基于SIMIT平臺(tái)的數(shù)字化虛擬調(diào)試技術(shù)探討

呂馨

(上海寶信軟件股份有限公司，上海 201203)

關(guān)鍵字： 數(shù)字化虛擬調(diào)試平臺(tái)；虛擬調(diào)試；操作員培訓(xùn)；仿真

虛擬調(diào)試是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。在真實(shí)工廠調(diào)試之前，在一個(gè)軟件環(huán)境里模擬一種或多種硬件系統(tǒng)的性能，以實(shí)現(xiàn)虛擬世界到真實(shí)世界的無(wú)縫轉(zhuǎn)化。數(shù)字化虛擬調(diào)試平臺(tái)(SIMIT)是用于實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試以及操作員培訓(xùn)的軟件系統(tǒng)，提供了一個(gè)圖形化的用戶接口，可滿足自動(dòng)化領(lǐng)域的各種實(shí)時(shí)仿真要求。和以往傳統(tǒng)的調(diào)試工作顯著不同，該平臺(tái)具有多方面的特點(diǎn)，可以幫助用戶更好更快地完成組態(tài)調(diào)試工作。

虛擬調(diào)試提供了一種解決方案，可將大部分調(diào)試任務(wù)移至項(xiàng)目的早期階段，遠(yuǎn)離關(guān)鍵路徑，避免了工程安裝對(duì)調(diào)試進(jìn)度的影響，大幅度縮短調(diào)試時(shí)間，并且避免了調(diào)試中對(duì)硬件可能造成損害的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)通過(guò)定制開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作人員的培訓(xùn)。

1 數(shù)字化虛擬調(diào)試平臺(tái)的功能及優(yōu)點(diǎn)

1.1 數(shù)字化虛擬調(diào)試平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)

SIMIT平臺(tái)融入了多年的仿真項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)置多種運(yùn)算、邏輯和工藝組件，可實(shí)現(xiàn)方便、高效和快速的仿真設(shè)計(jì)；無(wú)需具備專業(yè)的仿真知識(shí)，適合自動(dòng)化工程師使用；友好的圖形化用戶界面，易于學(xué)習(xí)和操作。該平臺(tái)結(jié)構(gòu)清晰，導(dǎo)航直觀，支持以下各種通信接口和數(shù)據(jù)交換： PROFIBUS和PROFINET I/O用于現(xiàn)場(chǎng)總線仿真；PRODAVE用于與實(shí)際控制器通信；PLCSIM接口用于仿真控制器通信；通過(guò)OPC或共享存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，比如使用第三方軟件或設(shè)備。

1.2 西門子工業(yè)系列軟件之間的關(guān)系

西門子的工業(yè)軟件自成一個(gè)整體，從數(shù)字化設(shè)計(jì)、交付及一體化運(yùn)營(yíng)的平臺(tái)軟件COMOS[2]到數(shù)字化虛擬調(diào)試軟件SIMIT，再到西門子DCS控制系統(tǒng)PCS7，涵蓋了工程的各個(gè)階段，并且互相之間設(shè)有數(shù)據(jù)接口，可以無(wú)障礙地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

SIMIT可以通過(guò)簡(jiǎn)單配置后與PCS7的工程師站關(guān)聯(lián)使用，使用實(shí)際的人機(jī)界面(HMI)和操作員站進(jìn)行虛擬調(diào)試，而不需要修改自動(dòng)化項(xiàng)目，這是其他很多仿真軟件不具備的優(yōu)點(diǎn)。由于SIMIT與PCS7具有良好的集成性能，可以大幅簡(jiǎn)化組態(tài)工作量，進(jìn)行操作員培訓(xùn)(OTS)時(shí)，不但能幫助操作人員熟悉工藝裝置的特性及實(shí)際的操作員站，同時(shí)該平臺(tái)具有完整的自動(dòng)化OTS功能。

2 數(shù)字化虛擬調(diào)試平臺(tái)在項(xiàng)目中的應(yīng)用

在某炭材“智能制造新模式的運(yùn)用”項(xiàng)目中，選取針狀焦單元成相工藝段進(jìn)行數(shù)字化虛擬調(diào)試。首先在PCS7系統(tǒng)的工程師站中根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目要求進(jìn)行組態(tài)編程，然后使用SIMIT和系統(tǒng)工程師站聯(lián)用做虛擬調(diào)試，該工程師站就是后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)控制室實(shí)際使用的工程師站。

