流程工業在線仿真的特點探討

摘 要：文章介紹在線仿真的有關概念，分別從數據來源及共享數據上、技術支撐及其支持技術上、仿真建模上、任務功能上等進行分析，闡述在線仿真在流程工業系統應用中的有關特點，并通過實例說明在線仿真的應用。

關鍵詞：在線仿真；數據共享；實時；歷史；同步；重演；推算

1 引言

以美國為代表的發達國家高度重視仿真技術的發展和應用。10多年來美國國防部一直將仿真和建模技術列為國防關鍵技術。我國也在國家中長期科技發展規劃中將其列為關鍵技術，我國仿真技術經過“七五”、“八五”、“九五”期間的努力，已有長足發展，在某些方面達到了國際先進水平。由于工業系統特別是流程工業系統龐大、設備運行復雜，仿真應用大多還停留在離線仿真培訓的應用階段，對鋼鐵工業這樣工序復雜的企業，仿真系統的開發主要針對單體設備，比如加熱爐、熱風爐單體設備的仿真應用等，而且單體設備仿真系統的應用還多處于探索性的科研開發階段并且已應用的仿真系統，多為“黑匣子”式的經驗模型，國內外專業人員已經認識到仿真技術在設備/系統的控制中能發揮重要支持作用，特別是運用高端仿真技術以達到解決流程工業的節能減排的難題；而隨著計算機技術、網絡技術和通訊技術的快速發展，仿真技術實現了突破，在線仿真應運而生，反映基于專業支撐平臺的全范圍、全物理模型，更系統、動態的反映仿真對象的特性，理清了解決問題的思路和方法，以在線仿真為節能降耗的支撐技術，通過在鋼鐵、電力、石化等高耗能行業的推廣應用，可降低傳統工業的能源消耗水平，促進能源結構調整和資源循環利用，減少環境排放，提高生產效率和經濟效益，增強企業可持續發展能力。為傳統產業節能改造，創建資源節約型社會開拓全新的技術路線，有著良好的社會效益和經濟益。

2 在線仿真簡述

仿真，也稱模擬，是以計算機技術、網絡技術、數字化建模技術、圖形圖象技術、仿真支撐軟件技術等多學科技術為基礎，根據被仿真對象的結構、原理、流程、特點，對真實的環境或過程進行模擬和再現。利用仿真技術所生產、制造的產品可用來進行培訓、設計、可行性論證、前期驗證和實際運行狀況分析及優化。

由于社會的發展與進步、計算機和信息技術進一步發展，對仿真技術的有更深入的需求：

在線優化模型建立和決策；在線的事故預測；在線的營運決策和控制目標的設計；在線經濟效果分析比較；未能測量的中間信號仿真計算；提示未能掌握內在規律的仿真決策；各種方式的運行研究與培訓；實現系統自適應和智能優化。

因此，這種情況下在線仿真出現了。

在線仿真，英文簡稱OLS，稱為實時仿真。在線仿真是把原來的離線仿真作為培訓和驗證的仿真技術進一步推到生產的第一線，需要建立精細、實時、全物理過程對象的在線的仿真模型，同步采集仿真對象實時運行的數據和仿真對象操控狀態的數據，實時同步對真實的生產過程進行仿真和再現，為仿真對象安全運行預警預報和為系統節能和科學用能、經濟運行在線分析以及為生產優化和管理優化提供重要數據，并作為在線決策控制的重要依據。

在線仿真簡意框圖為圖1。

圖1

3 在線仿真在流程工業應用的技術特點

在線仿真運行示意圖如圖2。

由此可見，在線仿真的特點主要有如下內容：數據采集與處理；在線信息及顯示；在線推算及顯示；在線實時運行；歷史運行演示；實時數據轉離線、歷史數據轉離線；強大的采集、推算、分析的實時、歷史數據共享；多條數字化了高精度逼近實際的生產線同時運行。

下面將從數據來源及共享數據上、技術支撐及其支持技術上、仿真建模上、任務功能上來進行分析。

（1）從數據來源及共享數據上講：在線仿真是其主要數據通過通訊進行實時數據采集，在DCS端通過專門軟件使用數據服務如OPC等讀取DCS實時數據，實時得到現場實際運行數據，并自動進行數據的分析、判斷、過濾和提示，以取得的數據為基礎數據虛擬一個真實的生產線實時在運行，在建立反映對象運行機理的全范圍、全物理過程、高精確度仿真實時動態數字模型基礎之上，把仿真技術推進到生產的第一線，控制系統與仿真系統直接數據共享，從而使仿真系統直接取得現場運行狀態和操作動作，進行多變量、寬范圍的實時計算，并對能源系統、生產工序和流程或單體設備的數學模型解算，實時同步對真實的生產過程進行仿真和再現，達到強大的實時及歷史數據共享，這些數據包括控制系統原始運行數據、在線仿真系統解算優化數據等。

