CN103309321A - 一种应用于煤化工的冷态仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于煤化工的冷态仿真系统。本发明包括软件系统、硬件设备和网络通信三个部分，软件系统采用分散式设计方法，具体包括模型设计器、场景设计器、仿真服务器、主控台、教师站、客户端、OTS-DCS接口驱动、虚拟DCS控制站、DCS算法设计器、DCS操控平台和现场场景仿真平台。硬件设备由DCS中控室硬件部分和现场硬件部分构成。本发明为实训人员提供方便、安全、经济的模拟训练环境，并且有效地提高他们动手和思考能力，具有很强的实践性和可操作性。

Description

一种应用于煤化工的冷态仿真系统

技术领域

本发明属于仿真技术领域，涉及一种应用于煤化工的冷态仿真系统。

背景技术

在全球对替代化工原料和替代能源的需求越发迫切的背景下，中国的煤化工行业以其领先的产业化进度成为中国能源结构的重要组成部分。煤化工行业的投资机遇受到国际国内投资者的高度关注，煤化工技术的工业放大不断取得突破、大型煤制油和煤制烯烃装置的建设进展顺利，二甲醚等相关的产品标准也相继出台。随之而来的是现代煤化工生产技术的快速发展，生产装置大型化、生产过程连续化和自动化程度越来越高。由于生产工艺过程复杂，工艺条件要求严格，常伴有高温、高压、易燃、易爆、有毒、腐蚀等不安全因素，因此实训过程中不方便依靠实际生产装置来提高和培训运行人员的操作技能。目前针对60万吨新型煤气化制甲醇工艺，用于煤化工相关教学、学生实训、企业员工培训及煤气化专业方面的生产及控制单元全面技能考核的冷态模拟操作系统，全国几乎没有，故对提高学生的实践能力，增强学院培训企业员工及技能考核等社会服务能力等方面还很欠缺。

发明内容

本发明的目的是针对人员培训不便使用实际生产设备和安全问题，从培养实践能力以及职业培训需求出发，运用实训装备的硬件与技能训练仿真软件相结合的思想，提供一种应用于煤化工的冷态仿真系统。

本发明的技术方案是通过分散式软件系统，包括化工模型设计器、场景设计器、模型仿真服务、教师站、客户端、OTS-DCS接口驱动、DCS虚拟控制站、DCS监控操作平台、现场模拟平台等部分；硬件设备，包括DCS中控室硬件部分和现场硬件部份；以及网络通信部分，重点是DCS控制柜通过局域网与中控室DCS监控系统进行网络通信，构建应用于煤化工的冷态仿真系统，用于煤化工生产操作人员的实训。

煤化工仿真培训系统的软件系统采用分散式设计方法，根据系统搭建需求，设计了化工模型设计器、场景设计器、模型仿真服务、教师站、客户端、OTS-DCS接口驱动、DCS虚拟控制站、DCS监控操作平台、现场模拟平台等功能软件。软件系统设计的特点是：各部分通过相关协议实现信息互通，都具备网络功能，可以实现网络化通信配置；采用模块化的架构设计方式能够将减少系统的耦合性，在系统开发阶段有益于任务的分散实施、集中调试，增强系统的通用性；各功能块分开设计在某一部分出现问题或者需要有了更好的优化方式时，可以快速修复更新，易于系统的维护。煤化工仿真培训系统硬件设备由DCS中控室硬件部分和现场硬件部分构成，其中中控室中安装的硬件部分包括系统服务器一台、教师机一台、DCS监控计算机8台、现场场景模拟计算机4台，并且DCS监控计算机和现场场景模拟计算机可根据实际需要进行调整。现场硬件设备包括整个煤化工生产线中的冷凝器、分离塔、换热器、蒸馏塔、气化炉等生产设备和电动调节阀、手动调节阀、显示仪表、泵、电机、现场控制柜、DCS控制柜等电气设备。煤化工仿真培训系统中网络通信部分是DCS控制柜通过局域网与中控室DCS监控系统进行网络通信。现场的显示仪表和阀门、泵、电机等通过4-20mA电流信号与连接到DCS控制柜中的IO板卡上。其中仪表和自动调节阀连接到IO板块的AO端子排上；现场手动阀、泵、电机则连接到IO板卡的AI端子上。现场显示数据流和控制数据流在系统中的传输方式。

本发明有益效果：这种仿真系统基于自动化检测传感执行装置、化工模型设计器和DCS控制系统进行仿真模拟，为实训人员提供方便、安全、经济的模拟训练环境，并且有效地提高他们动手和思考能力，具有很强的实践性和可操作性。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的冷态半实物仿真培训系统架构图。