SIMIT中提供各種實(shí)用的虛擬調(diào)試工具，可以幫助用戶又快又好地完成虛擬調(diào)試工作。該平臺(tái)界面的菜單中有虛擬時(shí)間管理功能，在使用時(shí)，可以選擇不同的時(shí)間快慢模式，正常時(shí)間模式是100%，如果想要減緩或者加快虛擬調(diào)試進(jìn)度，可以選擇時(shí)間模式為50%，200%，300%等。使用該平臺(tái)界面中工具欄的“Snapshot快照”功能，隨時(shí)存儲(chǔ)階段性調(diào)試的結(jié)果，可以大幅減輕工作量。在該項(xiàng)目中，裝置的開(kāi)車程序十分復(fù)雜，開(kāi)車前有十幾個(gè)聯(lián)鎖，使用“快照”功能以后，就不必在每次打開(kāi)項(xiàng)目虛擬調(diào)試時(shí)，都重復(fù)有多個(gè)聯(lián)鎖的開(kāi)車步驟，在調(diào)試期間改動(dòng)的各種參數(shù)，也都可以通過(guò)“快照”的方式保留在SIMIT的項(xiàng)目中，當(dāng)調(diào)試全部結(jié)束以后，直接運(yùn)行保存的“快照”就可以了。

SIMIT數(shù)字化虛擬化調(diào)試技術(shù)分三個(gè)層次的建模和仿真技術(shù)應(yīng)用，可以對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行不同層級(jí)的測(cè)試；滿足自動(dòng)化領(lǐng)域的各種實(shí)時(shí)仿真要求。在該項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，工作內(nèi)容如下： 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試前的虛擬調(diào)試，減少今后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間；通過(guò)定制開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作人員的培訓(xùn)。

SIMIT的三個(gè)層級(jí)的仿真相當(dāng)于仿真了以下現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和信號(hào)： 信號(hào)層級(jí)仿真了來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的各種輸入輸出信號(hào)；設(shè)備層級(jí)仿真了現(xiàn)場(chǎng)的控制器、閥門、電機(jī)等電氣設(shè)備；在工藝層級(jí)，仿真了加熱爐、聯(lián)合塔等工藝裝置。

2.1 信號(hào)層級(jí)的虛擬調(diào)試

信號(hào)層級(jí)的仿真也稱為虛擬打點(diǎn)。信號(hào)按照來(lái)源不同，分為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)兩大類；按照信號(hào)類型不同，分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩大類，該項(xiàng)目中約有600個(gè)I/O信號(hào)，都在SIMIT中進(jìn)行了仿真測(cè)試。

在信號(hào)層級(jí)的仿真階段，可以在信號(hào)表上對(duì)數(shù)字信號(hào)設(shè)置為“0”或“1”，通過(guò)設(shè)置DO信號(hào)測(cè)試開(kāi)關(guān)閥，當(dāng)和PCS7的工程師站聯(lián)用時(shí)，工程師站畫(huà)面上可直觀地看到開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)關(guān)情況。

也可以測(cè)試模擬信號(hào)的大小。在SIMIT中，當(dāng)仿真現(xiàn)場(chǎng)常用的4～20 mA模擬信號(hào)進(jìn)入DCS之前，模擬信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)換成0～27 648內(nèi)的數(shù)字，然后再被送入PCS7工程師站中，該范圍內(nèi)的數(shù)字信號(hào)則會(huì)在SIMIT中轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的0～100%閥門開(kāi)度信號(hào)，然后送至控制閥的仿真數(shù)學(xué)模型，因此在信號(hào)層級(jí)的仿真中就可以測(cè)試控制閥了。

當(dāng)建好所有仿真模型后，就可以在SIMIT軟件中運(yùn)行該項(xiàng)目，如果有錯(cuò)誤，比如位號(hào)有重復(fù)，或者工藝裝置設(shè)計(jì)不合理等，只有當(dāng)所有錯(cuò)誤都消除以后，SIMIT才可以進(jìn)入仿真狀態(tài)，且只有當(dāng)SIMIT正常運(yùn)行以后，才能和PCS7工程師站關(guān)聯(lián)使用。

2.2 SIMIT設(shè)備層級(jí)的調(diào)試

設(shè)備層級(jí)的仿真主要是仿真?zhèn)鞲衅?、?zhí)行器和電機(jī)，該項(xiàng)目中仿真了約200臺(tái)設(shè)備。通過(guò)設(shè)備層級(jí)虛擬仿真，實(shí)現(xiàn)在DCS畫(huà)面上模擬泵、風(fēng)機(jī)、控制閥的啟動(dòng)和停止。因此，設(shè)備層級(jí)的仿真，實(shí)現(xiàn)了從HMI—控制器—I/O卡件—執(zhí)行器/傳感器的閉環(huán)，可以進(jìn)行設(shè)備層面的回路測(cè)試，完成聯(lián)鎖邏輯和順控邏輯的測(cè)試。無(wú)需借助硬件，提前排查組態(tài)程序中的問(wèn)題，加快現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作。

