新型的應用于過程控制的半實物仿真系統

張金山，高 強，李 航，趙德權，劉進輝

（1.天津理工大學自動化學院 天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津 300384；2.油建渤海裝備技術服務分公司，天津 300452）

0 引 言

目前，在連續型流程生產工業過程控制中，DCS系統已經成為主要的控制方式［1］。在這種高度自動化和信息化的工業控制下，為了避免因操作失誤造成設備損壞、原材料浪費以及產品質量降低等情況發生造成的損失，必須對操作人員在上崗前進行專業培訓［2］。由于在生產現場進行實習培訓可能會導致破壞性故障，工業現場不允許該類故障發生。同時，近年來石化生產規模不斷增大，需要培訓的操作人員逐漸增多，因此仿真培訓系統對于操作人員進行業務培訓，提高操作水平，提高操作人員診斷、排除故障的能力，起著至關重要的作用［3］。然而，工業生產多種多樣，生產過程比較復雜，生產規模差異很大，傳統的仿真培訓系統因缺乏感官的真實性，造成被培訓人員在實際操作中仍然難以很快進入角色。因此，構建一種模擬復雜控制流程的半實物仿真模型系統，不但可以使被培訓人員得到一種更為真實的操作體驗；而且可以為DCS系統的開發利用提供了一種模擬現場的驗證環境，從而使得已開發出的控制程序能夠更快的應用到實際控制中去。本文以典型油氣水處理流程為背景，為復雜控制系統（如DCS系統或FCS系統）提供一種具有復雜控制流程的半實物仿真模型系統。

1 系統介紹

本系統是一種由數學仿真模型和PLC 系統組成的具有實際物理信號輸出的半實物仿真模型系統，可以滿足復雜控制系統的學習和掌握［4］。典型結構如圖1 所示：圖1 中①②表示實際電流電壓信號的傳輸以及工業總線傳輸信號，其余數據傳輸均表示OPC數據的傳輸。

圖1 典型系統結構

1.1 OPC通信

目前，流程控制行業內主流的DCS控制系統，國外產品有ABB、霍尼韋爾、艾默生等，國內產品以浙大中控為代表。另外，還有眾多正在使用的DCS品牌。要使本半實物仿真模型系統能夠應用于絕大多數的DCS系統，需要解決的一個重要的問題就是系統與不同DCS 系統的通信問題［5］。基于上述原因，本系統采用通用數據傳輸標準——OPC技術。

系統采用獨立開發的OPC 服務器作為數據交換場所。模型軟件、WinCC和DCS 都有自己相應的OPC 客戶端，經過局域網和OPC服務器進行連接。模型軟件產生的數據會以一定時間刷新后寫入OPC 服務器，存儲后由WinCC和DCS的OPC 客戶端根據需要進行讀取。同樣，WinCC和DCS的某些控制信息也會實時的存入OPC服務器，再由OPC服務器傳 遞給模型軟 件［6－7］。

1.2 模型軟件

仿真模型采用根據油氣水處理流程開發的“油氣水分離系統仿真模型”。本模型由基于.NET 技術的動態仿真軟件PISP平臺建立。通過機理建模與辨識建模結合的方法，得到模擬生產現場系統的仿真模型［8－9］，如圖2所示為流程總圖。本模型系統包含石化行業油氣水處理流程的各個基礎單元，如一級分離器、二級分離器、一級分離器、二級換熱器等，如圖3所示為一級分離器畫面。該動態模型實時的產生模型現場的各種儀表數據，并顯示于畫面中。需要傳輸給中控的點的數據經軟件內OPC客戶端傳遞給OPC服務器，再經由WinCC和PLC 系統的轉換，以現場電信號或者工業總線信號的形式提供給DCS端進行讀取、處理與控制。

1.3 控制端

基于控制分工、控制冗余和DCS與PLC點數限制等原因的考慮，本系統將PLC控制和DCS控制分為柔性控制端和硬性控制端（合稱控制端）。

（1）柔性控制端

柔性控制端包括：西門子S7—300PLC和西門子上位軟件WinCC。

在柔性控制端，實現流程中剩余的控制任務。比如PLC對離心泵的控制以及PLC 對伺服電機的控制等。另外，在需要的情況下，柔性控制端可增加流程中重要部分的控制權限，實現對DCS控制的冗余，即在沒有DCS或者DCS停止工作時，仿真系統仍能自己形成控制閉環，持續穩定工作。