（2）從技術支撐及其支持技術上講

在技術支撐上：在線仿真可支撐其它優化、控制、分析等功能運用：

支撐在線決策控制系統或者智能化系統：提供優化決策控制依據。

綜合提升各類經驗，并軟件化：提供在線試驗分析。

在線多方案快速分析：提供在線超實時仿真運行。

支撐多種從已知求未知的算法：提供各種隱性變量軟測量。

支撐在線安全、經濟分析：提供安全、經濟分析數據支撐。

在支持技術上：在線仿真要能可靠不間斷運行，其必要條件為：

具有多系統同時運行，有能力智能化初始條件；具有多功能的控制管理平臺功能；具有多種自學習方法；具有事例多種復雜算法；具有高精度、全物理過程模型；具有實時、歷史數據庫的多位一體平臺；具有可靠安全、抗干擾、抗病毒的操作系統；具有更快速，更大吞吐計算機，多機，熱備用。

（3）從仿真建模上講

在線仿真需要多條數字化了高精度逼近實際的生產線同時運行的特點。因此在線仿真要建立反映機組或者生產線運行機理的全范圍、全物理過程和化學過程的高精確度仿真動態數字模型，其中數學模型特征參數能夠正確揭示設備中系統或設備的內在機理；此外，建立的模型要連續不斷地跟蹤實際運行，需要在線仿真具有初始化跟蹤的特點以便同步運行，以及在線自學習的特點來實時運用模型自學習理論自學習，自動修正在線仿真系統系數，推算運行設備和系統特征參數，使仿真模型跟蹤現場運行。

通常以流程工業生產流程中的機組或者生產線及公用系統為參考模型的全范圍全過程的軟仿真的仿真。它采用1：1仿真，仿真范圍包括主設備、外圍設備、中央控制室的DCS系統和表盤，具體根據各機組或者生產線的實際情況確定。對仿真對象要建立完整、嚴格、精確的物理過程模型。具體要求如下：

完整：保證對機組或者生產線完整的全過程生產流程仿真。

嚴格：所有的模型，應符合物理學、數學和電力科學、燃燒學、流體力學、傳熱學等理論的基本定律，而不是用預定的關系曲線來代替，任何近似的假設和計算方法，都不應該降低對模型逼真度的要求。

精確：所有的模型都能良好的反映其動態過程，具有較高的靜態精確度，能夠實現對仿真對象的連續、實時的仿真，仿真效果與實際機組或者生產線運行工況一致。

（4）從任務功能上講

在線仿真可用于完成下述任務要求：

a.在線數據通訊、計算、記錄與顯示

建立與實際設備物理特性一致的精細仿真某種類型機組或者生產線設備模型，再現與實際設備一致的運行狀態和機理；保持與實際設備同步運行，計算結果為設備運行分析或故障分析提供依據。同時，這些共享的數據也是其它優化系統的基礎數據；可以在線讀取現場傳遞的數據，顯現與現場一致的運行參數；在線記錄現場操作過程和運行參數，用于歷史事件機理分析和預測設備未來狀態的運行；能夠反映設備運行特性的主要參數曲線的實時、歷史趨勢顯示。

b.在線運行分析、歷史重演與預測分析

對運行參數作真假值分析，通過其它優化系統提供異常數據報警功能；推算機組或者生產線運行設備和系統特征參數，通過其它優化系統評價設備經濟運行狀態；可以在線辯識診斷多種不同類型的故障，并通過其它優化系統故障機理模型提供事故預防操作指導；可以在仿真系統中調整當前控制方案下的控制參數，提供與實際設備控制參數的比較，為評價控制方案優缺點提供足夠的數據元素，實現對控制系統的研究和分析；可以利用仿真模型完成控制方案整改后的驗證；為設備安全性分析提供數據基礎及輔助信息；為設備運行經濟指標在線計算提供數據基礎及輔助信息。

c.離線分析

能夠實現對設備歷史運行過程的追蹤回溯、重演功能；動態復現現場運行的歷史事件，確定事故或故障的準確原因。由于有歷史過程的記錄，進而能夠實現對現場運行的歷史過程的分析。