在SIMIT中，當(dāng)設(shè)備層級(jí)的仿真結(jié)束以后，就可以開(kāi)始虛擬調(diào)試。在該平臺(tái)主菜單中對(duì)所有閥門、泵和電機(jī)等設(shè)備在手動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行開(kāi)、關(guān)操作，因?yàn)镾IMIT與PCS7工程師站是聯(lián)用的，設(shè)備開(kāi)關(guān)狀態(tài)的變化可以在相應(yīng)工程師站的畫(huà)面上看見(jiàn)，非常簡(jiǎn)單直觀。

2.3 工藝層級(jí)的虛擬調(diào)試

工藝層級(jí)的仿真，比設(shè)備層級(jí)的仿真更深一層，實(shí)現(xiàn)了從HMI—控制器—IO卡件—執(zhí)行器/傳感器—工藝過(guò)程的閉環(huán)。通過(guò)仿真平臺(tái)可以進(jìn)行虛擬調(diào)試，發(fā)現(xiàn)工藝或自控設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題，減少物質(zhì)損失或人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)。因此，通過(guò)工藝仿真，可以使調(diào)試時(shí)間更短，基于仿真的操作員培訓(xùn)，可以增加工廠的安全性和提高工廠的生產(chǎn)效率。

該項(xiàng)目工藝層級(jí)的虛擬調(diào)試中，由于缺乏相關(guān)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的數(shù)學(xué)模型，采用了同類化工裝置的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)SIMIT的FLOWNET庫(kù)、CHMICAL BALC基本化工庫(kù)等內(nèi)部組件，主要包括運(yùn)算組件、邏輯組件、變送器組件、電機(jī)組件、閥門組件等搭建了基于工藝平衡點(diǎn)的數(shù)學(xué)仿真經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚3]，其中工藝平衡點(diǎn)參考了同類工廠在正常的生產(chǎn)操作過(guò)程中的工藝參數(shù)，該平衡點(diǎn)真實(shí)地反應(yīng)了該套生產(chǎn)裝置的實(shí)際工藝參數(shù)。該仿真模型雖然無(wú)法實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)和高精度仿真要求，但是能夠滿足用戶投資小、功能完整的需求，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)工藝裝置數(shù)學(xué)模型中的各種參數(shù)，主要包括增益、積分時(shí)間以及PID控制回路參數(shù)等，最終達(dá)到了工藝平衡點(diǎn)。該裝置的各個(gè)控制回路的測(cè)量值和設(shè)定值可以達(dá)到一致，并且控制閥開(kāi)度與實(shí)際情況一致，當(dāng)出現(xiàn)各種擾動(dòng)時(shí)，各個(gè)控制回路中輸出值的變化趨勢(shì)與實(shí)際情況一致。當(dāng)SIMIT和PCS7關(guān)聯(lián)使用時(shí)，數(shù)學(xué)模型在SIMIT軟件中運(yùn)行，同時(shí)可以在PCS7工程師站畫(huà)面上操作，操作方法和真實(shí)的生產(chǎn)操作完全一致，并且也可以建立趨勢(shì)組，調(diào)整PID參數(shù)等。工藝仿真數(shù)學(xué)模型的搭建流程如圖1所示。

圖1 工藝仿真數(shù)學(xué)模型的搭建流程示意

在該項(xiàng)目的數(shù)學(xué)模型中，大量使用了積分及高階積分的運(yùn)算組件，為了防止仿真過(guò)程中出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，在數(shù)學(xué)模型中，專門設(shè)置了總的積分清零的開(kāi)關(guān)。在工藝仿真模型運(yùn)行之前，先對(duì)全部數(shù)學(xué)模型積分清零。

3 虛擬調(diào)試中的注意事項(xiàng)及存在問(wèn)題

根據(jù)該項(xiàng)目調(diào)試階段的具體情況，在工藝層級(jí)虛擬調(diào)試時(shí)，最好在PCS7工程師站中將全部控制回路都投入自動(dòng)模式，包括單回路、串級(jí)控制、分程控制等。各個(gè)回路的控制效果，不但受工藝數(shù)學(xué)仿真模型中各個(gè)組件及參數(shù)的影響，同時(shí)受PCS7工程師站中控制程序和PID參數(shù)的影響，而且因?yàn)槟承┛刂苹芈坊ハ嘀g有耦合作用，如果某個(gè)回路調(diào)試沒(méi)有達(dá)到平衡狀態(tài)，則可能與之相關(guān)的其他回路也無(wú)法調(diào)試好，所以在工程師站工藝裝置總圖畫(huà)面中，統(tǒng)一調(diào)試所有回路。在實(shí)際的工況中，同一裝置的各個(gè)控制回路，或者同一生產(chǎn)單元的各個(gè)生產(chǎn)裝置，互相之間都有或多或少的影響，比如在聯(lián)合塔中，一旦聯(lián)合塔進(jìn)料量增加了，隨后所有工藝裝置的各個(gè)控制回路都會(huì)受到進(jìn)料量變化引起的擾動(dòng)，只不過(guò)是有些影響大一些，有些影響小一些。所以對(duì)于工藝層級(jí)的調(diào)試，不能僅僅是考慮單一的生產(chǎn)裝置，而要從工藝單元的整體上來(lái)考慮，這樣才能達(dá)到比較好的工藝仿真效果。只有當(dāng)達(dá)到工藝平衡點(diǎn)以后，才可以進(jìn)行進(jìn)一步的工藝仿真場(chǎng)景的設(shè)計(jì)。

