新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)興新職業(yè)技術(shù)學(xué)院 毛新紅

基于XDPS的虛擬DCS教學(xué)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)興新職業(yè)技術(shù)學(xué)院 毛新紅

【摘要】集散控制是自動(dòng)化專業(yè)一門實(shí)踐性很強(qiáng)的的主干專業(yè)課程，但采購(gòu)一套完整的DCS系統(tǒng)用于教學(xué)花費(fèi)很高。因此，使用仿真系統(tǒng)來(lái)代替實(shí)際的DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)裝置顯得尤其重要。本文使用上海新華DCS 控制系統(tǒng)自帶的VXCU軟件搭建了一個(gè)虛擬DCS仿真平臺(tái)。平臺(tái)的建立讓學(xué)生在沒(méi)有昂貴實(shí)驗(yàn)設(shè)備的條件下，在計(jì)算機(jī)房也可以虛擬與現(xiàn)場(chǎng)相同的系統(tǒng)組態(tài)及調(diào)試工作，做到理、虛一體，使學(xué)生對(duì)DCS有一個(gè)直觀上的認(rèn)識(shí)，對(duì)DCS教學(xué)具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】虛擬控制器；仿真；液位控制系統(tǒng)

1、引言

目前一些高職院校進(jìn)行DCS授課采用的還是理論講授的方法，由于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)不感興趣，，加上DCS課程又對(duì)操作的要求較高，所以學(xué)習(xí)效果很不理想。如何在沒(méi)有實(shí)際的DCS實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生進(jìn)行DCS的系統(tǒng)組態(tài)和調(diào)試工作，讓學(xué)生感受到與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相同的工程師工作站的DCS組態(tài)和調(diào)試，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使我們?cè)贒CS教學(xué)中亟待解決的問(wèn)題。

2、DCS仿真方式

針對(duì)沒(méi)有DCS硬件設(shè)備只有軟件的情況，我們提出了DCS 的仿真方式來(lái)解決上述問(wèn)題，目前DCS仿真方式分為仿真 DCS、虛擬DCS 和激勵(lì) DCS。本文采用虛擬DCS。

虛擬是指為運(yùn)行的程序或軟件營(yíng)造它所需要的執(zhí)行環(huán)境，在采用虛擬技術(shù)后，程序或軟件的運(yùn)行不再獨(dú)享底層的物理計(jì)算資源，它只是運(yùn)行在一個(gè)完全相同的物理計(jì)算資源中，而底層的影響可能與之前所運(yùn)行的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)完全不同。本文的虛擬DCS教學(xué)仿真平臺(tái)主要通過(guò)CPU虛擬來(lái)實(shí)現(xiàn)。

CPU虛擬為每個(gè)虛擬機(jī)提供一個(gè)或多個(gè)虛擬CPU，多個(gè)虛擬CPU分時(shí)復(fù)用物理CPU，任意時(shí)刻一個(gè)物理CPU只能被一個(gè)虛擬CPU使用。VMM必須為各虛擬CPU合理分配時(shí)間片并維護(hù)所有虛擬CPU的狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)虛擬CPU的時(shí)間片用完需要切換時(shí)，要保存當(dāng)前虛擬CPU的狀態(tài)，將被調(diào)度的虛擬CPU的狀態(tài)載入物理CPU。使用虛擬方式可以建立一個(gè)與實(shí)際機(jī)組對(duì)象完全一致的仿真系統(tǒng)。

3、液位控制系統(tǒng)虛擬XCU創(chuàng)建

3.1 硬件控制器的仿真

3.1.1 首先安裝好新華XDPS6.0到默認(rèn)安裝路徑D：XDPS6.0，在安裝時(shí)，注意只安裝：操作員站執(zhí)行文件、VDPU執(zhí)行文件兩項(xiàng)即可。

