壓力容器模擬培訓監控系統設計

楊 紅 ，許銀萍，周永念，楊 帆

(1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205; 2.武漢市壓力容器壓力管道安全技術研究中心，湖北 武漢 430205; 3. 武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所，湖北 武漢 430013)

0 引 言

壓力容器廣泛應用于化工、煉油、機械、動力、輕工、紡織、冶金、核能以及運輸等工業部門，是生產過程中必不可少的重要設備.壓力容器安全管理人員和操作人員培訓是一個集壓力容器基礎知識、專業知識、安全管理和安全操作知識、法規知識等綜合性非常強的專業職能技術培訓[1].考試培訓機構需要根據大綱要求內容，結合實際情況制定具體的培訓考核細則.目前國內在壓力容器培訓考核工作中還沒有相關的專用培訓考核設備，培訓考核主要靠講義、課堂教學、考試等傳統方式完成，不能完全滿足壓力容器種類多，行業覆蓋面廣，培訓質量要求高的要求.

仿真技術綜合了當代科學技術中多種現代化尖端手段，極大地擴展了人類的視野、時限和能力，在科學技術領域起到了極其重要的作用[2].近10年來，我國仿真技術得到迅速發展.從應用的廣泛程度看，已經從早期的航空、航天、火力發電和核動力發電部門擴展到今天的軍事、電子、通信、交通、艦船、冶金、建筑、氣象、地質、機械制造、輕工、技術訓練等多種行業和部門，其應用已滲透到系統生命周期的全過程.

半實物仿真作為仿真技術的一個分支，涉及的領域極廣，包括機電技術、液壓技術、控制技術、接口技術等.從某種角度上講，一個國家的半實物仿真技術的發展水平也代表其整體的科技實力.半實物仿真是工程領域內一種應用較為廣泛的仿真技術，是計算機仿真回路中接入一些實物進行的試驗，因而更接近實際情況[3].這種仿真試驗將對象實體的動態特性通過建立數學模型、編程，在計算機上運行，這是在飛機與導彈控制和制導系統中必須進行的仿真試驗.

實時監控[4]系統以其直觀、方便、信息內容豐富而被廣泛應用于金融系統、交通系統、公安系統、教育系統和醫療系統等眾多領域, 在計算機技術、電子技術和通信技術迅猛發展的過程中, 監控系統的技術水平也從初期的模擬信息傳輸與控制飛速發展到了數字化、網絡化信息傳輸與控制.

1 系統實施方案

考核培訓系統的控制系統體系結構如圖1所示.系統基于先進的以太網自動化技術所提供的現場設備開放網絡平臺，以網絡可編程控制器構建下位機單元，實現現場設備控制，以工控組態軟件和通用PC為軟、硬件平臺構建上位機系統，提供圖文界面環境；系統基于通用的以太網平臺，實現上、下位機間的通信，構建一個上位機對應多個下位機的結構，以方便系統擴展[5-6].

下位機操作站選用“大工計控”公司的PEC 8000和DIO 2000 網絡可編程控制器.PEC8000是基于工業以太網的網絡化可編程控制器，有1路10 MB/100 MB工業以太網通信接口，2路RS485通信接口，支持MB+高速總線，8路數字量輸入(支持4路最高50 kHz高速輸入)，8路數字量輸出(支持2路最高頻率50 kHz高速輸出)，6路模擬量輸入，2路模擬量輸出.DIO2000是基于RS485串行通信的網絡化可編程控制器，有1路RS485通信接口，23路數字量輸入，16路數字量輸出.下位機通過現場檢測和執行裝置，按照預先編制的控制程序實現對模擬裝置操作狀態的監測和控制.

上位機選用北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司開發的MCGS工控組態軟件進行軟、硬件組態，通過采集和監控下位機上傳的實時數據，提供模擬操作監控流程，實現操作可視化，實現操作提示和培訓考核功能.上位機與PLC之間通過以太網進行通信.以PEC 8000為主控制器，DIO 2000為數字量擴展模塊，通過RS-485串行線路連接通信.

采用昆侖通態的觸摸屏TPC1062K作為現場操作終端，方便學生完成壓力容器外觀檢查操作，觸摸屏與PEC 8000通過RS-485串行模式進行通信.

2 系統實現關鍵技術

2.1 系統通信實現

在編程環境PLC-Config中獲取PEC8000上的IP地址192.168.1.181，將PC機上的IP地址設置成同一網段192.168.1.X ，上位機與PLC就能進行通訊.PEC8000與MCGS觸摸屏之間的通訊，采用RS485接線方式，7號口接主控制器PEC8000上的T1+,8號口接T1-.在MCGS組態軟件的設備窗口中選擇“通用串口父設備” ，“莫迪康ModbusRTU子設備”，并配置各自的設備屬性.PEC8000與MCGS監控界面的通訊，通過以太網進行連接.在MCGS的設備窗口里選擇“通用TCP/IP父設備”，“莫迪康MODBUS-TCP子設備”，按表1和表2進行相應的屬性設置.

