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本文作者：錢景輝王斯輝工作單位：南京工業大學

隨著計算機技術的不斷發展，流程工業過程控制的仿真技術不斷進步，但是當前大部分的仿真系統或多或少會存在以下問題：1）由數學模型建立單元操作模塊逐步集成形成的過程控制仿真系統，存在著建模困難、運算復雜、模型欠缺穩定性等缺點[4]，對于工藝復雜、計算量巨大的流程工業過程控制模型來說，這種建模方法是不合適的。2）缺乏統一的數據接口與其他軟件平臺進行數據傳遞，導致仿真系統集成度低、模塊之間缺乏數據交互。3）缺乏數據的有效存儲管理，造成大量仿真數據的浪費，數據的利用效率低下。4）缺乏人機交互平臺，造成用戶的控制操作和數據采集、修改等工作復雜，工作效率低下，對于不熟悉仿真技術的底層操作人員來說，學習新系統、掌握新工藝、熟悉操作流程等內容的過程繁雜。針對流程工業過程控制仿真系統的功能需求和當前存在的問題，本文提出一個流程工業過程控制仿真平臺的構架設計[5-6]，如圖1所示。流程工業過程控制仿真平臺從架構上分為HYSYS流程模擬模塊、Honeywell先進控制模塊、多層次人機交互模塊、數據存儲管理模塊和通信接口組成。流程模擬采用專用建模軟件HYSYS動態模擬平臺實現，HYSYS穩態模擬實現的穩態模型作為動態模型的輔助研究模型。HYSYS流程模擬平臺由通信接口模塊實現與先進控制模塊、數據存儲管理以及人機交互模塊的數據通信。Honeywell先進控制模塊主要功能是實現控制理論中的一些算法和策略，通過通信接口實現對被控對象的數據讀取，根據設計好的控制策略進行控制。多需求人機交互模塊滿足兩種典型的交互需求，通過底層模塊集成的開發技術實現了研發交互模塊，通過數據通信接口實現了培訓交互模塊。數據存儲管理模塊由實時數據HoneywellPHD和關系數據庫Oracle組成，存儲的數據作為流程企業的基礎數據，對于實際生產運行、成本核算、質量管理、生產調度等業務過程的持續改進具有重要的意義。

