基于XDPS的虛擬DCS教學(xué)仿真平臺的設(shè)計(jì)

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)興新職業(yè)技術(shù)學(xué)院 毛新紅

基于XDPS的虛擬DCS教學(xué)仿真平臺的設(shè)計(jì)

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)興新職業(yè)技術(shù)學(xué)院 毛新紅

【摘要】集散控制是自動化專業(yè)一門實(shí)踐性很強(qiáng)的的主干專業(yè)課程，但采購一套完整的DCS系統(tǒng)用于教學(xué)花費(fèi)很高。因此，使用仿真系統(tǒng)來代替實(shí)際的DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場生產(chǎn)裝置顯得尤其重要。本文使用上海新華DCS 控制系統(tǒng)自帶的VXCU軟件搭建了一個虛擬DCS仿真平臺。平臺的建立讓學(xué)生在沒有昂貴實(shí)驗(yàn)設(shè)備的條件下，在計(jì)算機(jī)房也可以虛擬與現(xiàn)場相同的系統(tǒng)組態(tài)及調(diào)試工作，做到理、虛一體，使學(xué)生對DCS有一個直觀上的認(rèn)識，對DCS教學(xué)具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】虛擬控制器；仿真；液位控制系統(tǒng)

1、引言

目前一些高職院校進(jìn)行DCS授課采用的還是理論講授的方法，由于學(xué)生對理論知識不感興趣，，加上DCS課程又對操作的要求較高，所以學(xué)習(xí)效果很不理想。如何在沒有實(shí)際的DCS實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生進(jìn)行DCS的系統(tǒng)組態(tài)和調(diào)試工作，讓學(xué)生感受到與生產(chǎn)現(xiàn)場相同的工程師工作站的DCS組態(tài)和調(diào)試，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使我們在DCS教學(xué)中亟待解決的問題。

2、DCS仿真方式

針對沒有DCS硬件設(shè)備只有軟件的情況，我們提出了DCS 的仿真方式來解決上述問題，目前DCS仿真方式分為仿真 DCS、虛擬DCS 和激勵 DCS。本文采用虛擬DCS。

虛擬是指為運(yùn)行的程序或軟件營造它所需要的執(zhí)行環(huán)境，在采用虛擬技術(shù)后，程序或軟件的運(yùn)行不再獨(dú)享底層的物理計(jì)算資源，它只是運(yùn)行在一個完全相同的物理計(jì)算資源中，而底層的影響可能與之前所運(yùn)行的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)完全不同。本文的虛擬DCS教學(xué)仿真平臺主要通過CPU虛擬來實(shí)現(xiàn)。

CPU虛擬為每個虛擬機(jī)提供一個或多個虛擬CPU，多個虛擬CPU分時(shí)復(fù)用物理CPU，任意時(shí)刻一個物理CPU只能被一個虛擬CPU使用。VMM必須為各虛擬CPU合理分配時(shí)間片并維護(hù)所有虛擬CPU的狀態(tài)，當(dāng)一個虛擬CPU的時(shí)間片用完需要切換時(shí)，要保存當(dāng)前虛擬CPU的狀態(tài)，將被調(diào)度的虛擬CPU的狀態(tài)載入物理CPU。使用虛擬方式可以建立一個與實(shí)際機(jī)組對象完全一致的仿真系統(tǒng)。

3、液位控制系統(tǒng)虛擬XCU創(chuàng)建

3.1 硬件控制器的仿真

3.1.1 首先安裝好新華XDPS6.0到默認(rèn)安裝路徑D：XDPS6.0，在安裝時(shí)，注意只安裝：操作員站執(zhí)行文件、VDPU執(zhí)行文件兩項(xiàng)即可。

3.1.2 將D：XDPS6.0in中的VDPU目錄復(fù)制兩次，并分別改名為“1VDPU”、 “2VDPU”、 “3VDPU”，雙擊運(yùn)行后3個虛擬的控制器就初步建立了。

