李 勝
(江蘇華昌化工股份有限公司,江蘇 張家港 215634)
摘 要:隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的高速發(fā)展,對(duì)控制系統(tǒng)的操作人員和維護(hù)人員都提出了更高的要求,企業(yè)一般不會(huì)采購(gòu)一套完整的DCS系統(tǒng)用于培訓(xùn),更不可能采購(gòu)一套生產(chǎn)設(shè)備配合控制系統(tǒng)專用于培訓(xùn),因此,使用仿真系統(tǒng)來(lái)代替實(shí)際的DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)裝置顯得尤其重要。本文介紹了使用上海新華DCS控制系統(tǒng)自帶的VXCU軟件創(chuàng)建仿真系統(tǒng)的具體過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬件控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的仿真,對(duì)DCS系統(tǒng)維護(hù)人員和設(shè)備操作人員的培訓(xùn)具有重要意義。
關(guān)鍵詞:新華DCS;虛擬XCU;控制器;仿真系統(tǒng)
中圖分類號(hào):TP391.99 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1003-7241(2012)06-0069-03
1 引言
隨著控制的自動(dòng)化程度不斷提高,對(duì)操作工的要求也在不斷提高,特別是對(duì)DCS維護(hù)人員的技術(shù)要求更高。如何有效地對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行培訓(xùn),如何使操作工、DCS維護(hù)人員對(duì)整個(gè)DCS有一個(gè)系統(tǒng)的了解,關(guān)系到能否充分發(fā)揮DCS的作用。然而,當(dāng)系統(tǒng)投用后,為了保證其運(yùn)行安全可靠,不允許對(duì)實(shí)際DCS進(jìn)行頻繁的試驗(yàn)性操作,因此,基于實(shí)際DCS的培訓(xùn)是不現(xiàn)實(shí)的,而仿真系統(tǒng)就可以解決這個(gè)問題。
仿真系統(tǒng)是相對(duì)于在過(guò)程工業(yè)系統(tǒng)中運(yùn)行的真實(shí)DCS而言的,就是將真實(shí)DCS在非DCS的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中再現(xiàn)。具體地說(shuō),就是要在計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)中,盡可能真實(shí)地再現(xiàn)完整的集散控制系統(tǒng)甚至包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的模擬。由于虛擬DCS源自真實(shí)DCS,真實(shí)DCS上發(fā)生的各種操作、事故均可以在虛擬DCS上進(jìn)行驗(yàn)證,凡基于真實(shí)DCS的控制系統(tǒng)組態(tài),都可以移植在仿真系統(tǒng)上運(yùn)行;凡在仿真系統(tǒng)上調(diào)試的控制組態(tài),也都可以移植到真實(shí)DCS系統(tǒng)上運(yùn)行。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
新華DCS系統(tǒng)是由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)XNET和連接在網(wǎng)上的人機(jī)接口站HMI與分散處理單元XCU三大部分組成。XCU即硬件控制器,其面向被控對(duì)象,進(jìn)行快速數(shù)據(jù)輸入輸出處理和閉環(huán)控制計(jì)算,完成報(bào)警檢測(cè)、接收操作指令和組態(tài)修改指令。HMI包括操作員站、工程師站、歷史數(shù)據(jù)站等。面向操作員以流程圖、棒狀圖、曲線、表格、按鈕、對(duì)話框等方式提供數(shù)據(jù),解釋操作指令并送到XCU。通過(guò)HMI,操作員和工程師可對(duì)監(jiān)控過(guò)程進(jìn)行干預(yù)和修改,還能完成數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)功能。
虛擬DCS的構(gòu)成與真實(shí)DCS一樣,都是由分散控制單元(XCU)和人機(jī)界面(HMI)以及通訊部分來(lái)構(gòu)成。虛擬XCU是虛擬DCS的核心。是指將實(shí)際分散控制單元中的XCU功能移植到虛擬XCU軟件上,使XCU功能脫離實(shí)際硬件而實(shí)現(xiàn)的。這樣整個(gè)虛擬DCS系統(tǒng)就可以脫離數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)運(yùn)算硬件設(shè)備而工作。
