OPC實現APROS與DCS半實物仿真系統的實時通信

楊 晨 潘衡堯 蔣 帥

(重慶大學動力工程學院)

OPC實現APROS與DCS半實物仿真系統的實時通信

楊 晨 潘衡堯 蔣 帥

(重慶大學動力工程學院)

利用APROS軟件強大的多功能仿真和DCS系統的實時控制功能，實現了利用OPC技術實現APROS仿真的現場數據與HOLLiAS DCS的控制信號間的實時通信。通過Delphi7編寫OPC Client建立APROS 和DCS的半實物仿真平臺，既能用APROS來驗證DCS的控制功能、整定控制參數、減少控制系統調試時間，又通過實物控制系統DCS輸出的控制信號，強化APROS仿真的真實性。

實時通信 APROS 半實物仿真系統 OPC技術

APROS(Advanced PROcess Simulator)是1986年開始由芬蘭富騰公司(Fortum)和國家技術研究中心(VTT)聯合開發的仿真軟件，它應用于常規火電站、核電站和化工廠的工程仿真機、安全分析中。APROS能對現場運行過程進行模擬，得到較為真實的現場數據[1,2]。

HOLLiAS DCS系統在國內各大電廠廣泛應用，但該系統設計的控制策略存在許多缺陷，需要不斷用現場數據進行完善。在這種情況下，采用仿真軟件來進行測試既可以減少自控系數調試的時間，又能減少調節階段的費用，更為高效[3]。而OPC(OLE Process Control)是OPC基金會組織倡導的工業控制和生產自動化領域中使用的硬件和軟件的接口規范，以便有效地在應用和過程控制設備之間交換數據[4]。

鑒于此，筆者提出基于OPC技術實現仿真軟件APROS與DCS組成的半實物仿真系統實時通信方案。通過編寫仿真平臺端OPC Client程序訪問仿真軟件的OPC Server，并上傳仿真數據到數據庫中，同時將控制信號輸入到仿真平臺；編寫控制系統端OPC Client程序訪問控制系統的OPC Server，并輸入仿真數據，同時將控制系統輸出的控制信號上傳到數據庫；編寫數據庫應用程序訪問數據庫并記錄歷史數據；設計仿真工程的控制系統，并對控制策略部分進行組態，生成控制工程并將工程下裝，登錄操作員站；最后用APROS的仿真工程現場仿真數據來驗證DCS系統設計的控制功能，并對控制參數進行整定，同時又通過實物DCS系統輸出的控制信號，強化APROS仿真的真實性。

1 半實物仿真平臺數據通信結構

半實物仿真系統數據交換過程如圖1所示。

圖1 仿真平臺和控制平臺的數據交換過程

圖1所示的這種結構可方便今后在仿真平臺中再添加其他的仿真設備，實現更加細致完善的仿真過程。其他設備的添加只需通過已開發的OPC Client就可以連接并入該仿真平臺[5～7]。Delphi是由美國Borland公司于1995年開發的Windows平臺下的快速應用程序開發工具。半實物仿真系統平臺的數據接口采用Delphi7中Database Desktop提供的Paradox數據庫，可開發OPC Client使它能同時訪問OPC Server和數據庫。

1.1 網絡結構

HOLLiAS DCS系統中工程師站、操作員站、數據站、現場控制站與APROS構成的網絡如圖2所示。其中APROS所在的機器，安裝了雙網卡后并入了DCS的網絡中，還可再加一塊網卡使它能連接外網。

圖2 半實物仿真系統平臺網絡結構

仿真站。該站包含用于工業過程仿真建模的APROS仿真軟件。該軟件可以通過各種功能塊模擬許多過程動態。

實時仿真硬件I/O機柜。將控制模型下裝到機柜中，輸入仿真數據后輸出控制信號，I/O機柜用于過程控制。

工程師站，也稱控制策略站。用于使用HOLLiAS MACS軟件設計控制策略。

操作員站，也稱監控站。在系統中起監視作用。同時具有歷史記錄、人機交互界面、系統過程詳細信息和診斷接口。

1.2 通信的實時性

申文彬提出了能準確反映半實物仿真系統的時間同步特性，同時可評估半實物仿真系統實時性的定量指標——時間同步精度Tsynca[8]：

(1)

