張金山，高 強，李 航，趙德權(quán)，劉進輝

（1.天津理工大學(xué)自動化學(xué)院 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室，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、原材料浪費以及產(chǎn)品質(zhì)量降低等情況發(fā)生造成的損失，必須對操作人員在上崗前進行專業(yè)培訓(xùn)［2］。由于在生產(chǎn)現(xiàn)場進行實習(xí)培訓(xùn)可能會導(dǎo)致破壞性故障，工業(yè)現(xiàn)場不允許該類故障發(fā)生。同時，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)對于操作人員進行業(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)因缺乏感官的真實性，造成被培訓(xùn)人員在實際操作中仍然難以很快進入角色。因此，構(gòu)建一種模擬復(fù)雜控制流程的半實物仿真模型系統(tǒng)，不但可以使被培訓(xùn)人員得到一種更為真實的操作體驗；而且可以為DCS系統(tǒng)的開發(fā)利用提供了一種模擬現(xiàn)場的驗證環(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)組成的具有實際物理信號輸出的半實物仿真模型系統(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表示實際電流電壓信號的傳輸以及工業(yè)總線傳輸信號，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)采用獨立開發(fā)的OPC 服務(wù)器作為數(shù)據(jù)交換場所。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)器進行連接。模型軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會以一定時間刷新后寫入OPC 服務(wù)器，存儲后由WinCC和DCS的OPC 客戶端根據(jù)需要進行讀取。同樣，WinCC和DCS的某些控制信息也會實時的存入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)的動態(tài)仿真軟件PISP平臺建立。通過機理建模與辨識建模結(jié)合的方法，得到模擬生產(chǎn)現(xiàn)場系統(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基礎(chǔ)單元，如一級分離器、二級分離器、一級分離器、二級換熱器等，如圖3所示為一級分離器畫面。該動態(tài)模型實時的產(chǎn)生模型現(xiàn)場的各種儀表數(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)場電信號或者工業(yè)總線信號的形式提供給DCS端進行讀取、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，實現(xiàn)流程中剩余的控制任務(wù)。比如PLC對離心泵的控制以及PLC 對伺服電機的控制等。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，實現(xiàn)對DCS控制的冗余，即在沒有DCS或者DCS停止工作時，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，實現(xiàn)整個流程中重要的控制部分，如果DCS存在IO點數(shù)的限制，所需數(shù)據(jù)通信可以通過三部分進行傳輸，一是經(jīng)PLC 傳輸來的實際IO 電信號；二是采用相應(yīng)DCS系統(tǒng)所支持的現(xiàn)場總線協(xié)議進行傳輸；三是經(jīng)OPC在OPC服務(wù)器讀取的OPC數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)方案及特點

2.1 系統(tǒng)實現(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，其余箭頭既表示實際電流電壓信號的傳輸，也表示具有現(xiàn)場信號傳輸特點的Profibus和Modbus信號的傳輸。

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模塊進行傳輸是很難達(dá)到要求的。本系統(tǒng)在實現(xiàn)時僅對和PID 控制有關(guān)的32路模擬量通過模擬IO 進行通信，對24路數(shù)字量通過數(shù)字IO 進行通信，剩余的部分則由DCS系統(tǒng)所支持的Profibus—DP協(xié)議進行傳輸，接線如圖5所示。

圖5 接線圖

（2）模型采用.NET 技術(shù)，基于PISP平臺由VC 編程實現(xiàn)，在安裝相應(yīng)的軟件環(huán)境和仿真軟件后，可以實現(xiàn)對連續(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”由一級換熱器、二級換熱器、一級分離器、三級換熱器、二級分離器、電加熱器以及各類壓力泵組成。仿真工藝分為穩(wěn)態(tài)運行、冷態(tài)開車以及故障處理三種狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)運行狀態(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)可以長時間穩(wěn)定運行；冷態(tài)開車狀態(tài)下，需要操作員進行操作的現(xiàn)場閥完全在模型軟件上進行操作，DCS端按開車步驟進行控制操作；故障處理狀態(tài)下，仿真模型設(shè)計了若干工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常發(fā)生的故障，模擬故障的發(fā)生，操作員需進行規(guī)定的操作，才能將故障排除。

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

（4）對于現(xiàn)場的儀表信號，WinCC 會讀取后傳遞給PLC，從而實現(xiàn)了OPC的計算機數(shù)據(jù)到實際電信號的轉(zhuǎn)換。PLC將這些儀表信號通過實際電流電壓信號，或者Profibus和Modbus傳遞給DCS，使得DCS可以像讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)一樣，對數(shù)據(jù)進行處理，相應(yīng)的控制信號會實際電流電壓信號，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，使得現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的動作。