在SIMIT仿真平臺(tái)中，有專門用于工藝裝置仿真的幾個(gè)組件庫(kù)，而且這些組件的腳本加了密碼保護(hù)，用戶無(wú)法了解組件內(nèi)部的機(jī)理數(shù)學(xué)模型，也不能修改腳本，所以使用工藝裝置組件庫(kù)中的組件進(jìn)行虛擬調(diào)試時(shí)，有時(shí)很不方便。同時(shí)組件庫(kù)里面的組件也不夠豐富，很多無(wú)法自定義，通用的組件難以實(shí)現(xiàn)具體項(xiàng)目中多樣性的要求。

4 SIMIT技術(shù)的優(yōu)越性

采用數(shù)字化虛擬調(diào)試技術(shù)，主要優(yōu)勢(shì)如下：

1)調(diào)試速度更快?；谔摂M調(diào)試技術(shù)，可對(duì)工程組態(tài)進(jìn)行早期測(cè)試。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試之前，虛擬調(diào)試技術(shù)可檢測(cè)出幾乎所有設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和功能錯(cuò)誤。因此，調(diào)試時(shí)間可減少約50%，確保系統(tǒng)及時(shí)甚至提前上線運(yùn)行。

2)工程組態(tài)質(zhì)量更高。 SIMIT的操作易用性，極大擴(kuò)展了常規(guī)測(cè)試范圍。仿真可與工程組態(tài)設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，有效確保了工程組態(tài)質(zhì)量。在運(yùn)營(yíng)商與合作伙伴共同制定技術(shù)規(guī)格的過(guò)程中，虛擬調(diào)試的優(yōu)勢(shì)彰顯，有效避免了工程組態(tài)中的重復(fù)操作和設(shè)置沖突，進(jìn)一步提高了用戶的最終滿意度。

3)成本更低。隨著重復(fù)性工程組態(tài)操作的減少和調(diào)試時(shí)間的減少，人員成本也大幅降低。同時(shí)進(jìn)行的模塊化測(cè)試方法實(shí)現(xiàn)了工程組態(tài)“首次即正確”，確保了項(xiàng)目的順利實(shí)施。此外，虛擬調(diào)試技術(shù)顯著降低了因采用真實(shí)硬件進(jìn)行測(cè)試時(shí)所需的就位時(shí)間、安裝時(shí)間及相應(yīng)工作量，是數(shù)字化新時(shí)代的一種新型實(shí)用的技術(shù)。

4)風(fēng)險(xiǎn)更小。即使沒(méi)有機(jī)器、設(shè)備或相關(guān)工廠操作員，也可進(jìn)行虛擬測(cè)試，消除了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的固有風(fēng)險(xiǎn)。即使出現(xiàn)功能異常也不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果，有效避免了代價(jià)高昂的工廠資產(chǎn)損壞和人員傷亡事故。在辦公室即可完成各種測(cè)試，縮短了項(xiàng)目延期時(shí)間，確保工廠及時(shí)上線運(yùn)行。

5) 客戶收益。 在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試之前就可以創(chuàng)建系統(tǒng)的可視化，在辦公室進(jìn)行故障早期排除，測(cè)試不同條件下系統(tǒng)響應(yīng)，節(jié)省大量的時(shí)間和精力，將實(shí)際調(diào)試時(shí)間縮短。同時(shí)提前知道如何應(yīng)對(duì)設(shè)備故障和其他緊急情況，早發(fā)現(xiàn)早糾正。培訓(xùn)操作員和工程師可在異常情況下做出反應(yīng)，以減少潛在事故，提高操作員的流程知識(shí)和信心，實(shí)現(xiàn)安全、高效的工廠運(yùn)營(yíng)，增加生產(chǎn)天數(shù)，確保提高利潤(rùn)和業(yè)務(wù)績(jī)效。

6 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化虛擬調(diào)試平臺(tái)有助于更好地培訓(xùn)新一代操作人員，減少操作員培訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本，通過(guò)使用仿真模型，確保了工程組態(tài)、調(diào)試、工廠運(yùn)行階段的正常可靠，縮短上線時(shí)間，調(diào)試更加簡(jiǎn)化安全，有利于優(yōu)化工廠操作，也有利于工廠操作安全，優(yōu)化生產(chǎn)能源消耗并減少?gòu)U物，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。