(2)

式中fST(t)——仿真時間；

FMT(t)——機器時間；

ST——仿真步長。

筆者提出的方法不僅解決了仿真模型與所涉及的實物控制系統之間的數據交換這一問題，同時通過控制OPC Client的讀/寫頻率也保證了它們之間的通信在相同的時間間隔中，滿足時間同步精度要求。

2 APROS仿真工程

APROS是一個主要用于對熱能和核能發電裝置動態模擬的仿真工具，它在相變、水和蒸汽的質量、動量和能量的守恒方程基礎上建立了熱工水力計算。同時APROS廣泛應用在工業和研究界，因它重現物理行為精度高和靈活的平臺而出名。因此，選擇用APROS來對太陽能發電站蒸汽發生系統進行動力學仿真[9]。

太陽能發電站蒸汽發生系統的仿真目的是確定系統的設計，同時將仿真系統中的控制部分斷開由DCS系統來完成，最終實現半實物仿真的目標。太陽能發電系統的原理為：太陽能射線被鏡子反射，聚集在一根內有導熱油流動的管線上，它的溫度高達393℃，利用這種導熱油的自然循環蒸汽發生器產生蒸汽。由蒸汽帶動與發電機相連的汽輪機來產生電力。

太陽能發電系統的流程如圖3所示。系統中的給水流入省煤器部分后，在省煤器內加熱到接近沸騰溫度。同時系統中的汽包用于混合4個節段產生的蒸汽。產生的蒸汽從蒸汽出口流出，在汽包中通過氣旋的作用進行分離。通過氣旋分離，防止蒸汽出口出來的蒸汽進入下降管。產生的干蒸汽去到過熱器，在過熱器中，蒸汽的溫度將達到它最終的381℃，與此同時，導熱油的流動方向與蒸汽流動方向相反，溫度從393℃冷卻到300℃。

2.1 APROS仿真系統建模和半實物系統連接

在APROS中對太陽能發電站蒸發系統動態仿真工程的導熱油的性能參數進行調整。為了準確地模擬導熱油的特性，必須對油的性質作出調整。APROS中油的性質計算是基于4個輸入參數：溫度在15℃和100℃的密度和動力粘度。

熱交換器模型。APROS中有標準“逆流熱交換器”模塊，這簡化了建模工作并節約了計算時間。熱交換器被離散為多層換熱，來獲得高精度的傳熱計算。在管子側，由集箱連接下降管和上升管。各換熱器層中的節點高度為各層的平均高度。通過將換熱器離散為多層，蒸汽發生器模型的精確度可以得到有效提高。

管道幾何結構建模。APROS中所有管道都可以真實完整的模擬。因此，鍋爐的自然水循環過程可以被高精度的模擬。輸入直徑、長度、高度差和壓力損失系數，就可以對不同的組件進行建模，比如：下降管、上升管和汽包。

控制系統。瞬態過程的數值模擬還需對設備的控制系統進行精確建模，但由于實際控制系統在DCS中完成，因此控制部分在DCS中建模。

邊界條件。為了驗證模型，需要定義邊界條件。為了去驗證系統的設計參數，設備以常數邊界條件進行仿真，相當于系統在穩定狀態運行。對于導熱油來說，導熱油的入口溫度、質量流量和壓力都是以常數邊界條件給出的。而對于工質側(蒸汽/水)的相關參數，則通過給水溫度和汽包壓力來設定。

