魏易松 葛銘 魏江 鄭小青(杭州電子科技大學自動化學院， 浙江 杭州 310018)

仿真系統(tǒng)在石油化工領域中的設計與實現(xiàn)

魏易松 葛銘 魏江 鄭小青(杭州電子科技大學自動化學院， 浙江 杭州 310018)

仿真培訓系統(tǒng)借助因特網(wǎng)的力量已經取得很好的發(fā)展。由于石油化工企業(yè)本身具有高危型的特點，所以其安全生產問題日益嚴峻。仿真系統(tǒng)的研究變得尤為重要，本次研究是基于 B/S 結構，利用.NET平臺和現(xiàn)在主流的web開發(fā)技術，在瀏覽器上實現(xiàn)仿真與實際機組完全一致的操作界面，提供動態(tài)仿真模型圖形化組態(tài)平臺和運行平臺，旨在解決企業(yè)培訓與實際生產脫節(jié)，學校教育也無法真正動手操作的問題，可有效提高化工仿真培訓質量并緩解目前頻頻發(fā)生的化工生產安全問題。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)解決了培訓不受地域的限制；仿真模型可動態(tài)還原實際生產工藝全貌和工況細節(jié)，逼真再現(xiàn)裝置各類動態(tài)特性；降低培訓費用，減少事故的發(fā)生。該系統(tǒng)已在延長石油集團得到實踐應用，取得良好的仿真培訓效果。

石油化工;仿真系統(tǒng);.NET平臺，瀏覽器/服務器(B/S)結構，仿真模型圖

1 系統(tǒng)背景

傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)是基于C/S(客戶機/服務器)模式,由于這種架構的系統(tǒng)結構復雜，從開發(fā)、裝配、調試都需要大量的人力物力，而且系統(tǒng)需要有專門的機房，員工的培訓時間和地域的限制，而且由于投入有限,同時受訓的人員數(shù)量都受到機器數(shù)量的限制,無法高效的發(fā)揮系統(tǒng)的作用。在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的今日，我們將互聯(lián)網(wǎng)引入到仿真培訓系統(tǒng)中來,讓互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢幫助仿真培訓系統(tǒng)發(fā)揮它的作用。結合當前仿真設計領域出現(xiàn)的新技術,建立一套基于B/S(瀏覽器/WEB服務器)模式,以.NET為平臺的仿真培訓系統(tǒng)。新建系統(tǒng)將在易用、易維護性、高效性、安全性和友善性方面得到更大的改善。

2 系統(tǒng)目標

化工仿真培訓系統(tǒng)最基本的要求就是能夠很好的實現(xiàn)工程操作培訓的目的,實現(xiàn)這樣的功能就需要系統(tǒng)具備如下特點:

(1)易用。訓人員不必再為培訓而先接受系統(tǒng)應用培訓,只要有過瀏覽一般網(wǎng)頁的經歷就可以順利地參與到培訓中。

(2)易維護性。系統(tǒng)軟件安裝的絕大部分工作在服務器端完成,系統(tǒng)更新升級只在服務器端操作,不需要客戶的重新設置。

(3)高效性。借助互聯(lián)網(wǎng)的力量,突破了地域,時間的限制,使培訓可以隨時隨地的進行,避免了因為機房、時段等原因造成的培訓延誤,可以讓受訓人員自由的安排學習時間,更有效的提高受訓效率。同時避免了傳統(tǒng)DCS仿真培訓系統(tǒng)因為教練站和學員站分離造成的反饋延誤。

(4)培訓功能完善。能夠覆蓋工程過程中的操作過程細節(jié)、操作失誤導致的故障處理以及再現(xiàn)工程過程整體的聯(lián)動細節(jié)等,人機界面采用仿DCS操作界面，用戶可更加生動形象地進行正常運行，冷態(tài)開車，正常停車，故障排除等崗位操作培訓。

(5)安全性。學員和教師只有輸入正確的用戶名及相應的密碼后才能進入培訓系統(tǒng)，教師可以對學員進行實時監(jiān)控，下發(fā)故障，分發(fā)題目給學員。

3 系統(tǒng)結構設計

3.1 仿真系統(tǒng)的架構

根據(jù)以上系統(tǒng)目標,結合.NET技術的特點，設計了化工仿真培訓系統(tǒng),本系統(tǒng)是基于三層分布式架構,清晰的將應用分為三個層次，分別是客戶層,Web層和數(shù)據(jù)庫層。如圖1所示。

