基于OTS系統的酸堿中和系統的建模與仿真

劉鎖清，劉少虹，李軍紅

（1.山西大學 動力工程系，太原 030013；2.山西大學 自動化系，太原 030013）

自動化技術的發展與應用使得電站系統逐漸走向智能化、自動化、高效化，使得企業對員工的要求也越來越高，然而由于火電廠發電高度耦合的連續化生產線，不可能為了培訓員工而停止正常生產，電廠新員工很難參與到實際開車、停車、故障等操控中[1]。因此仿真技術得以應用，為這些問題的解決提供了可靠的應用平臺。它不僅可以確定新控制方案的可行性，為電廠各個系統的優化控制算法提供實驗平臺，而且能夠對集控運行人員實施崗前培訓，從而提高運行人員的操作水平和處理事故的能力。

所采用的仿真環境是OTS支撐系統。OTS在國外普及程度很高，但在國內認可程度還不高，最初只有少數幾家大型化工、石油、煉油企業采用了國外廠商霍尼韋爾、英維思、橫河的OTS系統。隨著國內OTS的發展，近年來更多的大中型生產型企業也逐漸認識并認可了OTS系統[2]。在此以小型系統酸堿中和系統為例，利用Intouch組態軟件以及和利時OTS系統，開發出一套酸堿中和系統仿真軟件，為火電廠各個系統領域探索機理建模以及仿真系統開發提供了借鑒。

1 酸堿中和系統的工藝流程

酸堿中和系統的工藝流程如圖1所示。系統投運前，首先檢查各個泵、閥門是否存在故障，酸/堿貯存槽是否有足夠的酸/堿，各管路無滲漏，等。檢查無誤后酸堿中和系統具備投入運行條件。

圖1 酸堿中和系統的工藝流程Fig.1 Process flow chart of acid-base neutralization system

酸堿中和系統具體操作流程如下：

中和水池水位達2.5 m時，取樣化驗廢水pH值。若pH為6～9，則打開中和水泵，啟動中和水泵排水；中和池液位降至0.5 m時，停中和水泵；放至所需刻度。

若廢水pH值不在6～9范圍內，則進行以下操作：

步驟1當pH＜6時，粗略計算所需加入堿量，開啟中和水池進堿氣動門，觀察堿液貯存槽液位；

步驟2當pH＞9時，粗略計算需加入酸量，開啟中和水池進酸氣動門，觀察酸液貯存槽液位，放至所需刻度；

步驟3開羅茨風機出口手動門，中和水池進氣門，啟動羅茨風機，攪拌均勻后停運羅茨風機，關閉風機出口手動門、中和水池進氣門；

步驟4開啟中和水池再循環閥，啟動中和水泵，廢水循環5～10 min，觀察廢水pH值，pH為6～9時開啟中和水泵出口門，關閉中和水池再循環閥，向工業廢水調節池送水；中和水池液位降至0.5 m時停中和水泵。

需要注意：若中和水泵打循環時，發現pH值不在6～9范圍內，則應重復步驟1—步驟3的操作。

2 仿真系統結構

所建立的酸堿中和系統的仿真系統結構如圖2所示。該仿真系統主要由3個部分組成，人機界面的監控系統、建立仿真模型的OTS系統以及兩者之間進行通訊的MMI點表[3]。

圖2 酸堿中和仿真系統的結構Fig.2 Structurem of acid-base neutralization simulation system

基于OTS的仿真系統設計依據酸堿中和系統各個設備的工作原理，建立設備的數學模型，然后利用Fortran語言編制仿真程序，建立算法模型庫，并在OTS仿真平臺下轉換為仿真模型，通過各仿真算法庫的各類算法邏輯組態，實現酸堿中和系統的動態模擬仿真。

基于Intouch組態軟件的酸堿中和系統監控系統設計按照酸堿中和系統的工藝流程組態其動態的監控界面，并對OTS環境下的仿真模型進行實時監控，參數實時顯示設置以及報警。

仿真系統與監控系統通過DDE協議進行動態的數據交換，其具體實現是通過點表文件和MMI.EXE應用程序進行，其中MMI點表文件是實現2個系統間變量通訊的媒介[3]。

3 仿真軟件的設計

3.1 監控系統設計

監控系統是操作員與仿真系統進行實時控制、參數顯示以及報警功能信息傳遞的媒介。按照酸堿中和系統的工藝流程，采用Intouch組態軟件設計系統的監控畫面。監控界面主要包括：酸堿中和系統總圖、計算及控制界面、參數及穩性動態顯示界面以及報警界面。酸堿中和系統總貌的監控畫面如圖3所示。