流程工業過程控制仿真平臺的實現

HYSYS流程模擬模塊采用流程模擬軟件HYSYS作為開發平臺，對流程工業過程控制系統被控對象進行穩態模擬和動態建模。專用建模軟件HYSYS集成了各種化工單元程序庫、物性計算程序包和解算方法庫，具有極高的精度和準確性，動態模擬是它的優勢。同時HYSYS提供了大量的圖形化單元模型和簡單的輸入輸出界面，使得用戶對模型的搭建、參數設定、數據查看、校正因子調整等操作方便快捷。建立模型時，根據實際的工藝流程，完成流程圖的建立。將現場調研得到的各裝置設備參數、從過程歷史數據庫采集的過程操作參數和通過LIMS數據庫獲得的原料產品分析數據作為整個流程的輸入參數，完成模型建立。啟動模型計算便可獲得模型計算得到的各裝置物流、能量流的相關結果數據。HYSYS具有多種和其他軟件進行數據交互的通信接口，為上位機的數據采集提供了基礎，保證了底層數據向上集成，提高了數據的利用率。HYSYS模型的裝置設備參數、操作過程參數、產品分析參數等相對穩定的靜態數據和模擬計算過程中產生的物料流參數、能量流參數、校正因子調整計算結果等大量的仿真數據通過通信接口與先進控制模塊、人機交互模塊、數據存儲管理模塊進行數據交互，被集成到仿真平臺的各個部分，作為該仿真平臺實驗開發和功能應用的數據源。先進控制模塊仿真平臺中的先進控制模塊，利用流程模擬技術獲得較為完備的數據，實現控制理論中一些算法，并進行分析，獲得最佳控制方案，這樣會更貼近于實際生產過程，采用這種跟工業現場相似的系統結構有助于研究系統故障、動態監控、純滯后等問題。先進控制模塊采用兩種實現形式，一種是集成在流程模擬平臺動態模型中的控制模塊，一種是由Honeywell先進控制模塊實現的控制模塊。Honey-well先進控制模塊由實時數據庫HoneywellPHD通過OPCSERVER對流程模擬模塊進行數據采集，作為它的數據源，這樣PHD中的大量數據就可以用來實現控制算法研究實驗。由于在工程應用中涉及到PID控制和預測控制比較多，因此本文只著眼于這兩種控制理論。仿真平臺使用HYSYS流程模擬平臺中都集成的控制單元，對運行已經達到穩態的裝置模型添加PID控制器，設定相關PID參數，進行PID控制的模擬，獲得模擬結果。在Honeywell平臺上實現了預測控制，將模擬模型的輸入輸出數據文件導入到HoneywellPDS，以導入的數據文件中的數據為基礎，實現模型辨識和預測控制。人機交互模塊（1）研發交互系統流程工業過程控制仿真系統的一項重要功能是用于對實際流程的研發試驗，對應于這一功能，一個用于對工藝流程以及控制策略等科研試驗的交互系統是必備的。研發交互模塊提供一個專門用于大量參數分析以及調整的交互系統。AspenSimulationWorkbook（ASW）是Aspen公司提供人性化人機界面的軟件，它能夠把HYSYS的模型和Excel連接起來，還提供把模型數據和工業現場采集的數據做交互的功能。本系統通過ASW和VBA編程完成研發交互模塊的設計。這樣，建模者可以通過Excel來展示自己的模型，使得非專業人員也可以對模型進行操作。（2）培訓交互模塊流程工業過程控制仿真系統的另一項功能是操作培訓。人機交互平臺提供的培訓交互系統能夠讓操作人員盡快熟悉新工藝、新的控制策略，學習故障維護、設備操作等內容。仿真平臺的培訓交互系統采用B/S結構，技術開發的web頁面為前臺展示界面，利用OPC接口和COM接口與HYSYS流程模擬模塊進行數據交互，一方面可以獲得底層模型的仿真數據，對模型的輸入數據進行各種設置、啟動或停止模型的運行，另一方面學習掌握過程控制系統的相關工藝流程、設備參數、過程操作參數等內容。企業人員可以通過不同權限的用戶名和密碼進入該系統，在瀏覽器上直觀地觀察和操作HYSYS模擬計算和學習各項培訓內容。數據存儲管理模塊數據存儲管理模塊是過程控制企業信息化的基礎數據平臺。使用數據存儲管理是進行控制系統監控、系統先進控制和優化控制的基礎，并為企業的生產管理和調度、數據分析、決策支持提供實時數據服務和多種數據管理功能。數據存儲管理模塊由實時數據庫HoneywellPHD和關系數據庫SQLServer組成。實時數據庫Honeywell壓縮和存儲過程控制系統產生的大量過程歷史數據，這些數據的有效利用對企業綜合生產效率的提高有著很大作用。關系數據庫Oracle在仿真平臺中起到了數據存儲和信息管理功能，通過內部建立關系表存儲流程模擬系統中物性數據、裝置設備參數、原料產品數據等，這些數據作為人機界面WEB展示和其他擴展應用程序的數據源。通信接口流程工業過程控制仿真平臺各個模塊都是由不同的軟件技術實現的，所以該平臺通過使用多種計算機接口技術完成了這些軟件之間的數據通信，實現了仿真平臺的數據高度集成和模塊間數據交互。如圖2所示為該平臺通信接口的具體實現方法，其中HoneywellPHD是先進控制模塊和實時數據庫的數據載體，Oracle是關系數據庫的數據載體，Ex-cel和分別是人機交互模塊中研發交互系統和培訓交互系統的數據載體。采用VisualC++提供的一套基于模版C++類庫的ATL（ActiveTemplateLibrary）方式，實現了一個基于HYSYS的OPCSERVER，在HoneywellPHD和中分別調用其集成的OPC接口可以對OPCSERVER進行數據讀取，完成與HYSYS數據交互。研發交互模塊采用HYSYS提供的ASW接口，通過VBA編程實現與MicrosoftExcel的連接和數據讀寫。培訓交互模塊中通過在其開發環境中添加HYSYS的COM組件引用，由HYSYS2006.5TypeLibrary中提供的一系列對象和方法完成與HYSYS數據的交互。同時通過接口技術讀取和修改關系數據庫Oracle中以表形式存儲的相關數據。HoneywellPHD采集的數據存儲到關系數據庫Oracle是通過PHD提供的API函數庫，采用C#開發的一個服務安裝到服務器實現的。