（2）硬性控制端

硬性控制端包括：DCS控制器和上位軟件環境。

這里的DCS系統前面已經表述，包括絕大多數品牌的DCS控制系統，如石油化工生產系統常見的霍尼韋爾、愛默生、ABB等系統。

在硬性控制端，實現整個流程中重要的控制部分，如果DCS存在IO點數的限制，所需數據通信可以通過三部分進行傳輸，一是經PLC 傳輸來的實際IO 電信號；二是采用相應DCS系統所支持的現場總線協議進行傳輸；三是經OPC在OPC服務器讀取的OPC數據。

2 系統實現方案及特點

2.1 系統實現方案

（1）方案如圖4所示，圖4中①②③表示OPC 數據的傳輸，其余箭頭既表示實際電流電壓信號的傳輸，也表示具有現場信號傳輸特點的Profibus和Modbus信號的傳輸。

圖4 系統方案結構

本系統此次使用的“油氣水分離系統仿真模型”，全模型共有變量168路，其中數字量24路，模擬量144路，如果全部由IO模塊進行傳輸是很難達到要求的。本系統在實現時僅對和PID 控制有關的32路模擬量通過模擬IO 進行通信，對24路數字量通過數字IO 進行通信，剩余的部分則由DCS系統所支持的Profibus—DP協議進行傳輸，接線如圖5所示。

圖5 接線圖

（2）模型采用.NET 技術，基于PISP平臺由VC 編程實現，在安裝相應的軟件環境和仿真軟件后，可以實現對連續性工業生產流程的仿真。本系統此次使用的“油氣水分離系統仿真模型”由一級換熱器、二級換熱器、一級分離器、三級換熱器、二級分離器、電加熱器以及各類壓力泵組成。仿真工藝分為穩態運行、冷態開車以及故障處理三種狀態。穩態運行狀態下，在DCS控制端調節好PID 控制參數的情況下，系統可以長時間穩定運行；冷態開車狀態下，需要操作員進行操作的現場閥完全在模型軟件上進行操作，DCS端按開車步驟進行控制操作；故障處理狀態下，仿真模型設計了若干工業現場經常發生的故障，模擬故障的發生，操作員需進行規定的操作，才能將故障排除。

（3）OPC服務器采用獨立開發的OPC服務器，其特點是性能穩定，能夠和絕大多數的OPC 客戶端實現連接并正常通信。在這里，OPC 服務器是一個數據的中轉中心，模型所產生的數據會寫到Server中，而WinCC和DCS又會根據需要讀取Server中的數據。

（4）對于現場的儀表信號，WinCC 會讀取后傳遞給PLC，從而實現了OPC的計算機數據到實際電信號的轉換。PLC將這些儀表信號通過實際電流電壓信號，或者Profibus和Modbus傳遞給DCS，使得DCS可以像讀取現場數據一樣，對數據進行處理，相應的控制信號會實際電流電壓信號，或者Profibus和Modbus再返回PLC，經過PLC→WinCC→OPC服務器→模型的順序，送到模擬現場，使得現場設備產生相應的動作。

經過上述信號的傳輸，構成了一個由模擬現場的仿真模型和DCS組成的控制回路。

2.2 系統特點

（1）可擴展性

在硬件方面，可通過增加PLC 卡件的方式，實現測試系統功能與測試點數量的擴容。

在軟件方面，一是根據實際工藝情況，可以替換不同的仿真模型；二是組態方便，可針對不同的模型進行組態設計，實現各種現場設備的信號模擬。

（2）信號多樣性

本系統擁有MODBUS、PROFIBUS通信接口，組態后可方便實現與DCS的MODBUS、PROFIBUS 通信。由于PLC通信卡件的多樣性，對于目前主流的通信方式，本系統都可以通過增加卡件的方式實現與DCS的通信。

（3）半實物仿真

在以往的仿真系統中，僅僅是使用數學的方法實現現場環境的建模。這種仿真模式的優點是模型建立之后只利用簡單的計算機環境即可以實現仿真，但是缺點卻是模型所提供的信號只能是計算機信號，無法真正模擬現場提供給DCS的實際電信號。如果采用電路將信號進行轉換，模擬成實際4－20mA／0－10V 電信號，所要面臨的問題是針對不同的仿真對象，需要重復的進行電路板的設計、制作與測試，工作量龐大。