3.1.3 在WINDOWS XP下運(yùn)行setup安裝完XDPS軟件之后，單機(jī)運(yùn)行軟件需要一個固定的IP地址，為了不影響網(wǎng)卡的正常工作（一般網(wǎng)卡都設(shè)為自動獲得IP地址），需另外安裝一個“虛擬網(wǎng)卡”作為運(yùn)行XDPS系統(tǒng)需要。

3.1.4 在Netwin主界面點(diǎn)“dpu組態(tài)”按鈕開啟dpu組態(tài)軟件，選擇“連接dpu”，在會彈出的對話框中輸入”1VDPU”，并在At IP框中填自己的本機(jī)IP，最后輸入用戶名和密碼，我們的DCS軟件就連上了虛擬控制器。

3.2 現(xiàn)場電動調(diào)節(jié)閥的仿真

建立了硬件控制器XCU的仿真后，我們就要考慮如何在沒有現(xiàn)場設(shè)備的情況下獲取電動調(diào)節(jié)閥的反饋信號實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，以及控制結(jié)果發(fā)送給電動調(diào)節(jié)閥的信號這兩個問題。

電動調(diào)節(jié)閥反饋回來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的信號我們可以建立一個和現(xiàn)場電動調(diào)節(jié)閥反饋信號性質(zhì)相同的算法來實(shí)現(xiàn)，算法如圖1所示：

圖1 電動調(diào)節(jié)閥開、關(guān)反饋狀態(tài)仿真邏輯算法

控制結(jié)果發(fā)送給電動調(diào)節(jié)閥的信號我們可以通過功能塊搭建一個過程控制模型，即一個合適的PID算法來搭建出一個近似的設(shè)備仿真模型，見圖2。

圖2 控制邏輯運(yùn)算結(jié)果給電動調(diào)節(jié)閥的仿真邏輯運(yùn)算

圖1和圖2用仿真模型的算法替代了實(shí)際的設(shè)備信號，是整個仿真系統(tǒng)的核心和難點(diǎn)部分部分，也是整個仿真系統(tǒng)建立的最大難點(diǎn)。

3.3 虛擬控制器和虛擬設(shè)備的通訊

最后的問題就是解決我們建立的虛擬控制器和用模型搭建的電動調(diào)節(jié)閥設(shè)備的通訊之間如何通訊的問題，我們可以把我們所建立的電動調(diào)節(jié)閥模型放在我們所要運(yùn)行的虛擬控制器中運(yùn)行，使用頁面I/O功能塊即可實(shí)現(xiàn)。

4、結(jié)束語

我們通過新華DCS系統(tǒng)的虛擬XCU建立了硬件控制器的虛擬仿真和現(xiàn)場設(shè)備的簡單虛擬，讓學(xué)生在沒有現(xiàn)場設(shè)備的條件下也能在PC機(jī)上完成現(xiàn)場工程師站的組態(tài)和調(diào)試工作，虛擬DCS 教學(xué)仿真平臺可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并有效地提升學(xué)生的實(shí)際操作能力，對DCS的教學(xué)有著重要意義。

參考文獻(xiàn)

［1］ XDC800系統(tǒng)使用手冊［Z］.上海新華電子科技發(fā)展有限公司，2010.

［2］ OnXDC軟件快速入門手冊［Z］.上海新華控制技術(shù)（集團(tuán)）有限公司，2010年9月.

［3］ XDPS功能模塊手冊［Z］.上海新華控制技術(shù)（集團(tuán)）有限公司，2010年9月.

作者簡介：

毛新紅（1977-），女，工程碩士，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)興新職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系教師，講師。發(fā)表過“適應(yīng)于孤島供電柔性直流輸電系統(tǒng)控制器研究設(shè)計(jì)”《電器應(yīng)用》2015.7“循環(huán)流化床熱水鍋爐床溫控制系統(tǒng)的優(yōu)化”《陜西電力》2015.1等文章。