確定設備的最優運行方式與控制參數。在離線狀態下更改控制方式，試驗不同控制方案的效果，尋找最佳的運行方式。

d.提供在線仿真控制站，用于控制和管理在線仿真系統。

e.保持與DCS系統監控畫面和組態一致。在線仿真具有數據采集分析、設備狀態推算、高精度跟蹤生產運行、運行歷史重演、實時與歷史特性分析和軟測量在線計算等功能特點。它可以實現在線仿真系統實時同步跟蹤現場生產線運行，以便實時掌握當前生產線運行狀態；實現快速運算，預測生產線運行參數在未來發生的變化趨勢，達到預警預報；可以實現動態特性試驗和靜態特性試驗來進行分析和研究；通過實時工況和歷史工況轉離線分析的功能進行事故分析，運行狀態分析，查找分析事故發生的時間、現象、原因；實現生產過程的歷史工況數據在1：1的在線仿真操作員站上進行回放，以便對異常事件進行順序檢查和總結。基于軟測量技術，根據工業生產過程中有關可測過程變量和可測過程變量間的關聯，通過機理、統計結合的數學模型，解決過程儀表難測量量、不可測量量的測量，為其它優化、控制、信息管理等中指標、能源等系統提供數據支撐。

在線仿真以其特有的優化、節能減排基礎功能可作為一個重要的基礎鋪墊為其它優化、控制、信息管理等系統來實現安全穩定、經濟平衡、節能減排、優質環保的基本目標：

完善流程工業生產和能源及其它系統信息的采集、存儲、管理和利用；在線診斷流程工業生產和能源及其它系統的經濟性；在線維持全線流程工業生產和能源及其它系統經濟指標；在線找出能耗指變化的原因；在線決策控制方案和目標；在線審計流程工業生產和能源及其它系統能耗效率運行的狀態；在線提供管理決策的依據；在線試驗流程工業生產和能源及其它系統，以提高優化水平；減少流程工業生產和能源及其它管理環節，優化管理流程，建立客觀能源消耗評價體系；減少流程工業生產和能源及其它系統運行管理成本，提高勞動生產率；通過預警預報加快流程工業生產和能源及其它系統的故障和異常處理；通過優化能源調度和平衡指揮系統，節約能源和改善環境。

綜上所述，流程工業在線仿真的特點可歸納為：

全的共享信息：建立包括控制系統、仿真系統的實時、歷史共享數據庫；精細的在線仿真模型：通過與現場同步來測量模型的精細度；高的穩定性要求：長期在線不間斷運行；自動投入性：在線仿真系統投入時，系統有能力自動初始化到生產實際運行狀態；高的智能化水平：在參數整定、現場操作有效性判別等方面具備自學習能力；多的與經濟性和安全性相關的參數；提供節能與安全分析方面重要的數據素材。

高的完整性要求：監控系統與控制系統組態的一致性。

大量完整的歷史數據庫：以年為單位或者更長的歷史數據，秒級的訪問速度。

強大的數據分析手段，可以對任意歷史狀態進行返回跟蹤或記錄重演，對任意變量的歷史值進行分析。

先進的技術：能夠支持多用戶共享內存、多進程獨立調度的運行模式，完成對多種功能的多種時間片的獨立實時控制與調度。

多種的運行模式：支持在線同步仿真、離線仿真和在線猜測仿真等運行模式，并且具備多種模式同時運行的情況存在。

便捷的應用：實時在線展現或預測現場的異常情況，以分析導致異常工況或事故工況的可能原因。

4 實踐分析

目前在線仿真技術已被廣泛應用。如以在線仿真技術為核心的數字化電廠關鍵技術集管控成一體，達到精細管理、精確控制的目的，為電廠帶來顯著的直接、間接效益：

通過大量在線分析數據、實時/歷史數據，實現科學管理、精細管理，使電廠物資、檢修等過程管理合理、經濟，使生產管理的決策及時、準確，實現最佳效益；基于系統分析，優化運行控制，降低煤、電、汽水的消耗，實現直接的經濟效益；在線仿真預警、異常甄別、故障診斷、危險點預控等功能，保障電廠安全運行，而安全是電廠最大的經濟效益。

5 總結與展望

在線仿真是仿真技術突破性擴展，在功能上完全涵蓋了離線仿真，以其特有的優化、節能減排基礎技術特點功能可作為一個重要的基礎鋪墊為其它優化、控制、信息管理等系統來實現實時了解和掌握流程工業中生產的全部狀態，能夠實時展示與應用生產過程數據的技術-在線仿真技術為各種流程工業生產優化及分析、節能的重要性基礎。通過在線仿真技術的綜合應用，與各種在線分析及優化、決策控制技術，完成基于全范圍在線仿真的節能降耗支撐技術的產業化指日可待，對實現我國流程工業節能降耗技術的突破將起到非常重要的作用。為此，在線仿真技術將會迎來新的、更快的、更高的發展與應用。

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作者簡介：陳強軍，2005年畢業于長沙理工大學（熱工）自動化專業，助理工程師，現主要從事電廠仿真系統、數字化電廠、數字化水泥廠的研發工作。