图 2是本发明的煤化工冷态半实物仿真培训系统硬件连接图。

图 3是本发明的仿真培训系统数据流向框图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：如图1、图2和图3所示，本实施例提供了一种应用于煤化工的冷态仿真系统，包括软件系统、硬件设备和网络通信三个部分。

本发明一种应用于煤化工的冷态仿真系统具体实现过程如下：

(1)采用分散式设计方法搭建煤化工仿真培训软件系统

a.模型设计器

模型设计器是整个仿真系统的关键部分，决定了化工过程模拟的准确性。模型仿真器的设计是基于模块化的，首先基于基本的物理和化学守恒定律（动量守恒、质量守恒以及能量守恒等）对化工中的换热器、冷凝器、分离塔、洗涤塔、泵、调节阀、泵等设备首先建立基于机理的数学模型，然后将每种单体设备的模型做成IO接口以及内部参数控制的组件。在建立工段仿真模型时，分析当前设计工段中用到的单元组件，根据整个工艺流程应用建立的单体设备搭建工段模型，通过优化各组件的参数，构件稳定可靠的化工模型，并根据工艺参数要求设计开车、稳态、停车、故障等快照。

b.场景设计器

场景设计器是模型设计器和仿真服务器之间的桥梁，通过场景设计器将模型设计器设计好的模型文件以及开车快照、停车快照、稳态快照和各种故障快照加载到工程中，并通过场景设计器，建立仿真培训系统练习考评体系。根据实际企业生产线中开车、停车、故障的操作手册，分别设计对应的考评规则、考评项以及各考评项的权值等内容。另外，场景设计还负责将各工段的仿真模型整合到一起，构建由多工段组成的完整化工仿真模型工程。场景设计器还具备对允许登陆的客户端数目、教师站数目以及各个客户端和教师站的用户名和密码等登陆信息进行编辑的功能。场景设计器的另一重要功能是将设计好的仿真模型工程下装到仿真服务器中，完成模型文件的信息完善和传递。 

c.仿真服务器

仿真服务器是仿真服务平台的核心处理器，仿真服务器负责对仿真模型进行方程求解和运算，同时仿真服务器还具备同时与客户端、主控台、教师站的实时通讯功能，能够及时的获取客户端和教师站上的控制信号并将这些参数值应用到计算和求解中，将运算中的温度、压力、液位、流量等参数值实时传输给教师站和客户端。仿真服务器还具备故障诊断功能，在仿真过程出现故障或者模型求解出现无解时，能及时的将信息提供给主控台，供调试人员和用户及时的发现并处理故障和错误。

d.主控台

主控台主要功能是对仿真服务器的启停控制，并记录和显示在仿真过程出现故障和错误等调试信息，为仿真系统的开发调试和日后维护提供了便利。除此之外，主控台还具备实时显示本系统登录的客户端数、教师站数已经相应登录用户的用户名等登录信息。

e.教师站

教师站是企业工程师或者学校老师操控整个仿真培训系统的终端。教师站主要功能是供教师选择要培训的工段和培训工段的仿真场景，可以控制具体模型仿真的启动、冻结和停止。另外，教师站可以对仿真模型中关键点进行实时值的监控，并对开车练习、停车练习以及故障练习进行考评和自动计算加权平均成绩。为学员培训的效果提供了量化成绩参考。

f.客户端

客户端是OTS仿真服务平台提供的用来与DCS等第三方软件通信的端口，同时支持直接查询模型中具体设备的各个参数信息。客户端支持通过OPC协议或自定义协议与各厂家的DCS通信功能，客户端与仿真服务器之间通过自定义协议通信，可以布置到同一网段的各计算机中通过网络实现与仿真服务器的实时通信功能。

g.OTS-DCS接口驱动

OTS-DCS接口驱动主要是实现DCS与OTS无缝通信的。客户端通过动态链接库加载和访问该驱动接口，这样保证了他们之间通信的实时性和快速性。该驱动与DCS控制站之间采用了数据广播方式进行通信，接口部分主要设计的功能包括：连接DCS控制站、断开DCS控制站、创建DCS快照、启动DCS控制站、删除DCS快照、冻结DCS快照、停止DCS控制站、以及DCS控制数据点的ID号、读DCS控制站数据、写DCS控制站数据等。在系统正常运行过程中，现场的泵、阀信息和DCS操控平台上的自动调剂阀、手动调节阀的开度信息通过该驱动传输给OTS仿真服务平台，同时将OTS仿真服务平台上的温度、压力、流量、液位等信息实时传递到虚拟DCS中，该部分详细情况将在后面章节重点讲解。

