楊 晨 潘衡堯 蔣 帥

(重慶大學動力工程學院)

OPC實現(xiàn)APROS與DCS半實物仿真系統(tǒng)的實時通信

楊 晨 潘衡堯 蔣 帥

(重慶大學動力工程學院)

利用APROS軟件強大的多功能仿真和DCS系統(tǒng)的實時控制功能，實現(xiàn)了利用OPC技術實現(xiàn)APROS仿真的現(xiàn)場數(shù)據(jù)與HOLLiAS DCS的控制信號間的實時通信。通過Delphi7編寫OPC Client建立APROS 和DCS的半實物仿真平臺，既能用APROS來驗證DCS的控制功能、整定控制參數(shù)、減少控制系統(tǒng)調(diào)試時間，又通過實物控制系統(tǒng)DCS輸出的控制信號，強化APROS仿真的真實性。

實時通信 APROS 半實物仿真系統(tǒng) OPC技術

APROS(Advanced PROcess Simulator)是1986年開始由芬蘭富騰公司(Fortum)和國家技術研究中心(VTT)聯(lián)合開發(fā)的仿真軟件，它應用于常規(guī)火電站、核電站和化工廠的工程仿真機、安全分析中。APROS能對現(xiàn)場運行過程進行模擬，得到較為真實的現(xiàn)場數(shù)據(jù)[1,2]。

HOLLiAS DCS系統(tǒng)在國內(nèi)各大電廠廣泛應用，但該系統(tǒng)設計的控制策略存在許多缺陷，需要不斷用現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行完善。在這種情況下，采用仿真軟件來進行測試既可以減少自控系數(shù)調(diào)試的時間，又能減少調(diào)節(jié)階段的費用，更為高效[3]。而OPC(OLE Process Control)是OPC基金會組織倡導的工業(yè)控制和生產(chǎn)自動化領域中使用的硬件和軟件的接口規(guī)范，以便有效地在應用和過程控制設備之間交換數(shù)據(jù)[4]。

鑒于此，筆者提出基于OPC技術實現(xiàn)仿真軟件APROS與DCS組成的半實物仿真系統(tǒng)實時通信方案。通過編寫仿真平臺端OPC Client程序訪問仿真軟件的OPC Server，并上傳仿真數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫中，同時將控制信號輸入到仿真平臺；編寫控制系統(tǒng)端OPC Client程序訪問控制系統(tǒng)的OPC Server，并輸入仿真數(shù)據(jù)，同時將控制系統(tǒng)輸出的控制信號上傳到數(shù)據(jù)庫；編寫數(shù)據(jù)庫應用程序訪問數(shù)據(jù)庫并記錄歷史數(shù)據(jù)；設計仿真工程的控制系統(tǒng)，并對控制策略部分進行組態(tài)，生成控制工程并將工程下裝，登錄操作員站；最后用APROS的仿真工程現(xiàn)場仿真數(shù)據(jù)來驗證DCS系統(tǒng)設計的控制功能，并對控制參數(shù)進行整定，同時又通過實物DCS系統(tǒng)輸出的控制信號，強化APROS仿真的真實性。

1 半實物仿真平臺數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)

半實物仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換過程如圖1所示。

圖1 仿真平臺和控制平臺的數(shù)據(jù)交換過程

圖1所示的這種結(jié)構(gòu)可方便今后在仿真平臺中再添加其他的仿真設備，實現(xiàn)更加細致完善的仿真過程。其他設備的添加只需通過已開發(fā)的OPC Client就可以連接并入該仿真平臺[5～7]。Delphi是由美國Borland公司于1995年開發(fā)的Windows平臺下的快速應用程序開發(fā)工具。半實物仿真系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)接口采用Delphi7中Database Desktop提供的Paradox數(shù)據(jù)庫，可開發(fā)OPC Client使它能同時訪問OPC Server和數(shù)據(jù)庫。

1.1 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

HOLLiAS DCS系統(tǒng)中工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)站、現(xiàn)場控制站與APROS構(gòu)成的網(wǎng)絡如圖2所示。其中APROS所在的機器，安裝了雙網(wǎng)卡后并入了DCS的網(wǎng)絡中，還可再加一塊網(wǎng)卡使它能連接外網(wǎng)。