在實(shí)現(xiàn)虛擬控制單元的前提下,建立虛擬控制單元與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備仿真模型的通信接口,由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備仿真系統(tǒng)構(gòu)成的仿真對(duì)象經(jīng)過(guò)運(yùn)算之后,各模型的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)通信傳遞給虛擬控制單元VXCU。虛擬XCU接受仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)后,將運(yùn)算結(jié)果傳遞給HMI顯示,同時(shí)傳遞給仿真模型,復(fù)現(xiàn)實(shí)際DCS中的數(shù)據(jù)控制運(yùn)算功能。
見圖1,虛擬DCS系統(tǒng)完全模仿真實(shí)的DCS系統(tǒng)建立,具備獨(dú)立的控制器和被控制的過(guò)程對(duì)象,這兩部分都可采用虛擬XCU來(lái)實(shí)現(xiàn),新華的虛擬XCU是在PC機(jī)上運(yùn)行的一個(gè)軟件,虛擬XCU實(shí)際就是硬件XCU的一個(gè)仿真,可以和真實(shí)的控制器(XCU)完全一樣的進(jìn)行操作,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬XCU的在線組態(tài),程序的上傳和下載。被控制的過(guò)程對(duì)象即虛擬過(guò)程對(duì)象,實(shí)際上是運(yùn)行在虛擬控制器中的對(duì)象仿真邏輯,通過(guò)該仿真邏輯可以生成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的反饋信號(hào),例如電動(dòng)門的反饋開停信號(hào),調(diào)節(jié)閥的閥位反饋信號(hào),現(xiàn)場(chǎng)的液位、壓力等各種模擬量信號(hào),只要能設(shè)計(jì)出一個(gè)完善的對(duì)象仿真模型,就能得到和現(xiàn)實(shí)的設(shè)備裝置完全相同的效果。
3 虛擬XCU創(chuàng)建仿真
3.1 硬件控制器的仿真
首先安裝好新華DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件,在安裝目錄下面有一個(gè)VXCU的文件夾,里面包含了虛擬XCU的程序和配置文件,和真實(shí)的控制器(XCU)一樣,先要給控制器分配一個(gè)地址,該地址在整個(gè)DCS系統(tǒng)中要唯一;在一個(gè)系統(tǒng)中可以同時(shí)存在多個(gè)控制器,我們只需要將VXCU文件夾多復(fù)制幾個(gè),然后運(yùn)行相應(yīng)的VXCU的程序,一個(gè)個(gè)虛擬的控制器VXCU就在你的電腦內(nèi)存中建立完成了。
如何使用這些虛擬的控制器呢,下一步就需要運(yùn)行新華DCS控制系統(tǒng)的主控軟件,再運(yùn)行主界面中的XCU組態(tài)程序,選擇直接連接到XCU,輸入XCU的節(jié)點(diǎn)號(hào),就可以登陸到對(duì)應(yīng)的虛擬XCU控制器中,整個(gè)連接的過(guò)程和連接真實(shí)的硬件XCU完全一樣,一旦成功登陸,就可以和在線操作真實(shí)的控制器一樣進(jìn)行控制邏輯的組態(tài),組態(tài)方法也和真實(shí)的控制器是完全相同的。
3.2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的仿真
上面我們完成了硬件控制器XCU的仿真,控制邏輯運(yùn)算的結(jié)果需要發(fā)送的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,控制回路也需要現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量反饋信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,如何在沒有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的情況下獲取現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)呢,下面我們就來(lái)建立過(guò)程對(duì)象的仿真。
實(shí)際上我們是需要這樣一種算法,根據(jù)控制器輸出的信號(hào),通過(guò)延時(shí),然后產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的反饋信號(hào);通過(guò)流體設(shè)定的壓力,閥門的開度,容器的大小和運(yùn)行的時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算出液位的數(shù)值;只要我們?cè)O(shè)計(jì)出一個(gè)合適的算法,就可以通過(guò)計(jì)算模擬現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量信號(hào),這個(gè)過(guò)程就是要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)過(guò)程對(duì)象的仿真模型,我們完全可以將虛擬控制器作為一個(gè)載體,通過(guò)功能塊搭建出一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)備仿真模型算法。
