三級液位虛擬仿真綜合實訓系統平臺的搭建

杜青青，李海霞

(蘭州石化職業技術學院電子電氣工程學院，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

自控工程設計要求運用自動化理論知識，設計某生產工藝流程，實施自動化方案[1]。在設計過程中，通常會為學生提供某生產單元的工藝流程圖及流程說明、設計需求及必要的工藝資料，要求學生按照國家標準規定，對設計過程進行工程表達[2-4]。在實際實施過程中，需要完成最基礎的管道儀表流程圖的設計，并基于管道儀表流程圖開展其他設計工作，例如儀表數據表、儀表索引表、儀表位置圖、聯鎖系統邏輯圖、端子配線圖、儀表回路圖、分布式控制系統(distributed control system,DCS)技術規格書、DCS-I/O表等[5]。化工企業的大部分設備必須連續作業，通常處于易燃易爆、高溫高壓的環境[6]。因此，在實際的系統上進行科學試驗有一定的風險。而試驗室無法提供自控工程設計所需的全部生產流程[7]。實際應用中，方案可行性驗證的環境無法提供。因此，利用系統建模與仿真的方法，采用軟件仿真模擬實際三級液位系統的運行過程，對仿真過程中運行數據進行統計分析，并經智能評分系統根據評分規則客觀給出成績，從而驗證控制策略和評估控制效果。

1 仿真建模組態模塊

工藝搭建三級液位被控對象仿真模型中：一級液位為臥式儲罐(1#儲罐 V101)液位；二級、三級液位為立式儲罐(2#儲罐V102、3#儲罐 V103)液位。仿真模型支持每個儲罐獨立運行，每個儲罐可實現單回路控制、前饋控制及PID 參數整定；同時，支持1#、2#儲罐，2#、3#儲罐聯合運行。聯合運行中，可實現單回路控制、串級控制、比值控制、PID 參數整定。如果1#、2#、3#儲罐聯合運行，可實現單回路控制、串級控制、比值控制、順序控制、PID 參數整定。

仿真建模組態模塊包含閥門、機泵、儲罐、換熱器、塔器、反應器、儀表等基礎功能組件，支持用戶依據相關設計規范自定義工藝流程。

1.1 控制組態模塊

搭建相應的流量、液位等控制回路，實現對所選被控變量PID參數整定[8-9]。按照功能，將模塊分為信號源、信號輸出、通用模塊、數學模塊、控制器模塊、非線性環節，可實現單回路控制系統搭建、串級控制系統搭建、比值控制系統搭建、調度控制系統搭建。

1.2 趨勢曲線

液位趨勢曲線如圖 1 所示。

圖1 液位趨勢曲線

趨勢曲線在仿真系統運行時記錄實時數據，并以運行時間為X軸繪出曲線，從0時刻開始記錄，單位為s。趨勢畫面中所有的曲線共享同一時間軸。因此，當縮放時間軸時，所有的曲線都一起變化。趨勢畫面中的Y軸為數據軸，每一條曲線都擁有各自獨立的數據軸及相應坐標系。數據軸的顏色與曲線的顏色相同。當點擊某一條曲線或點擊該曲線對應的數據軸時，即將趨勢畫面中當前坐標系切換為數據軸對應的坐標系，在趨勢畫面的上半部顯示該曲線的標題。X軸和Y軸坐標均可以通過鼠標拖動實現縮放功能。

2 智能評分系統

智能評分系統是一套根據設定的規則(包括操作步驟、工藝指標及安全指標三個維度)， 對過程工業的開車過程、運行狀態、控制方案的性能以及生產安全等方面進行自動評分的系統。該系統能夠客觀、全面地進行評分，支持評分規則自定義，可有效地輔助教師進行教學以及培訓工作，提高教學、培訓的效果。評分結果可輸出為Excel 表格。