斷開仿真工程中的控制部分。太陽能發電站蒸發系統動態仿真工程中，有控制系統的建模。但由于實際控制系統在DCS中完成，因此要斷開瞬態過程的數值模擬仿真工程中的控制部分，由DCS輸出水泵轉速調節信號、汽包壓力調節閥信號和疏水流量調節閥信號。

2.2 DCS系統組態

DCS組態包括數據庫組態、設備組態、控制器算法組態和圖形組態。

數據庫組態就是定義和編輯系統各控制站的點信息，是形成整個應用系統的基礎[10,11]。在系統中有兩類點，一類是實際的物理測點，另一類是中間量點。而現場的實際裝置為確保安全，一般是不允許任意修改參數設置的，若需要輸入非電信號的現場數據，則需要將實際的物理測點和中間量點配合使用。現場數據的信號處理過程如圖4所示，現場的模擬電信號，經過FM卡件轉換為16位二進制數字信號后，經過控制器算法組態中的H_E模塊轉換為AI信號，再將中間變量1給AI信號，控制運算的輸入、輸出控制信號的中間變量，輸出的中間變量再給AO。

對系統的3個主要控制回路進行控制器算法組態：

a. 在APROS模型中，是由省煤器之前的一個泵來供應給水的。因此，通過DCS輸出泵的轉速信號來改變水的質量流量，以使汽包的水達到它的設定值。

b. 在APROS模型中，使用了一個過熱器后的閥門控制蒸汽出口達到控制汽包壓力的目的。因此，通過DCS輸出過熱器后面控制閥開度信號調節汽包壓力。

c. 在APROS模型中，汽包的排污也要進行模擬，由汽包底部引出的一個排污管來保持一個固定的排污質量。因此，通過DCS輸出流量閥門開度控制汽包排污的質量流量，保持設定值。

PID模塊用增量型算式計算，為此根據PID控制算法搭建如圖5所示的DCS-PID控制器算法組態。

圖4 使用OPC時現場數據的信號處理過程

圖5 DCS-PID控制組態

控制算法組態中，為使整個系統能真實模擬現場信號傳輸，使用慣性(HSFOP)模塊對輸入信號進行現場模擬。

由于本次DCS只用于控制，現場數據監控可以在APROS中直接進行，所以圖形組態中只創建了控制部分。控制系統操作員界面如圖6所示。

圖6 控制系統操作員界面

程序編寫完成后，編譯成功下裝控制器算法到主控單元中。下裝完成后重啟，登錄操作員站即可運行控制工程。

2.3 OPC Client和數據庫

在Delphi7的Database Desktop中建立Paradox數據庫，建立數據表結構并保存數據表文件。最后編寫訪問并顯示數據庫的Delphi應用程序。

在Delphi7中編寫OPC Client。該客戶端是在Kassl dOPC提供的測試OPC Client的基礎上，通過添加TDBGrid、TTable及TDataSource等組件與數據庫建立連接，并通過計時器設定實現自動寫入數據、自動更新數據等功能。計時器的刷新時間為150ms，完成整個數據傳輸過程只需要300ms，符合實時通信標準。

3 半實物仿真平臺中的通信連接

HOLLiAS MACSV系統中，任意一臺操作員站都可作為OPC Server端，然后在相應的機器上配置好DCOM，使用OPC Client軟件中編寫的Link Start功能即可讀取OPC Server中的數據，并將數據存儲到Paradox數據庫中。APROS所在的工作站配置好DCOM后，只需選中APROS中的Enable external connectivity選項即可運行OPC Server。點擊Link Stop可斷開與OPC Server的連接。

4 半實物仿真平臺控制環路

通過Delphi7還可以編寫程序實現各種需要的功能。例如在未安裝HOLLiAS MACSV系統，無法下裝操作員站的PC上也可以更改控制參數，實現遠程監控，同時可以遠程調節參數。圖7中，在OPC Client的基礎上添加3個控制窗口，同時建立Delphi控件和OPC獲取參數的對應關系即可。在Edit控件中輸入值后可以單擊更新參數按鈕，按獲取參數則可獲取OPC Server中對應標簽數據的值。

