pump backup logic