圖2 半實物仿真系統(tǒng)平臺網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

仿真站。該站包含用于工業(yè)過程仿真建模的APROS仿真軟件。該軟件可以通過各種功能塊模擬許多過程動態(tài)。

實時仿真硬件I/O機柜。將控制模型下裝到機柜中，輸入仿真數(shù)據(jù)后輸出控制信號，I/O機柜用于過程控制。

工程師站，也稱控制策略站。用于使用HOLLiAS MACS軟件設計控制策略。

操作員站，也稱監(jiān)控站。在系統(tǒng)中起監(jiān)視作用。同時具有歷史記錄、人機交互界面、系統(tǒng)過程詳細信息和診斷接口。

1.2 通信的實時性

申文彬提出了能準確反映半實物仿真系統(tǒng)的時間同步特性，同時可評估半實物仿真系統(tǒng)實時性的定量指標——時間同步精度Tsynca[8]：

(1)

(2)

式中fST(t)——仿真時間；

FMT(t)——機器時間；

ST——仿真步長。

筆者提出的方法不僅解決了仿真模型與所涉及的實物控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換這一問題，同時通過控制OPC Client的讀/寫頻率也保證了它們之間的通信在相同的時間間隔中，滿足時間同步精度要求。

2 APROS仿真工程

APROS是一個主要用于對熱能和核能發(fā)電裝置動態(tài)模擬的仿真工具，它在相變、水和蒸汽的質(zhì)量、動量和能量的守恒方程基礎上建立了熱工水力計算。同時APROS廣泛應用在工業(yè)和研究界，因它重現(xiàn)物理行為精度高和靈活的平臺而出名。因此，選擇用APROS來對太陽能發(fā)電站蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進行動力學仿真[9]。

太陽能發(fā)電站蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的仿真目的是確定系統(tǒng)的設計，同時將仿真系統(tǒng)中的控制部分斷開由DCS系統(tǒng)來完成，最終實現(xiàn)半實物仿真的目標。太陽能發(fā)電系統(tǒng)的原理為：太陽能射線被鏡子反射，聚集在一根內(nèi)有導熱油流動的管線上，它的溫度高達393℃，利用這種導熱油的自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽。由蒸汽帶動與發(fā)電機相連的汽輪機來產(chǎn)生電力。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)的流程如圖3所示。系統(tǒng)中的給水流入省煤器部分后，在省煤器內(nèi)加熱到接近沸騰溫度。同時系統(tǒng)中的汽包用于混合4個節(jié)段產(chǎn)生的蒸汽。產(chǎn)生的蒸汽從蒸汽出口流出，在汽包中通過氣旋的作用進行分離。通過氣旋分離，防止蒸汽出口出來的蒸汽進入下降管。產(chǎn)生的干蒸汽去到過熱器，在過熱器中，蒸汽的溫度將達到它最終的381℃，與此同時，導熱油的流動方向與蒸汽流動方向相反，溫度從393℃冷卻到300℃。

2.1 APROS仿真系統(tǒng)建模和半實物系統(tǒng)連接

在APROS中對太陽能發(fā)電站蒸發(fā)系統(tǒng)動態(tài)仿真工程的導熱油的性能參數(shù)進行調(diào)整。為了準確地模擬導熱油的特性，必須對油的性質(zhì)作出調(diào)整。APROS中油的性質(zhì)計算是基于4個輸入?yún)?shù)：溫度在15℃和100℃的密度和動力粘度。

熱交換器模型。APROS中有標準“逆流熱交換器”模塊，這簡化了建模工作并節(jié)約了計算時間。熱交換器被離散為多層換熱，來獲得高精度的傳熱計算。在管子側(cè)，由集箱連接下降管和上升管。各換熱器層中的節(jié)點高度為各層的平均高度。通過將換熱器離散為多層，蒸汽發(fā)生器模型的精確度可以得到有效提高。

管道幾何結(jié)構(gòu)建模。APROS中所有管道都可以真實完整的模擬。因此，鍋爐的自然水循環(huán)過程可以被高精度的模擬。輸入直徑、長度、高度差和壓力損失系數(shù)，就可以對不同的組件進行建模，比如：下降管、上升管和汽包。

控制系統(tǒng)。瞬態(tài)過程的數(shù)值模擬還需對設備的控制系統(tǒng)進行精確建模，但由于實際控制系統(tǒng)在DCS中完成，因此控制部分在DCS中建模。

邊界條件。為了驗證模型，需要定義邊界條件。為了去驗證系統(tǒng)的設計參數(shù)，設備以常數(shù)邊界條件進行仿真，相當于系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)運行。對于導熱油來說，導熱油的入口溫度、質(zhì)量流量和壓力都是以常數(shù)邊界條件給出的。而對于工質(zhì)側(cè)(蒸汽/水)的相關參數(shù)，則通過給水溫度和汽包壓力來設定。

斷開仿真工程中的控制部分。太陽能發(fā)電站蒸發(fā)系統(tǒng)動態(tài)仿真工程中，有控制系統(tǒng)的建模。但由于實際控制系統(tǒng)在DCS中完成，因此要斷開瞬態(tài)過程的數(shù)值模擬仿真工程中的控制部分，由DCS輸出水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號、汽包壓力調(diào)節(jié)閥信號和疏水流量調(diào)節(jié)閥信號。