圖3 酸堿中和系統總貌的監控畫面Fig.3 Monitoring picture of general appearance of acid-base neutralization system

首先利用Intouch的開發界WindowMaker提供的繪圖工具，根據系統的工藝流程繪制靜態的人機界面。然后，定義組態畫面上的各個變量并建立其標記名字典即定義變量的數據類型，最后完成動作鏈接，實現監控畫面的動態模擬。

3.2 數據通訊

要實現OTS系統與Intouch人機界面的通訊，首先需要在Intouch的開發界面（Window Maker）中創建1個DDE訪問名，并在通訊協議欄選擇DDE通訊協議[4]。協議創建好后，建立數據庫——人機界面數據庫和仿真模型數據庫，整個數據的通訊過程即為畫面側數據庫 （或仿真模型數據庫）通過DDE協議，完成與Intouch組態軟件的運行界面（或OTS系統）實時數據傳輸。

監控系統數據庫與仿真模型數據庫輸入與輸出變量并不相同，通過DDE協議可以完成單側（界面側或仿真模型側）的數據傳輸，要實現界面側與模型側的數據傳輸，還需要建立MMI點表，以使OTS軟件仿真下的模型側變量和Intouch人機界面側的數據變量達成一種一一對應關系。而在實際開發過程中，是將模型側和界面測的I/O清單一一對應地放在excel表格中，形成通訊點表，畫面側的操作端與模型側實現無縫連接。當仿真機連盤后，界面側的操作動態信息就會與模型側信息進行同步更新[5]。

酸堿中和系統的中和水泵部分通訊點見表1。當仿真機連盤運行以后，左右兩側的數據信息同步更新保持一致。

3.3 仿真支撐系統

模塊化建模是仿真系統建模的基本思想，首先將酸堿中和系統分解為若干原理相同或相似的設備級，對設備級建立數學模型，采用OTS仿真平臺建立各個設備的仿真模型，模型算法用Fortran語言編寫。一個設備對應一個模塊，一個模塊對應一種算法，每一個算法都具有通用性，能夠被重復調用，且使用方法簡單。在此以系統的泵為例建立泵的仿真模型[5]。

表1 中和水泵部分通訊點Tab.1 Partial communication points of neutralization pump

利用Fortran語言編制的泵模型算法的部分源代碼如下：

其中，IN（*）表示輸入，OUT（*）表示輸出。

上述源代碼定義了泵算法模型的輸出參數OUT（1）為停止命令。由程序可見，要想實現OUT（1）為停止命令，有3種方式：手動停、保護停、自動停。這3種停止命令均對應各自等號右側的3種條件，最終通過對OUT（1）的賦值語句與IF語句得出停止命令 OUT（1）的狀態（對 OUT（38）賦值是用于求解OUT（40））。（有文字的部分屬于注釋——不參與程序的運行與編譯）

利用Fortran語言編制設備的算法模型，編譯之后在OTS系統中形成算法庫，通過調用該算法并設置模型的系數和輸入參數，使其更接近實際設備的運行結果，從而形成泵的仿真設備模型，如圖4所示。該模型顯示了模塊的模型側變量名、模塊所用的算法名稱，以及模塊在模型中狀態、運行速率，模塊的輸入（左側）、輸出（中間）和系數（右側）等。

圖4 泵的設備模型Fig.4 Equipment model of pump

通過在OTS系統中完成各個設備的仿真模型后，還需將這些建立的獨立設備依據酸堿中和系統的工藝流程，進行仿真系統的控制邏輯組態，在各種工藝條件下對各種工藝流程就行模擬仿真，從而真實地再現酸堿中和系統的工藝流程。為實現投運備用中和水泵而在OTS系統中進行的邏輯組態如圖5所示。

至此酸堿中和系統的仿真軟件開發完成，軟件應用時，只需將Intouch軟件與OTS系統分別打開，并裝入各自的文件，通訊連盤后該仿真軟件即可使用，電廠運行人員可以在仿真系統上練習生產操作，掌握工藝流程以及研究控制策略。

4 結語

利用Intouch組態軟件以及OTS系統開發了酸堿中和系統的仿真軟件，構造了一種以訓練和教學為目的，在某種程度上再現一個真實系統行為的系統。采用動態仿真系統培訓生產操作人員，能使操作人員更好地掌握操作規程，在仿真系統上“嘗試”生產操作，進行開車、運行、停車操作、設置以及處理事故，使操作人員能在更短的時間內更準確、全面地學會工藝操作；并且利用該仿真操作系統可以優化生產操作以及開發控制系統的分析。為火電廠仿真系統的開發提供了借鑒。

圖5 1號中和水泵備用邏輯Fig.5 No.1 neutralization pump backup logic