高興泉 郭爽

（吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院 吉林 132022； 吉林市科技信息研究所 吉林132000）

引言

化工反應(yīng)過(guò)程往往伴隨著高溫高壓等現(xiàn)象，必須對(duì)運(yùn)行的某些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[1-6]。如果監(jiān)控方案不成熟，直接在實(shí)際的裝置上建立監(jiān)控系統(tǒng)可能會(huì)由于反復(fù)更換硬件設(shè)備而造成成本的浪費(fèi)，嚴(yán)重的會(huì)造成安全生產(chǎn)事故。建立硬件在回路仿真監(jiān)控模擬系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)研是一個(gè)行之有效的方法[7-8]，即化工反應(yīng)過(guò)程用計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真模擬，其他的控制裝置如PLC 等用實(shí)際的物理本體接入到仿真回路中，這樣的動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)運(yùn)行有實(shí)時(shí)性，仿真過(guò)程更形象、直觀。本模擬系統(tǒng)可以用于學(xué)生的課程實(shí)驗(yàn)、專(zhuān)業(yè)綜合設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，還可用于監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)人員的控制方案設(shè)計(jì)、控制設(shè)備選型等等設(shè)計(jì)任務(wù)。利用本平臺(tái)可以大大縮短研發(fā)周期，提高研發(fā)效率，并且所有的過(guò)程都是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)進(jìn)行的，非常安全。本文介紹這樣基于半實(shí)物仿真的化工反應(yīng)動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的詳細(xì)組成。

一、 系統(tǒng)組成

圖1 化工反應(yīng)過(guò)程半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 為本文介紹的化工反應(yīng)過(guò)程半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。本系統(tǒng)中，對(duì)人身安全比較有危險(xiǎn)性的化工反應(yīng)過(guò)程通過(guò)服務(wù)器用數(shù)字仿真軟件來(lái)模擬，其他控制裝置由實(shí)際的物理本體構(gòu)成，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與虛擬對(duì)象實(shí)時(shí)通訊。主要包括：

1.化工反應(yīng)數(shù)字仿真服務(wù)器。

本系統(tǒng)采用MATLAB/Simulink 數(shù)字仿真軟件來(lái)模擬，該軟件有良好的擴(kuò)展性和開(kāi)發(fā)性，積木式的編程方式避免了用復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算方法求取系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的過(guò)程，另外配合RTW 工具箱里的模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。

2.數(shù)據(jù)采集卡。

采用加拿大Quanser 公司生產(chǎn)的Q4 數(shù)據(jù)采集卡。Q4 采集卡擁有4 路模擬量輸入通道，4 路模擬量輸出通道，16 可編程的數(shù)字量輸入輸出通道。該數(shù)據(jù)采集卡是將數(shù)字仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算出的變量值即檢測(cè)參數(shù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)送出，并將化工反應(yīng)過(guò)程的控制信號(hào)（也是標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)）讀入。

3.信號(hào)調(diào)理模塊。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的輸入輸出信號(hào)都是電壓信號(hào)，輸入輸出范圍是-10-10V。本系統(tǒng)中的信號(hào)調(diào)理模塊是將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的常見(jiàn)的4-20mA 信號(hào)或?qū)?biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成采集卡可接受的電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)仿真服務(wù)器和真實(shí)的物理設(shè)備之間的通信。

4.PLC 控制設(shè)備和操作臺(tái)、觸摸屏等。

PLC 控制設(shè)備采用比較流行的西門(mén)子s7-300。PLC和虛擬對(duì)象交換數(shù)據(jù)，然后再和監(jiān)控設(shè)備或終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞比如操作臺(tái)、觸摸屏及人機(jī)界面等進(jìn)行監(jiān)視或操作。

二、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 是某化工反應(yīng)過(guò)程（見(jiàn)文獻(xiàn)[6]）的仿真系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控界面。該系統(tǒng)需要對(duì)4 個(gè)變量如物質(zhì)A 的濃度、物質(zhì)B 的濃度、反應(yīng)溫度以及冷卻溫度。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，假設(shè)物料進(jìn)給率和冷卻套中的散熱量為系統(tǒng)的控制輸入按階躍的變化，監(jiān)控系統(tǒng)的4 個(gè)狀態(tài)的變化。圖2 的右半部分就是在3600S 反應(yīng)時(shí)間內(nèi)變量的歷史趨勢(shì)曲線(xiàn)，可以很清晰地看到變量的變化過(guò)程。

三、結(jié)論

將化工過(guò)程的計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真和實(shí)際的控制裝置物理本體有機(jī)融合起來(lái)，建立了能夠逼真模擬化工反應(yīng)過(guò)程的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，為縮短控制技術(shù)設(shè)計(jì)周期、減少實(shí)驗(yàn)成本，提高技術(shù)人員培訓(xùn)效率提供了平臺(tái)。

圖2 某化工反應(yīng)過(guò)程的仿真系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控界面

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