應用案例

以某煉油廠加氫裂化裝置為例，展示本仿真平臺的應用情況。該流程中，原料油首先在精制器和裂化器進行反應，經過高低壓分離器，進入硫化氫汽提塔，然后再經過分餾塔分餾出輕石腦油、柴油、尾油等產品，如圖3所示在HYSYS工程中配置好流體包、物性數據包、熱力學方法等[7]，按照加氫裂化工藝流程對反應器部分和分餾器部分的操作單元工藝參數和物流參數等進行設置，對反應模塊與分餾模塊集總進行轉換[8-9]，完成初步的建模。可以通過基于ASW的研發交互模塊人機界面，在Excel上導航界面進入數據輸入界面，查看導入的數據（如圖4所示為Excel輸入界面上硫化氫汽提塔裝置的部分輸入變量值），或手動修改數據。所有子裝置的設備參數、操作過程參數和進料參數輸入完整后，啟動加氫裂化的全流程模擬進行計算。同樣，查看模擬結果的時候也不必在HYSYS的操作界面上完成，而是可以直接在研發交互模塊人機界面Excel上通過導航頁的方式查看相關模擬結果，如圖5所示為Excel研發交互模塊中查看到的產品柴油和尾油的相關指標。加氫裂化仿真平臺預測控制的仿真實驗在Honeywell先進控制平臺上實現。通過OPCSERVER將數據存儲在PHD中，這樣PHD中的大量數據就可以用來實現研究實驗。將Honeywell采集到的輸入輸出數據文件導入到HoneywellPDS中，從導入的數據文件辨識出系統模型。根據模型的系統函數建立控制器，設定控制參數和控制變量的上下限后，啟動控制器，系統預測出變量值，對模型進行預測控制，如圖6所示為該仿真平臺上開發的預測控制實驗的系統函數和預測控制效果。該仿真平臺開發的培訓交互平臺，可以使流程工業企業員工遠程使用瀏覽器進入流程工業過程控制仿真系統的培訓操作平臺，學習工藝流程、故障維護等知識，啟動、操作加氫裂化流程模擬、查詢模擬結果數據等[10]，圖7所示為查詢到的加氫裂化流程硫化氫汽提塔和分餾器相關的模擬數據。

采用VC、VB、COM組件、、數據庫等多種計算機技術實現的流程工業過程控制仿真平臺集被控對象建模、流程模擬，數據集成、先進控制、數據存儲管理、人機交互等內容于一體，量表維護工時。2.4采集器的軟件實現采用領先的電力線載波通訊技術實現與集中器的通訊，PLC單相模塊在電力線路不好的情況下互為中繼傳送數據，降低成本，實現通訊距離的有效增加；以MBus總線方式與超聲波熱量表通訊，超聲波熱量表帶有MBus總線接口，支持采集器對MBus總線的自動組網功能，超聲波熱量表接入MBus總線即可被識別，不需要采集器或上位機再輸入熱量表地址信息，即可自動投入使用。同時，該功能還大大降低了MBus總線上增減或調換熱量表所需要的技術難度和工作量；采用工業級集成電路及智能化監控措施，性能穩定安全可靠；采用大容量FLASH，便于備份重要數據，加上CRC校驗，存儲的數據更加安全可靠；采用嵌入式Linux操作系統，使用戶操作更加方便，系統可擴展性更強；使用看門狗技術，防止出現死機故障。3綜合測試按照圖1所示把集抄系統搭建好，即戶用熱量表—Mbus—門棟采集器—PLC—小區集中器—GPRS/Internet—供熱管理中心服務器。在服務器的熱計量收費管理系統上進行各種操作來測試系統功能。主要操作如下：（1）設置集中器號，逐級下載采集器列表、表號列表。（2）點抄某一塊熱量表的數據，輪抄集中器下所有表的數據或某一時間段的歷史數據，并在服務器上依次顯示。（3）讀采集器、集中器狀態字，查看是否存在異常，如MBFus短路，PLC通信是否正常等。綜合分析熱量表狀態字、供回水溫度、瞬時和累計流量等信息，智能判定熱量表故障。（4）廣播校時。整個系統時間一致，利于定時抄表和管理。（5）系統自組網功能的測試。增加采集器數量、熱量表數量，更換熱量表，刪除熱量表，即可被系統自動識別；加大集中器和采集器之間的距離，通信正常。以上功能已經通過了反復測試，證明該系統可實際應用。4結語本文主要介紹了一種基于復合通信方式（MBus/PLC/GPRS/Internet）的熱計量信息遠程傳輸系統。介紹了該系統的結構，集中器和采集器的軟硬件設計，電力載波的自組網功能，以及MBus總線的即插即用功能。反復的功能測試說明該系統能夠及時準確以及低成本地實現熱計量信息的遠程傳輸。