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

仿真系統(tǒng)在石油化工領(lǐng)域中的設(shè)計與實現(xiàn)

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

仿真培訓(xùn)系統(tǒng)借助因特網(wǎng)的力量已經(jīng)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(chǎn)問題日益嚴(yán)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(jié)構(gòu)，利用.NET平臺和現(xiàn)在主流的web開發(fā)技術(shù)，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(xùn)與實際生產(chǎn)脫節(jié)，學(xué)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(xùn)質(zhì)量并緩解目前頻頻發(fā)生的化工生產(chǎn)安全問題。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)解決了培訓(xùn)不受地域的限制；仿真模型可動態(tài)還原實際生產(chǎn)工藝全貌和工況細(xì)節(jié)，逼真再現(xiàn)裝置各類動態(tài)特性；降低培訓(xùn)費用，減少事故的發(fā)生。該系統(tǒng)已在延長石油集團(tuán)得到實踐應(yīng)用，取得良好的仿真培訓(xùn)效果。

石油化工;仿真系統(tǒng);.NET平臺，瀏覽器/服務(wù)器(B/S)結(jié)構(gòu)，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(wù)器)模式,由于這種架構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從開發(fā)、裝配、調(diào)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(xùn)時間和地域的限制，而且由于投入有限,同時受訓(xùn)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(xùn)系統(tǒng)中來,讓互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢幫助仿真培訓(xùn)系統(tǒng)發(fā)揮它的作用。結(jié)合當(dāng)前仿真設(shè)計領(lǐng)域出現(xiàn)的新技術(shù),建立一套基于B/S(瀏覽器/WEB服務(wù)器)模式,以.NET為平臺的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。新建系統(tǒng)將在易用、易維護(hù)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(biāo)

化工仿真培訓(xùn)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(xùn)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(xùn)人員不必再為培訓(xùn)而先接受系統(tǒng)應(yīng)用培訓(xùn),只要有過瀏覽一般網(wǎng)頁的經(jīng)歷就可以順利地參與到培訓(xùn)中。

(2)易維護(hù)性。系統(tǒng)軟件安裝的絕大部分工作在服務(wù)器端完成,系統(tǒng)更新升級只在服務(wù)器端操作,不需要客戶的重新設(shè)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(xùn)可以隨時隨地的進(jìn)行,避免了因為機房、時段等原因造成的培訓(xùn)延誤,可以讓受訓(xùn)人員自由的安排學(xué)習(xí)時間,更有效的提高受訓(xùn)效率。同時避免了傳統(tǒng)DCS仿真培訓(xùn)系統(tǒng)因為教練站和學(xué)員站分離造成的反饋延誤。

(4)培訓(xùn)功能完善。能夠覆蓋工程過程中的操作過程細(xì)節(jié)、操作失誤導(dǎo)致的故障處理以及再現(xiàn)工程過程整體的聯(lián)動細(xì)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(jìn)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(xùn)。

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

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 仿真系統(tǒng)的架構(gòu)

根據(jù)以上系統(tǒng)目標(biāo),結(jié)合.NET技術(shù)的特點，設(shè)計了化工仿真培訓(xùn)系統(tǒng),本系統(tǒng)是基于三層分布式架構(gòu),清晰的將應(yīng)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(wù)器端，更易于維護(hù)，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(fù)責(zé)處理HTTP請求，通過C#語言實現(xiàn)業(yè)務(wù)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(shù)架構(gòu)，它把WEB服務(wù)與遠(yuǎn)程技術(shù)結(jié)合起來，使用.NET技術(shù)進(jìn)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(dá)到高效、安全及支持跨平臺的要求,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以JSON的格式傳給WEB層。

3.2 仿真系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

系統(tǒng)硬件架構(gòu)基于公司級局域網(wǎng)的B/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上需添加WEB服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器后就可以應(yīng)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(hù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的安全性,同時保留遠(yuǎn)程的連接可以為企業(yè)單獨架設(shè)VPN或采取相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)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(luò)架構(gòu)的布局圖。

另外,為保證安全性應(yīng)當(dāng)配置兩臺服務(wù)器,其中一臺作為運行中,另一臺作為備用服務(wù)器,運行中服務(wù)器出現(xiàn)故障的時候啟動備用服務(wù)器,這樣可以有效避免數(shù)據(jù)的丟失和因服務(wù)器故障造成的培訓(xùn)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(xùn)可以隨時隨地的進(jìn)行。

3.3 模型設(shè)計器

工藝模擬涵蓋實際生產(chǎn)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(shù)，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(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)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(xùn)系統(tǒng)的優(yōu)勢可以實時仿DCS系統(tǒng)進(jìn)行工藝模擬操作，涵蓋了實際生產(chǎn)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(xùn)，可對生產(chǎn)系統(tǒng)溫度、壓力、流量、液位進(jìn)行檢測、顯示控制。學(xué)員進(jìn)行仿DCS頁面操作時，系統(tǒng)利用WCF服務(wù)的數(shù)據(jù)通信的功能，與OTS數(shù)據(jù)接口對接，進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)動，當(dāng)有需求時，設(shè)備使用數(shù)據(jù)路徑向服務(wù)器發(fā)送讀取請求，服務(wù)器接受請求后，在服務(wù)器中根據(jù)數(shù)據(jù)路徑讀取OTS數(shù)據(jù)，通過服務(wù)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(zhǔn)的問題，避免因?qū)W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(xué)員進(jìn)行凈化停車的操作。

圖1 仿真系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)布局

圖3 凈化DCS圖

4 結(jié)語

經(jīng)過一年多的與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)，并在延長石油集團(tuán)得到了應(yīng)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(chǎn)實際過程中，不方便依靠生產(chǎn)裝置進(jìn)行培訓(xùn)，導(dǎo)致企業(yè)培訓(xùn)與實際生產(chǎn)的脫節(jié)，學(xué)校在教育上也以書面化為主，在難得的工廠實訓(xùn)中也無法真正動手操作的問題。本系統(tǒng)學(xué)員通過設(shè)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(xùn)，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(yù)案的多樣性上還存在著不足。我們將進(jìn)一步開發(fā)多樣性的緊急預(yù)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(xué)自動化學(xué)院，在讀研究生。②葛銘，杭州電子科技大學(xué)自動化學(xué)院，導(dǎo)師(教授)。