客戶層通過發(fā)送Ajax請求，通過HTTP協(xié)議與WEB層傳遞消息，系統(tǒng)代碼在服務器端，更易于維護，客戶層主要用于反饋信息和展示信息。在WEB層以IIS控制邏輯，負責處理HTTP請求，通過C#語言實現(xiàn)業(yè)務邏輯，訪問數(shù)據(jù)庫。以Asp.Net實現(xiàn)表示功能。數(shù)據(jù)庫層基于WCF技術架構，它把WEB服務與遠程技術結合起來，使用.NET技術進行跨平臺系統(tǒng)開發(fā)，SQL Server2008作為后臺數(shù)據(jù)庫。使數(shù)據(jù)傳輸模型達到高效、安全及支持跨平臺的要求,數(shù)據(jù)轉換以JSON的格式傳給WEB層。

3.2 仿真系統(tǒng)的硬件架構

系統(tǒng)硬件架構基于公司級局域網(wǎng)的B/S結構的網(wǎng)絡，在此基礎上需添加WEB服務器、應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器后就可以應用系統(tǒng)了。如果想要在企業(yè)外面連接本系統(tǒng),只要將局域網(wǎng)聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)即可。為了保護關鍵數(shù)據(jù)的安全性,同時保留遠程的連接可以為企業(yè)單獨架設VPN或采取相應的網(wǎng)絡安全措施。為了極大地節(jié)約硬件成本,將有限的資源用于系統(tǒng)的開發(fā),圖2為系統(tǒng)網(wǎng)絡架構的布局圖。

另外,為保證安全性應當配置兩臺服務器,其中一臺作為運行中,另一臺作為備用服務器,運行中服務器出現(xiàn)故障的時候啟動備用服務器,這樣可以有效避免數(shù)據(jù)的丟失和因服務器故障造成的培訓受阻。對于客戶端用戶可以直接通過瀏覽器就可訪問系統(tǒng)了,突破了地域,時間的限制,培訓可以隨時隨地的進行。

3.3 模型設計器

工藝模擬涵蓋實際生產過程的工藝流程和崗位操作規(guī)程，利用AutoCAD強大的繪圖技術，繪制出動態(tài)的集散控制系統(tǒng)(DCS)界面，集散控制系統(tǒng)(DCS)是利用計算機技術對生產過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種新型控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)相比于以往的培訓系統(tǒng)的優(yōu)勢可以實時仿DCS系統(tǒng)進行工藝模擬操作，涵蓋了實際生產過程中的工藝流程和崗位操作規(guī)程，真實的化工廠情景，可以正常運行冷態(tài)開車，正常停車，故障排除等崗位操作培訓，可對生產系統(tǒng)溫度、壓力、流量、液位進行檢測、顯示控制。學員進行仿DCS頁面操作時，系統(tǒng)利用WCF服務的數(shù)據(jù)通信的功能，與OTS數(shù)據(jù)接口對接，進行數(shù)據(jù)聯(lián)動，當有需求時，設備使用數(shù)據(jù)路徑向服務器發(fā)送讀取請求，服務器接受請求后，在服務器中根據(jù)數(shù)據(jù)路徑讀取OTS數(shù)據(jù)，通過服務器返回并作DCS頁面動態(tài)變化展示，通過讀取OTS數(shù)據(jù)，較好的解決了傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)不夠精準的問題，避免因學員在化工廠對數(shù)據(jù)不夠精確造成不可挽回的損失。圖3是學員進行凈化停車的操作。

圖1 仿真系統(tǒng)架構

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構布局

圖3 凈化DCS圖

4 結語

經過一年多的與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)，并在延長石油集團得到了應用，取得了較好的仿真效果，我們開發(fā)出了適合石油化工企業(yè)的仿真系統(tǒng)，解決了因為企業(yè)生產實際過程中，不方便依靠生產裝置進行培訓，導致企業(yè)培訓與實際生產的脫節(jié)，學校在教育上也以書面化為主，在難得的工廠實訓中也無法真正動手操作的問題。本系統(tǒng)學員通過設置下發(fā)不同的事故、故障等，在DCS界面對接OTS系統(tǒng)可完成各種培訓，實現(xiàn)從工藝原理到現(xiàn)場控制的全方位互動式模擬。值得注意的是，由于開發(fā)時間較短，我們在緊急預案的多樣性上還存在著不足。我們將進一步開發(fā)多樣性的緊急預案，以此滿足企業(yè)需求。同時，我們將不斷優(yōu)化系統(tǒng)性能，使得操作更為簡便。

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①魏易松，杭州電子科技大學自動化學院，在讀研究生。②葛銘，杭州電子科技大學自動化學院，導師(教授)。