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

2.2 系統(tǒng)特點

（1）可擴展性

在硬件方面，可通過增加PLC 卡件的方式，實現(xiàn)測試系統(tǒng)功能與測試點數(shù)量的擴容。

在軟件方面，一是根據(jù)實際工藝情況，可以替換不同的仿真模型；二是組態(tài)方便，可針對不同的模型進行組態(tài)設(shè)計，實現(xiàn)各種現(xiàn)場設(shè)備的信號模擬。

（2）信號多樣性

本系統(tǒng)擁有MODBUS、PROFIBUS通信接口，組態(tài)后可方便實現(xiàn)與DCS的MODBUS、PROFIBUS 通信。由于PLC通信卡件的多樣性，對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現(xiàn)與DCS的通信。

（3）半實物仿真

在以往的仿真系統(tǒng)中，僅僅是使用數(shù)學(xué)的方法實現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境的建模。這種仿真模式的優(yōu)點是模型建立之后只利用簡單的計算機環(huán)境即可以實現(xiàn)仿真，但是缺點卻是模型所提供的信號只能是計算機信號，無法真正模擬現(xiàn)場提供給DCS的實際電信號。如果采用電路將信號進行轉(zhuǎn)換，模擬成實際4－20mA／0－10V 電信號，所要面臨的問題是針對不同的仿真對象，需要重復(fù)的進行電路板的設(shè)計、制作與測試，工作量龐大。

本仿真系統(tǒng)采用OPC技術(shù)，將已建立的現(xiàn)場模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過PLC及上位，實現(xiàn)了計算機信號與實際電信號的轉(zhuǎn)換。對DCS而言，完全按照實際現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信進行接線與設(shè)置，不需要做多余的更改。并且對于PLC 而言，根據(jù)不同仿真對象，只需要對卡件進行增減與改變，就可實現(xiàn)仿真的現(xiàn)場環(huán)境。

（4）使用便捷性

上面已經(jīng)說到，如果用電路對信號進行轉(zhuǎn)換，會因為電路板的設(shè)計、制作與測試，產(chǎn)生大量的工作。而PLC 卡件因為其成熟性與穩(wěn)定性，增減與改變不會造成上述的問題。比如已有的仿真模型是一個幾十個點的小模型，現(xiàn)在需要建立一個幾百個點的模型，那么只需要增加PLC卡件就可以實現(xiàn)點數(shù)的擴展。另外，當(dāng)模型改變時，只需要對PLC上位進行相應(yīng)的組態(tài)，就可以實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的重新配置。

3 系統(tǒng)通信實現(xiàn)

本仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)主要才用了OPC、硬點連接、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)器中同時建立相同的點（全模型共168個點全部建立）。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)用進入OPC 客戶端，如圖6中①部分。在實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)傳輸時會產(chǎn)生數(shù)據(jù)的傳輸錯誤，因此在OPC 客戶端的設(shè)計時，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，我們根據(jù)數(shù)據(jù)量建立多個Group，每個Group只包含30個點，這樣就避免了因大量數(shù)據(jù)同時傳輸所產(chǎn)生的傳輸錯誤。

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，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲，如圖6中②部分。這些數(shù)據(jù)根據(jù)情況，一部分會通過WinCC 與PLC通信轉(zhuǎn)換為實際IO 信號，一部分會通過OPC 直接傳遞給DCS，如圖6中③部分。

3.2 硬點通信

在實際現(xiàn)場控制中，DCS所接收到的儀表信號都是通過信號線傳輸?shù)?－20mA／0－10V 電信號。因此，PLC的IO與DCS的IO 采用硬點接線連接，如圖6 中④部分。在實際測試中，PLC所提供的信號完全符合現(xiàn)場信號要求，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 硬點通信數(shù)據(jù)

3.3 其他通信方式

在實際現(xiàn)場控制中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)還會通過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PLC編程進行簡單的修改，就可以實現(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，只是在實際使用中會存在不到1s的延遲；硬點通信由于電流傳輸?shù)脑驎嬖谡`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)確對數(shù)據(jù)進行傳輸。上述實驗數(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。所提供的各種信號以及信號的誤差水平，完全和現(xiàn)場進入中控室的信號相同。同時，模型所提供的設(shè)備運行情況，在DCS控制的情況下，基本和現(xiàn)場設(shè)備吻合。從而實現(xiàn)了對DCS系統(tǒng)測試、培訓(xùn)以及應(yīng)用的目的。目前我國在半實物仿真方面的研究和應(yīng)用剛剛起步，與國際先進水平還有較大差距。隨著模型仿真和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的發(fā)展，基于半實物仿真技術(shù)的仿真技術(shù)必將在控制設(shè)備的測試、培訓(xùn)以及應(yīng)用方面有長足的發(fā)展。

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