h.虚拟DCS控制站

DCS控制站是整个系统架构的又一关键节点。它承担着DCS控制系统内部算法的运算求解，同时负责与仿真服务平台、DCS操控平台以及现场场景模拟平台的数据交互。由DCS算法编辑器编辑生成的控制文件下装到虚拟控制站中，DCS控制站根据所下装的DCS控制工程，实现对接收到的数据进行工程量程转换、PID控制、顺序控制、连锁控制等控制计算。在虚拟DCS控制站收到OTS－DCS驱动发来的启动信息时，根据启动信息启动对应的场景快照，然后根据来自教师站的运行指令开始控制算法运算和数据信息传递。

i.DCS算法设计器

DCS算法设计器是DCS控制算法程化的软件，它支持FBD程序设计、LD程序设计、SFC程序设计、ST程序设计、TL程序设计等多种程序设计方式。在应用时，根据工程控制要求，编写对应的控制算法程序，然后通过网络下装到虚拟DCS中进行运算求解。系统控制算法的设计与优化即是在该软件中实现的。

j.DCS操控平台

DCS操控平台是DCS系统的重要组成部分，该平台采用企业正式的DCS组态监控软件设计而成，在界面和风格上都与企业正式DCS操控平台保持一致，该平台安装在DCS中控室，供学员监控虚拟工厂——仿真服务平台的运行情况，深化学员对自动化生产系统的认识，进而掌握自动化生产系统的控制理论基础和实际操控方法。

k.现场场景仿真平台

现场场景仿真平台在软件设计上与DCS监控平台类似，该部分也是应用DCS组态监控软件设计实现的。该部分主要功能是将煤化工生产线应用软件绘制出模拟场景，将生产线中需要现场操作的阀门、泵、电机等设备做成界面上可操控的图形化的形式。这种方式下，学员不用到现场查找阀门等设备即可完成需要现场操作的步骤，方便工艺过程理论知识讲解和人员较少无法完成现场实际设备操控时使用。

(2)煤化工仿真培训系统的硬件构成

煤化工仿真培训系统的硬件由DCS中控室硬件部分和现场硬件部分构成，中控室中安装的硬件部分包括系统服务器一台、教师机一台、DCS监控计算机8台、现场场景模拟计算机4台，其中DCS监控计算机和现场场景模拟计算机可根据实际需要随意调整。现场硬件设备包括整个煤化工生产线中的冷凝器、分离塔、换热器、蒸馏塔、气化炉等生产设备和电动调节阀、手动调节阀、显示仪表、泵、电机、现场控制柜、DCS控制柜等电气设备。

化工仿真培训系统的软件安装到中控室的仿真服务器、教师站、DCS操作员站、现场场景模拟计算机中。具体安装情况如下：

a.模型设计器、DCS算法设计器为系统开发人员设计所用，在仿真培训系统中安装后，只用于下载工程文件；

b.场景设计器、主控台、仿真服务器安装到系统服务器中；

c.教师站、客户端、OTS-DCS接口驱动、虚拟DCS控制站、DCS组态监控软件安装到教师机中；

d.DCS监控软件分别安装到DCS操作员站的计算机中和现场场景模拟计算机中。

(3)采用局域网现实DCS控制柜和中控室DCS监控系统的网络通信。

现场的显示仪表和阀门、泵、电机等通过4-20mA电流信号与连接到DCS控制柜中的IO板卡上。其中仪表和自动调节阀连接到IO板块的AO端子排上；现场手动阀、泵、电机则连接到IO板卡的AI端子上。

DCS控制站接收由接口机和操作员站的信息包，根据数据的ID将数据存入DCS数据库中对应的位号内；同时DCS控制站从I/O端口读取现场手动阀门所对应的4～20mA信号并转化为0～100的开度信号值，然后存入RDB数据库对应位号内。DCS控制站根据所下装的DCS控制工程，实现对接收到的数据进行工程量程转换、PID控制、顺序控制、连锁控制等控制计算。DCS控制站对处理后的数据进行输出时采用了多种输出方式；DCS控制站与培训接口机和操作员站的通信采用广播方式，DCS控制站将所有数据量和数据ID打成数据包并添加信息包后广播到DCS系统网；DCS与实操实训设备上的自动阀和现实仪表的通信采用4～20mA的标准信号，DCS控制站将数据库数据转化为4～20mA电流信号从数据ID所配置的I/O端口输出到现场设备，参见图3，图中A表示DCS操作站指令数据流向，B表示现场手动阀门操作数据流向，C表示DCS自动控制调节阀开度数据流向，D表示仿真模型对象参数据流向。