2.1 評分規則

2.1.1 評分策略

評分策略可以分為加分制、不得分制、減分制三類體系。

①加分。這是對于正確做法的一種肯定和獎勵。通過加分，使做對的學生、考生受到正面鼓勵，從而培養正確的操作能力。對于錯誤做法，則不得分。

②不得分。對于未完成或未達到要求，則不得分。

③減分。對于引發的不利后果，通過減分的手段加以懲罰。

2.1.2 評分規則

以控制回路LIC101為例，說明評分規則。

①控制回路 LIC101設置。控制變量為LI101/%：設定值為40、上限值為45、下限值為35；最小保持時間為120 s；分數為30分；策略為給分/不給分。

②動態部分：

調節時間開始計算條件：當LI101大于等于 37%；最大調節時間為300 s，調節時間分數為5分；允許最大偏差為±3%，動態偏差分數為5分。

2.2 三級液位控制評分結果

以三級液位控制為例，介紹仿真平臺的操作方法，步驟介紹如下。

①打開 FV101至80%開度，V101入口水流量 FI101 為1.6 kg/s，V101開始建立液位。當V101 液位LI101達到38%左右時，打開LIC101至58%開度，水進入V102開始建立液位；手動調節LIC101開度，使V101出口水流量FI104為1.6 kg/s左右。

②當V101液位達到40%左右時，將LIC101投自動，設定值為40%。當V102液位LI102達到38%左右時，啟動泵P101(3D仿真操作)，打開LIC102至69%開度，水進入V103建立開始液位；手動調節LIC102開度，使V102液位LI102維持在40%左右，然后將LIC102由手動調節為自動，設定值為40%。

③當V103液位LI103到達38%左右時，打開LIC103至70%開度，水排出系統外。手動調節LIC103開度，使V103液位LI103維持在40%左右，然后將LIC103由手動調節為自動，設定值為40%。

④當三級液位被控對象穩定運行40 min后，智能評分根據設定的規則給出成績。

可以分別通過以下幾種方式添加擾動。

擾動1：打開V101頂部進水閥HV101。

擾動2：打開V101底部排水閥HV102。

擾動3：打開V102頂部進水閥FV102。

擾動4：打開V102底部排水閥HV103。

擾動5：打開V103頂部進水閥FV103。

擾動6：HV101、HV102、HV103、FV102、FV103任意組合。

學生根據整定的PID參數，跟蹤控制曲線，由智能評分系統客觀評價控制效果。

3 系統功能

3.1 自定義設備屬性

仿真平臺可根據設計規范自定義設備屬性，如臥式儲罐 V101 半徑、長度(高度) 等參數。每個學生可設計不同的設備尺寸，避免試驗過程中出現抄襲現象。教師根據設計規范隨機自定義儲罐的尺寸，由學生根據設備屬性進行閥門選型及控制策略設計，并要求在規定時間內完成系統開車操作，以達到穩定生產狀態。

3.2 自定義閥門屬性

在仿真平臺上，可根據工藝流程及設備尺寸，設計閥門參數，如閥門流通能力、閥門特性、作用形式等。仿真系統提供了四種閥門特性：線性閥、快開閥、等百分比閥、拋物線閥。調節閥作用形式有氣開閥和氣關閥兩種可以選擇。

3.3 PID參數整定

在仿真平臺進行PID 參數整定試驗，如果在比例調節的基礎上,系統的靜差不能滿足設計要求，則必須加進積分。在整定時，先將積分時間設定為一個比較大的值，然后將已經調節好的比例系數略為縮小，最后減小積分時間，使得系統在保持良好動態性能的情況下消除靜差。在此過程中，可根據系統響應曲線的好壞反復改變比例系數和積分時間，從而得到滿足要求的控制過程和整定參數。其中：Kp為比例系數、Ti為積分時間、Td為微分時間。

4 結論

基于虛擬現實的三級液位控制模擬仿真系統，采用臥式儲罐、立式儲罐等動態仿真模型，通過將虛擬現實技術與系統仿真技術相結合，建立了相應的數據庫系統、仿真系統和評分系統。三個模塊通過交互數據與指令信息，實現整個仿真平臺的集成與協作。通過仿真平臺，可以對工藝流程、物料性質、設備尺寸、控制邏輯、閥門屬性等進行自定義設計；同時，在控制邏輯設計驗證前提下，可以進行PID參數整定；最后，智能評分系統根據評分規則給出成績，從而驗證控制策略和評估控制效果。仿真平臺支持外接真實PLC 控制系統，可進行PLC 控制組態等。該設計為自控工程人員及學生試驗教學提供了有利的平臺。