圖7 控制參數調節程序界面

通過兩個OPC Client分別與DCS、APROS的OPC Server連接后，點擊客戶端中的Link Start完成數據的交換。運行APROS工程，APROS工程中的現場數據通過OPC傳遞到DCS，同時DCS輸出變量LV1水泵轉速、LV2汽包壓力調節閥開度和LV3疏水流量調節閥開度。

在APROS的Chart界面中可以觀察到對應汽包水位數據的變化，通過輸入一個擾動水位并使用圖7的調節參數應用程序整定汽包水位控制系統參數，最終可將汽包水位測量值穩定調節到設定值。通過對比可知，在相同的控制系數情況下，半實物仿真平臺的控制效果要優于純仿真控制，調節整定所需的時間短、響應迅速、曲線振蕩幅度小。

5 結束語

基于OPC技術實現仿真軟件APROS與DCS系統組成的半實物仿真系統的實時通信，通過APROS太陽能發電站蒸發系統動態仿真工程模擬現場，同時通過OPC將現場仿真數據和DCS系統反饋的控制信號進行數據交換。編寫的OPC Client完成單個數據的完整交換過程只需要100ms，完全符合實時通信的要求，同時數據庫應用程序還可以深入開發添加歷史數據庫、導出數據庫、導入數據庫及查找等功能。

仿真結果表明：OPC技術能可靠地完成APROS仿真平臺和DCS系統的數據交換，減少自控系數調節的時間，對控制參數的整定很有幫助。在APROS仿真環境下，能根據需求對模型進行擴充和完善，建立更全面的模擬系統。同時，在半實物仿真系統平臺上的模擬控制實驗沒有安全問題，有助于加強對控制理論的理解。最后,由于半實物仿真系統平臺是基于真實的DCS系統，所以在經過本半實物仿真平臺上驗證后的控制算法更容易在現場實施，這也是半實物仿真實驗平臺與基于軟件的仿真實驗平臺本質的區別。

通過本次實驗實現了實物控制臺和虛擬仿真平臺的數據交換，結合了兩者的優點使得今后控制策略的研究更加方便。該研究成果不論是在自動化基礎理論研究和應用、先進控制理論研究與應用領域還是在員工系統培訓等領域都將會發揮重要作用。

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RealizingReal-timeCommunicationbetweenAPROSandDCSBasedonOPCTechnology

YANG Chen, PAN Heng-yao, JIANG Shuai
(SchoolofPowerEngineering,ChongqingUniversity)

Through giving full play to the APROS’ powerful multi-function simulation and the DCS’ real-time control function, making use of OPC technology to realize real-time communication between the field data of APROS simulation and the control signal of HOLLiAS DCS was implemented, including using Delphi 7 to program OPC client and establishing semi-physical simulation platform for both PROS and DCS. In this way, the APROS can be adopted to confirm the control function of DCS, adjust the control parameters and reduce the debugging time of the control system; and the control signals out of DCS can be controlled by physical outputs to intensify the authenticity of APROS simulation.

real-time communication, APROS, semi-physical simulation system, OPC technology

TH862+.7

A

1000-3932(2017)04-0392-06

2016-11-04，

2017-02-07)

國家自然科學基金項目(51576020)。

楊晨(1963-)，教授，從事熱力系統動態特性、分布式能源系統、可再生能源及多尺度模擬等的研究，yxtyc@cqu.edu.cn。

(Continued from Page 405)

AbstractThe AC/DC conversion circuit design with charging function was introduced, including AC to DC conversion circuit, a DC to DC conversion circuit and a battery charging circuit. The application results show that in the case of 220V(AC) power source or battery on hand, the 24V(DC),12V (DC) and 3.3V(DC) can be output stably.

KeywordsAC/DC conversion circuit, voltage conversion, output voltage