見圖2,RSFLP是RS觸發(fā)器功能塊,TIMER是延時(shí)功能塊,該算法可以獲取電動(dòng)門的開和關(guān)的反饋狀態(tài),延時(shí)的時(shí)間可以在功能塊的參數(shù)中任意調(diào)整。
仿真模型的算法是整個(gè)仿真系統(tǒng)的核心部分,也是整個(gè)仿真系統(tǒng)建立的最大難點(diǎn),一個(gè)完善的仿真模型完全可以替代現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備,可用于對(duì)設(shè)備的調(diào)試和操作的培訓(xùn)。
3.3 虛擬控制器和虛擬設(shè)備的通訊
虛擬控制器和虛擬設(shè)備的仿真之間如何建立有效的通訊,這要看如何安排算法了,我們可以把DCS控制器的邏輯和設(shè)備仿真的邏輯放在同一個(gè)虛擬XCU中運(yùn)行,那么數(shù)據(jù)的交互只是在不同的組態(tài)頁(yè)之間傳遞,只要使用頁(yè)面I/O功能塊就可以實(shí)現(xiàn);如果我們把控制器的邏輯和設(shè)備仿真的邏輯放在兩個(gè)不同的虛擬XCU中運(yùn)行,這樣建立的虛擬DCS和真實(shí)DCS會(huì)更相似,那兩者之間的通訊就需要通過(guò)全局變量點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)I/O功能塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4 人機(jī)界面
4.1 操作界面的開發(fā)
有了控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,接下來(lái)就需要操作員站和工程師站了,也就是我們所說(shuō)的人機(jī)界面。其實(shí)我們運(yùn)行軟件的電腦就是一臺(tái)操作員站或工程師站,只要在電腦里面安裝好新華DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件,就是一臺(tái)監(jiān)視操作站,我們打開新華DCS控制系統(tǒng)的主控軟件XDCNET.EXE,再運(yùn)行主界面中的圖形生成和圖形顯示程序,就可以進(jìn)行操作界面的繪制和運(yùn)行。本次實(shí)驗(yàn)我們測(cè)試控制容器的液位,配置一個(gè)進(jìn)水電動(dòng)門、出水電動(dòng)門、出水調(diào)節(jié)閥,設(shè)置一個(gè)進(jìn)水壓力給定,液位顯示,具體的工藝流程見圖3。
4.2 操作界面和控制器的通訊
操作界面和控制器的通訊,在虛擬DCS中和真實(shí)的DCS中是完全一樣的,我們?cè)诮M態(tài)一個(gè)工程時(shí),需要根據(jù)I/O監(jiān)控表的數(shù)據(jù)建立全局的點(diǎn)目錄,全局點(diǎn)目錄主要定義了在節(jié)點(diǎn)間共享的全局點(diǎn)的定義信息,主要包括測(cè)點(diǎn)名、描述、所屬XCU號(hào)、分組分區(qū)信息、單位等,還隱含定義了測(cè)點(diǎn)的索引號(hào)。索引號(hào)是節(jié)點(diǎn)間共享該測(cè)點(diǎn)的重要信息。用戶須先組態(tài)好點(diǎn)目錄文件,然后再組態(tài)XCU和HMI,該部分的組態(tài)過(guò)程和真實(shí)的DCS的組態(tài)是完全一樣的。
根據(jù)工藝流程圖建立對(duì)應(yīng)閥門控制邏輯組態(tài)、對(duì)象仿真組態(tài)和畫面的組態(tài),運(yùn)行測(cè)試的效果和真實(shí)的DCS基本相似,并且通過(guò)PID參數(shù)的整定實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)操作狀態(tài)。
5 結(jié)束語(yǔ)
我們通過(guò)新華DCS系統(tǒng)的虛擬XCU建立了硬件控制器的仿真和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的簡(jiǎn)單仿真,可以在一臺(tái)電腦上面實(shí)現(xiàn)包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在內(nèi)的完整的DCS系統(tǒng),使用建立完善的仿真模型算法,仿真系統(tǒng)完全可以模擬實(shí)際的裝置運(yùn)行,對(duì)于DCS維護(hù)人員和工藝操作人員的培訓(xùn)學(xué)習(xí)具有重要的意義。
參考文獻(xiàn):
[1] XDC800系統(tǒng)使用手冊(cè)[Z].上海新華電子科技發(fā)展有限公司出版,2010.