2.2 DCS系統(tǒng)組態(tài)

DCS組態(tài)包括數(shù)據(jù)庫組態(tài)、設備組態(tài)、控制器算法組態(tài)和圖形組態(tài)。

數(shù)據(jù)庫組態(tài)就是定義和編輯系統(tǒng)各控制站的點信息，是形成整個應用系統(tǒng)的基礎[10,11]。在系統(tǒng)中有兩類點，一類是實際的物理測點，另一類是中間量點。而現(xiàn)場的實際裝置為確保安全，一般是不允許任意修改參數(shù)設置的，若需要輸入非電信號的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，則需要將實際的物理測點和中間量點配合使用?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)的信號處理過程如圖4所示，現(xiàn)場的模擬電信號，經(jīng)過FM卡件轉(zhuǎn)換為16位二進制數(shù)字信號后，經(jīng)過控制器算法組態(tài)中的H_E模塊轉(zhuǎn)換為AI信號，再將中間變量1給AI信號，控制運算的輸入、輸出控制信號的中間變量，輸出的中間變量再給AO。

對系統(tǒng)的3個主要控制回路進行控制器算法組態(tài)：

a. 在APROS模型中，是由省煤器之前的一個泵來供應給水的。因此，通過DCS輸出泵的轉(zhuǎn)速信號來改變水的質(zhì)量流量，以使汽包的水達到它的設定值。

b. 在APROS模型中，使用了一個過熱器后的閥門控制蒸汽出口達到控制汽包壓力的目的。因此，通過DCS輸出過熱器后面控制閥開度信號調(diào)節(jié)汽包壓力。

c. 在APROS模型中，汽包的排污也要進行模擬，由汽包底部引出的一個排污管來保持一個固定的排污質(zhì)量。因此，通過DCS輸出流量閥門開度控制汽包排污的質(zhì)量流量，保持設定值。

PID模塊用增量型算式計算，為此根據(jù)PID控制算法搭建如圖5所示的DCS-PID控制器算法組態(tài)。

圖4 使用OPC時現(xiàn)場數(shù)據(jù)的信號處理過程

圖5 DCS-PID控制組態(tài)

控制算法組態(tài)中，為使整個系統(tǒng)能真實模擬現(xiàn)場信號傳輸，使用慣性(HSFOP)模塊對輸入信號進行現(xiàn)場模擬。

由于本次DCS只用于控制，現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控可以在APROS中直接進行，所以圖形組態(tài)中只創(chuàng)建了控制部分。控制系統(tǒng)操作員界面如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)操作員界面

程序編寫完成后，編譯成功下裝控制器算法到主控單元中。下裝完成后重啟，登錄操作員站即可運行控制工程。

2.3 OPC Client和數(shù)據(jù)庫

在Delphi7的Database Desktop中建立Paradox數(shù)據(jù)庫，建立數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)并保存數(shù)據(jù)表文件。最后編寫訪問并顯示數(shù)據(jù)庫的Delphi應用程序。

在Delphi7中編寫OPC Client。該客戶端是在Kassl dOPC提供的測試OPC Client的基礎上，通過添加TDBGrid、TTable及TDataSource等組件與數(shù)據(jù)庫建立連接，并通過計時器設定實現(xiàn)自動寫入數(shù)據(jù)、自動更新數(shù)據(jù)等功能。計時器的刷新時間為150ms，完成整個數(shù)據(jù)傳輸過程只需要300ms，符合實時通信標準。

3 半實物仿真平臺中的通信連接

HOLLiAS MACSV系統(tǒng)中，任意一臺操作員站都可作為OPC Server端，然后在相應的機器上配置好DCOM，使用OPC Client軟件中編寫的Link Start功能即可讀取OPC Server中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到Paradox數(shù)據(jù)庫中。APROS所在的工作站配置好DCOM后，只需選中APROS中的Enable external connectivity選項即可運行OPC Server。點擊Link Stop可斷開與OPC Server的連接。

4 半實物仿真平臺控制環(huán)路

通過Delphi7還可以編寫程序?qū)崿F(xiàn)各種需要的功能。例如在未安裝HOLLiAS MACSV系統(tǒng)，無法下裝操作員站的PC上也可以更改控制參數(shù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，同時可以遠程調(diào)節(jié)參數(shù)。圖7中，在OPC Client的基礎上添加3個控制窗口，同時建立Delphi控件和OPC獲取參數(shù)的對應關系即可。在Edit控件中輸入值后可以單擊更新參數(shù)按鈕，按獲取參數(shù)則可獲取OPC Server中對應標簽數(shù)據(jù)的值。