單個PEC8000與DIO2000總共有31路開關量輸入，20路開關量輸出，蒸壓釜系統需要12路開關量輸入，21路開關量輸出，其中觸摸屏占用14路輸出.現場調試時，發現觸摸屏上開關量輸出不占用PLC上的實際端口，所以可直接使用PLC上的內部虛擬端口，節約出很多實際輸出端口.

表1 主設備參數設置Table 1 Setting of the master equipment parameters

表2 次設備參數設置Table 2 Setting of the secondary equipment parameters

2.2 系統動畫流程設計

MCGS組態環境中，沒有動畫插入功能.使用3Dmax作出蒸壓釜操作培訓從開門到關門的五張狀態圖，每個動作會出現相應的圖片.這樣做出來的動畫效果很差，每張圖片切換時波動大，不能客觀、真實地顯示蒸壓釜的操作流程，而且使用3Dmax制作動畫，其過程復雜，工作量大.

使用相機直接拍攝現場模擬樣機.用三腳架固定住相機，從側面和正面分別拍攝蒸發釜的動作過程(為了使效果更加明顯，盡可能的多拍一些照片).拍出的照片運用Photoshop進行處理，裁減掉不需要的東西.最后將每張照片以位圖的形式插入MCGS中，并進行設置.這里要注意一點，相機拍出的圖片像素很高，占用空間大，如果直接貼到MCGS中，會導致系統反應慢，甚至出現癱瘓這種情況，所以在插入圖片之前要用Photoshop將照片的像素改小.

最終的蒸壓釜流程效果圖如圖2所示.

圖2 蒸壓釜流程圖Fig.2 The figure of the autoclave process

2.3 數據庫系統實現

系統采用數據庫[7]訪問方式，通過MCGS各種數據屬性的設置和構件的操作，實現監控系統與數據庫的數據處理和交換功能.整個蒸壓釜數據庫系統包括試題信息庫，學員信息庫.在Microsoft Access數據庫中分別對兩類數據庫進行編輯，試題信息庫需要錄入試題名稱、試題操作步驟、試題初始條件，學院信息庫中包括新學員信息錄入和管理.MCGS不在ODBC數據源管理器中指定ODBC數據源，而是直接在MCGS組態軟件中，指定使用的ODBC驅動程序和ODBC數據庫服務器，從而由MCGS直接建立起ODBC數據庫連接，這種方式可以使工程應用時需要考慮的復雜性降低.

3 系統主要功能

該系統將計算機仿真與壓力容器操作系統樣機相結合，逼真地模擬出壓力容器的實際操作環境，自動記錄和回放系統操作過程參數，設置設備常見故障，自動對學員的操作能力進行考核與評價，滿足壓力容器實際操作技能培訓和考核的各項要求，實現了典型工藝設備流程動畫的輔助教學，全面提高了培訓考核的管理質量.

4 結 語

系統采用上下位機的架構，充分利用上位機處理信息能力超強和下位機穩定可靠的特點，非常適合工業現場.同時基于通用的以太網平臺，實現上、下位機間的通信，構建了一個上位機對應多個下位機的結構，方便系統擴展.在MCGS中利用Access數據庫保存數據和處理數據, 提高了系統的可靠性和運行效率, 同時也使其它應用軟件系統能直接處理數據庫中的存盤數據.

參考文獻：

[1] 張洪，何世先.如何做好壓力容器操作人員的安全技術培訓[J]. 滬天化科技，2011(2)：160-161.

[2] 石曉瑛，許智榜. 基于GUI的SVPWM矢量控制系統仿真[J]. 武漢理工大學學報， 2011, 33 (2) ：128-132 .

[3] 王江，林蔚.激光半主動制導武器半實物仿真系統能量鏈研究[J]. 紅外與激光工程，2011,40(7)：1230-1233.

[4] 劉建甫，駱瑞松.煤礦井下供電實時監測監控系統在某礦的應用[J]. 工礦自動化，2011,8(8)：175-178.

[5] 楊紅，付帥.虛擬現實環境下的工控界面構件封裝[J].武漢工程大學學報，2012，34(1)：48-52.

[6] 劉新宇，徐海潮，初秀民，等.道路照明智能控制系統的設計與實現[J]. 武漢理工大學學報，2011,33 (10) ：69-72.

[7] 黃會明, 黃益賓.芬太尼類反恐活性化合物數據庫的研制[J]. 武漢工程大學學報，2010,32(7)：31-32.