3.1.2 將D：XDPS6.0in中的VDPU目錄復(fù)制兩次，并分別改名為“1VDPU”、 “2VDPU”、 “3VDPU”，雙擊運(yùn)行后3個(gè)虛擬的控制器就初步建立了。

3.1.3 在WINDOWS XP下運(yùn)行setup安裝完XDPS軟件之后，單機(jī)運(yùn)行軟件需要一個(gè)固定的IP地址，為了不影響網(wǎng)卡的正常工作（一般網(wǎng)卡都設(shè)為自動(dòng)獲得IP地址），需另外安裝一個(gè)“虛擬網(wǎng)卡”作為運(yùn)行XDPS系統(tǒng)需要。

3.1.4 在Netwin主界面點(diǎn)“dpu組態(tài)”按鈕開啟dpu組態(tài)軟件，選擇“連接dpu”，在會(huì)彈出的對(duì)話框中輸入”1VDPU”，并在At IP框中填自己的本機(jī)IP，最后輸入用戶名和密碼，我們的DCS軟件就連上了虛擬控制器。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的仿真

建立了硬件控制器XCU的仿真后，我們就要考慮如何在沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的情況下獲取電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，以及控制結(jié)果發(fā)送給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的信號(hào)這兩個(gè)問(wèn)題。

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥反饋回來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的信號(hào)我們可以建立一個(gè)和現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥反饋信號(hào)性質(zhì)相同的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，算法如圖1所示：

圖1 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開、關(guān)反饋狀態(tài)仿真邏輯算法

控制結(jié)果發(fā)送給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的信號(hào)我們可以通過(guò)功能塊搭建一個(gè)過(guò)程控制模型，即一個(gè)合適的PID算法來(lái)搭建出一個(gè)近似的設(shè)備仿真模型，見圖2。

圖2 控制邏輯運(yùn)算結(jié)果給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的仿真邏輯運(yùn)算

圖1和圖2用仿真模型的算法替代了實(shí)際的設(shè)備信號(hào)，是整個(gè)仿真系統(tǒng)的核心和難點(diǎn)部分部分，也是整個(gè)仿真系統(tǒng)建立的最大難點(diǎn)。

3.3 虛擬控制器和虛擬設(shè)備的通訊

最后的問(wèn)題就是解決我們建立的虛擬控制器和用模型搭建的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥設(shè)備的通訊之間如何通訊的問(wèn)題，我們可以把我們所建立的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥模型放在我們所要運(yùn)行的虛擬控制器中運(yùn)行，使用頁(yè)面I/O功能塊即可實(shí)現(xiàn)。

4、結(jié)束語(yǔ)

我們通過(guò)新華DCS系統(tǒng)的虛擬XCU建立了硬件控制器的虛擬仿真和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的簡(jiǎn)單虛擬，讓學(xué)生在沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的條件下也能在PC機(jī)上完成現(xiàn)場(chǎng)工程師站的組態(tài)和調(diào)試工作，虛擬DCS 教學(xué)仿真平臺(tái)可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并有效地提升學(xué)生的實(shí)際操作能力，對(duì)DCS的教學(xué)有著重要意義。

參考文獻(xiàn)

［1］ XDC800系統(tǒng)使用手冊(cè)［Z］.上海新華電子科技發(fā)展有限公司，2010.

［2］ OnXDC軟件快速入門手冊(cè)［Z］.上海新華控制技術(shù)（集團(tuán)）有限公司，2010年9月.

［3］ XDPS功能模塊手冊(cè)［Z］.上海新華控制技術(shù)（集團(tuán)）有限公司，2010年9月.

作者簡(jiǎn)介：

毛新紅（1977-），女，工程碩士，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)興新職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系教師，講師。發(fā)表過(guò)“適應(yīng)于孤島供電柔性直流輸電系統(tǒng)控制器研究設(shè)計(jì)”《電器應(yīng)用》2015.7“循環(huán)流化床熱水鍋爐床溫控制系統(tǒng)的優(yōu)化”《陜西電力》2015.1等文章。