CN104020725A - 基于组态软件的水泥生产dcs仿真培训系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于组态软件及DCS控制器的用于DCS操作培训的全虚拟仿真系统，完全按照真实水泥生产线DCS现场情况进行配置和虚拟，为学员学习和掌握DCS组态编程和现场操作提供了非常好的培训平台。学员通过该平台熟悉DCS操作界面，了解现场DCS配置，掌握整个水泥生产线设备的配置和联锁控制要求、组态程序编程、水泥工艺状态的正确识别、设备的正确操作等。本系统具有明确的水泥生产DCS仿真培训系统架构及灵活可变的硬件配置；实现了无需任何实际现场生产设备接入的全虚拟水泥生产线仿真；通过组态软件对所有现场设备的信号，主要包括数字量信号和模拟量信号，以及设备的正常启停和运行控制进行仿真实现；具有完善的水泥生产DCS操作培训和考评功能。

Description

基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统

技术领域

本发明为基于组态软件的水泥生产线DCS仿真控制培训系统，属于水泥生产技术领域。

背景技术

水泥生产是一个连续复杂的生产过程，整个水泥生产环节具有工艺复杂、历史趋势众多，操作难度大等控制难点，而且传统的水泥生产操作培训须在水泥生产现场进行，给培训带来很大的不便，而且耗费的时间和资源都比较多，已不能满足目前培训要求，因此开发水泥生产环节仿真培训系统尤为重要。而且现阶段，大多数现代旋窑生产线都实现了DCS控制，对生产过程的各历史趋势进行全面监测，并将操作人员的操作指令下发给执行机构。由于 DCS 在水泥厂的逐渐推广应用，运行人员逐步从以往的面向仪表、盘台转为面向计算机屏幕，用鼠标和键盘完成主要的运行操作。在这种情况下，开发适合水泥厂运行人员培训的水泥生产环节DCS控制仿真培训系统就势在必行，而计算机技术的飞速发展，网络技术和多媒体技术的广泛应用，亦为开发此仿真培训系统提供了条件。

全虚拟的水泥生产仿真培训系统不仅节省了培训时间和培训成本而且有助于学员全面了解水泥生产过程的工艺和掌握水泥生产控制系统的动态特性，提高对生产过程的运行和控制能力。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供的水泥生产线DCS仿真控制培训系统，完全按照水泥生产过程DCS实际现场情况进行系统仿真，旨在为学员提供良好的学习平台，并对学员的学习掌握程度进行考核。学员通过该仿真培训平台可以快速熟悉水泥生产环节的整个工艺流程和DCS组态操作界面，掌握水泥生产现场DCS配置、设备的配置、设备的运行和控制等，最终达到对整个水泥生产线的电气控制特点、联锁控制要求、工况判定及故障处理等的全面掌握，达到对设备状态正确识别与正常操作的要求。

本发明采用以下技术方案。

基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

包括上位机装置、网络系统装置和下位机装置，所述上位机装置和下位机装置通过所述网络系统装置实现通讯，所述上位机装置、下位机装置上运行组态软件；

所述上位机装置和下位机装置包括人机交互界面仿真模块、设备信号仿真模块、设备控制仿真模块、培训及考评模块；

所述人机交互界面仿真模块模拟实际DCS的操作员站配置，包括历史趋势显示界面及监控界面，显示工艺流程图、历史趋势、操作面板以及故障报警；

所述设备信号仿真模块包括设备数字量信号仿真子模块、设备模拟量仿真信号子模块、设备信号与信号之间关系仿真子模块，均利用所述组态软件中的自定义功能块仿真实现，无需接入任何实际水泥生产现场设备，所有现场设备的信号都利用组态软件和其所基于的硬件平台共同仿真实现；

所述设备控制仿真模块包括单个设备的启停控制仿真子模块、各个站设备组的联锁启停控制仿真子模块、开关量监控子模块、模拟量监控子模块、PID控制子模块、模拟量累计控制子模块；