圖7 控制參數(shù)調(diào)節(jié)程序界面

通過兩個OPC Client分別與DCS、APROS的OPC Server連接后，點擊客戶端中的Link Start完成數(shù)據(jù)的交換。運行APROS工程，APROS工程中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過OPC傳遞到DCS，同時DCS輸出變量LV1水泵轉(zhuǎn)速、LV2汽包壓力調(diào)節(jié)閥開度和LV3疏水流量調(diào)節(jié)閥開度。

在APROS的Chart界面中可以觀察到對應汽包水位數(shù)據(jù)的變化，通過輸入一個擾動水位并使用圖7的調(diào)節(jié)參數(shù)應用程序整定汽包水位控制系統(tǒng)參數(shù)，最終可將汽包水位測量值穩(wěn)定調(diào)節(jié)到設定值。通過對比可知，在相同的控制系數(shù)情況下，半實物仿真平臺的控制效果要優(yōu)于純仿真控制，調(diào)節(jié)整定所需的時間短、響應迅速、曲線振蕩幅度小。

5 結(jié)束語

基于OPC技術實現(xiàn)仿真軟件APROS與DCS系統(tǒng)組成的半實物仿真系統(tǒng)的實時通信，通過APROS太陽能發(fā)電站蒸發(fā)系統(tǒng)動態(tài)仿真工程模擬現(xiàn)場，同時通過OPC將現(xiàn)場仿真數(shù)據(jù)和DCS系統(tǒng)反饋的控制信號進行數(shù)據(jù)交換。編寫的OPC Client完成單個數(shù)據(jù)的完整交換過程只需要100ms，完全符合實時通信的要求，同時數(shù)據(jù)庫應用程序還可以深入開發(fā)添加歷史數(shù)據(jù)庫、導出數(shù)據(jù)庫、導入數(shù)據(jù)庫及查找等功能。

仿真結(jié)果表明：OPC技術能可靠地完成APROS仿真平臺和DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，減少自控系數(shù)調(diào)節(jié)的時間，對控制參數(shù)的整定很有幫助。在APROS仿真環(huán)境下，能根據(jù)需求對模型進行擴充和完善，建立更全面的模擬系統(tǒng)。同時，在半實物仿真系統(tǒng)平臺上的模擬控制實驗沒有安全問題，有助于加強對控制理論的理解。最后,由于半實物仿真系統(tǒng)平臺是基于真實的DCS系統(tǒng)，所以在經(jīng)過本半實物仿真平臺上驗證后的控制算法更容易在現(xiàn)場實施，這也是半實物仿真實驗平臺與基于軟件的仿真實驗平臺本質(zhì)的區(qū)別。

通過本次實驗實現(xiàn)了實物控制臺和虛擬仿真平臺的數(shù)據(jù)交換，結(jié)合了兩者的優(yōu)點使得今后控制策略的研究更加方便。該研究成果不論是在自動化基礎理論研究和應用、先進控制理論研究與應用領域還是在員工系統(tǒng)培訓等領域都將會發(fā)揮重要作用。

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RealizingReal-timeCommunicationbetweenAPROSandDCSBasedonOPCTechnology

YANG Chen, PAN Heng-yao, JIANG Shuai
(SchoolofPowerEngineering,ChongqingUniversity)

Through giving full play to the APROS’ powerful multi-function simulation and the DCS’ real-time control function, making use of OPC technology to realize real-time communication between the field data of APROS simulation and the control signal of HOLLiAS DCS was implemented, including using Delphi 7 to program OPC client and establishing semi-physical simulation platform for both PROS and DCS. In this way, the APROS can be adopted to confirm the control function of DCS, adjust the control parameters and reduce the debugging time of the control system; and the control signals out of DCS can be controlled by physical outputs to intensify the authenticity of APROS simulation.

real-time communication, APROS, semi-physical simulation system, OPC technology

TH862+.7

A

1000-3932(2017)04-0392-06

2016-11-04，

2017-02-07)

國家自然科學基金項目(51576020)。

楊晨(1963-)，教授，從事熱力系統(tǒng)動態(tài)特性、分布式能源系統(tǒng)、可再生能源及多尺度模擬等的研究，yxtyc@cqu.edu.cn。

(Continued from Page 405)

AbstractThe AC/DC conversion circuit design with charging function was introduced, including AC to DC conversion circuit, a DC to DC conversion circuit and a battery charging circuit. The application results show that in the case of 220V(AC) power source or battery on hand, the 24V(DC),12V (DC) and 3.3V(DC) can be output stably.

KeywordsAC/DC conversion circuit, voltage conversion, output voltage