本仿真系統采用OPC技術，將已建立的現場模型產生的數據通過PLC及上位，實現了計算機信號與實際電信號的轉換。對DCS而言，完全按照實際現場數據通信進行接線與設置，不需要做多余的更改。并且對于PLC 而言，根據不同仿真對象，只需要對卡件進行增減與改變，就可實現仿真的現場環境。

（4）使用便捷性

上面已經說到，如果用電路對信號進行轉換，會因為電路板的設計、制作與測試，產生大量的工作。而PLC 卡件因為其成熟性與穩定性，增減與改變不會造成上述的問題。比如已有的仿真模型是一個幾十個點的小模型，現在需要建立一個幾百個點的模型，那么只需要增加PLC卡件就可以實現點數的擴展。另外，當模型改變時，只需要對PLC上位進行相應的組態，就可以實現仿真系統的重新配置。

3 系統通信實現

本仿真系統數據通信的實現主要才用了OPC、硬點連接、Modbus、Profibus等形式。數據鏈路如圖6所示。

圖6 數據鏈路

3.1 OPC通信

首先在OPC客戶端和OPC服務器中同時建立相同的點（全模型共168個點全部建立）。OPC 服務器為WinCC自帶OPC服務器，OPC客戶端為控件形式嵌入到仿真模型中。仿真模型產生的數據經調用進入OPC 客戶端，如圖6中①部分。在實驗過程中，我們發現大量數據傳輸時會產生數據的傳輸錯誤，因此在OPC 客戶端的設計時，我們采用了“多組分傳”的方法。所謂“多組分傳”，就是在建立OPC Group時，我們根據數據量建立多個Group，每個Group只包含30個點，這樣就避免了因大量數據同時傳輸所產生的傳輸錯誤。

模型中的OPC客戶端所得到的數據，通過寫操作寫入WinCC中的OPC服務器，從而實現了數據的存儲，如圖6中②部分。這些數據根據情況，一部分會通過WinCC 與PLC通信轉換為實際IO 信號，一部分會通過OPC 直接傳遞給DCS，如圖6中③部分。

3.2 硬點通信

在實際現場控制中，DCS所接收到的儀表信號都是通過信號線傳輸的4－20mA／0－10V 電信號。因此，PLC的IO與DCS的IO 采用硬點接線連接，如圖6 中④部分。在實際測試中，PLC所提供的信號完全符合現場信號要求，并具有相當高的精度。模型中產生的數據，在經過IO 傳輸到DCS后，其誤差可以保證在0.1%以內。部分數據如表1所以。

表1 硬點通信數據

3.3 其他通信方式

在實際現場控制中，現場數據還會通過Modbus、Profibus等通信方式傳輸給DCS，本系統在此方面也做了相應的仿真，只需要在對PLC編程進行簡單的修改，就可以實現仿真系統與DCS之間相應的通信。Profibus通信部分數據如表2所示，Modbus通信與Profibus通信在使用和效果上基本相同，在此不再贅述。

表2 Profibus通信數據

由表1及表2的數據可以看出，OPC 通信不存在任何誤差，只是在實際使用中會存在不到1s的延遲；硬點通信由于電流傳輸的原因會存在誤差，不過這種誤差基本保持在可以允許的范圍之內；而Profibus通信也基本不存在誤差，可以準確對數據進行傳輸。上述實驗數據表明，無論采用何種通信方式，其傳輸精度都可以達到要求的水平。

4 結束語

在實際工程應用中，與傳統仿真系統相比，本系統提供了更好、更為逼真的仿真環境。所提供的各種信號以及信號的誤差水平，完全和現場進入中控室的信號相同。同時，模型所提供的設備運行情況，在DCS控制的情況下，基本和現場設備吻合。從而實現了對DCS系統測試、培訓以及應用的目的。目前我國在半實物仿真方面的研究和應用剛剛起步，與國際先進水平還有較大差距。隨著模型仿真和數據通訊技術的發展，基于半實物仿真技術的仿真技術必將在控制設備的測試、培訓以及應用方面有長足的發展。

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