Claims (1)

1. 一种应用于煤化工的冷态仿真系统，包括软件系统、硬件设备和网络通信三个部分，其特征在于：

所述的软件系统采用分散式设计方法，具体包括模型设计器、场景设计器、仿真服务器、主控台、教师站、客户端、OTS-DCS接口驱动、虚拟DCS控制站、DCS算法设计器、DCS操控平台和现场场景仿真平台；

所述的模型设计器，其设计是基于模块化的，首先基于基本的物理和化学守恒定律对化工中的换热器、冷凝器、分离塔、洗涤塔、泵、调节阀、泵建立基于机理的数学模型，然后将每种单体设备的模型做成IO接口以及内部参数控制的组件；在建立工段仿真模型时，分析当前设计工段中用到的单元组件，根据整个工艺流程应用建立的单体设备搭建工段模型，通过优化各组件的参数，构件稳定可靠的化工模型，并根据工艺参数要求设计开车、稳态、停车、故障快照；

所述的场景设计器是模型设计器和仿真服务器之间的桥梁，通过场景设计器将模型设计器设计好的模型文件以及开车快照、停车快照、稳态快照和各种故障快照加载到工程中，并通过场景设计器，建立仿真培训系统练习考评体系；根据实际企业生产线中开车、停车、故障的操作手册，分别设计对应的考评规则、考评项以及各考评项的权值；另外，场景设计还负责将各工段的仿真模型整合到一起，构建由多工段组成的完整化工仿真模型工程；

所述的仿真服务器是现场场景仿真平台的核心处理器，仿真服务器负责对仿真模型进行方程求解和运算，同时仿真服务器还具备同时与客户端、主控台、教师站的实时通讯功能，能够及时的获取客户端和教师站上的控制信号并将这些参数值应用到计算和求解中，将运算中的温度、压力、液位、流量参数值实时传输给教师站和客户端；

所述的主控台主对仿真服务器的启停控制，并记录和显示在仿真过程出现故障和错误；

所述的教师站是企业工程师或者学校老师操控整个仿真培训系统的终端；

所述的客户端是仿真服务平台提供的用来与DCS第三方软件通信的端口，同时支持直接查询模型中具体设备的各个参数信息；

所述的OTS-DCS接口驱动主要是实现DCS控制系统与仿真服务平台无缝通信；

所述的虚拟DCS控制站承担着DCS控制系统内部算法的运算求解，同时负责与仿真服务平台、DCS操控平台以及现场场景仿真平台的数据交互；

所述的DCS算法设计器是DCS控制算法程化的软件，它支持FBD程序设计、LD程序设计、SFC程序设计、ST程序设计或TL程序设计；

所述的DCS操控平台采用企业正式的DCS组态监控软件设计而成，在界面和风格上都与企业正式DCS操控平台保持一致；

所述的现场场景仿真平台是将煤化工生产线应用软件绘制出模拟场景，将生产线中需要现场操作的阀门、泵、电机做成界面上可操控的图形化的形式；

所述的硬件设备由DCS中控室硬件部分和现场硬件部分构成，中控室硬件部分包括系统服务器一台、教师机一台、DCS监控计算机八台、现场场景模拟计算机四台；现场硬件设备包括整个煤化工生产线中的生产设备和电气设备，所述的生产设备包括冷凝器、分离塔、换热器、蒸馏塔、气化炉；所述的电气设备包括电动调节阀、手动调节阀、显示仪表、泵、电机、现场控制柜、DCS控制柜

所述的网络通信具体是：DCS控制站接收由接口机和操作员站的信息包，根据数据的ID将数据存入DCS数据库中对应的位号内；同时DCS控制站从I/O端口读取现场手动阀门所对应的4～20mA信号并转化为0～100的开度信号值，然后存入RDB数据库对应位号内；DCS控制站根据所下装的DCS控制工程，实现对接收到的数据进行工程量程转换、PID控制、顺序控制、连锁控制；DCS控制站对处理后的数据进行输出时采用了多种输出方式；DCS控制站与培训接口机和操作员站的通信采用广播方式，DCS控制站将所有数据量和数据ID打成数据包并添加信息包后广播到DCS系统网；DCS与实操实训设备上的自动阀和现实仪表的通信采用4～20mA的标准信号，DCS控制站将数据库数据转化为4～20mA电流信号从数据ID所配置的I/O端口输出到现场设备。

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