所述培训及考评模块包括逻辑控制培训子模块、模拟量培训子模块、故障排除培训子模块和学员培训结果考核子模块。

进一步的，本发明提供的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述上位机装置为单台计算机或两台计算机中的一种，既做工程师站又兼做教官站和学员站，安装包括上位机组态编程软件和下位机界面显示操作软件的整套组态软件；

所述下位机装置为单台控制器，加载整个组态控制程序来控制现场设备信号仿真模块的运行。

进一步的，本发明提供的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述上位机装置为至少三台计算机，以实现工程师站、教官站和学员站分离，工程师站和教官站安装包括上位机组态编程软件和下位机界面显示操作软件的整套组态软件，学员站只安装下位机的界面显示操作软件；

所述下位机装置为至少两台控制器，将不同水泥过程站的组态程序加载到不同的控制器来控制现场设备信号仿真模块的运行；

所述网络系统为由路由和网线搭建的局域网。

进一步的，本发明提供的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述自定义功能块包括开关量仿真模块、模拟量仿真模块、电机功能块、故障仿真模块下级模块；当开关量仿真模块的面板上有备妥按钮按下时，模块内会输出一个备妥信号给控制程序中的电机功能块，该备妥信号即是实际生产现场电机备妥信号的虚拟；当给模拟量仿真模块面板上的模拟变量赋值后，该值即虚拟了该模拟变量的现场值，如果所给出的值超出了该模拟变量的最大限值，则会发出报警信号。

进一步的，本发明提供的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述设备信号与信号之间关系仿真子模块，对水泥生产线中设备的备妥、驱动、运行、故障、开关限位、正反转数字量信号进行逻辑运算；当按下开关量仿真块的按钮时，虚拟模板上有原始备妥信号按钮，按下按钮模块内会输出一个备妥信号给控制程序中的设备程序，当检测有无故障后会输出一个设备备妥信号，该备妥信号即是实际生产现场设备备妥信号的仿真，设备程序即是实际生产现场设备的仿真，然后再将控制程序里设备功能块自带面板中的驱动按钮按下时，备妥信号和驱动信号便同时具备，则通过开关量控制内部处理，产生一个设备已经运行的信号作为设备功能块的输出信号，让控制程序认为设备已经正常启动；

按下故障仿真模块中的故障按钮，开关量控制功能块输出一个故障信号传回给控制程序，控制程序认为设备此时有故障，无法正常启动，故障仿真模块仿真每个设备的故障按钮，按下时可让设备产生虚拟的故障信号。

进一步的，本发明提供的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述学员培训结果考核子模块，包括教官和学员两类下级界面模块，教官界面可修改设备及历史趋势的状态变量，学员界面将随之显示不同的工况，学员根据界面显示对工况进行识别、判断并进行相应操作，学员判别及操作的相关数据将通过历史趋势和笔录的方式进行记录并考核成绩。

进一步的，本发明提供的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述实现仿真的水泥生产现场设备包括生料磨站设备、窑头站设备、窑尾站设备、煤粉制备站设备。

进一步的，本发明提供的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述生料磨站设备包括：1号收尘风机，斜槽风机，斗式提升机，脉冲收尘器电控箱，螺旋输送机，下料器；2号收尘风机，斜槽风机，脉冲收尘器电控箱，斗式提升机，下料器；取样器；磨主电机、主轴承、滑履轴承的稀油站，磨主电机的液体变阻器、定子加热器、冷却风机；3号、4号、5号斜槽风机；胶带输送机；选粉机；水泵房水泵；上述设备中，数字信号包括风机的备妥、驱动、故障、报警和停止信号，斗式提升机的备妥、驱动、故障、报警和停止信号，磨主电机的的备妥、驱动、故障、报警和停止信号，下料器的的备妥、驱动、故障、报警和停止信号，电控箱的工作、备妥、故障、停止和指示灯信号；模拟信号主要包括输送机的电流及电流给定，稀油站低压压力、高压压力、供油温度、邮箱温度，立磨慢驱变频速度反馈、电流反馈，喷水阀开度反馈及给定，选粉机变频速度反馈、电流反馈，选粉机轴承温度，生料磨主电机定子温度、轴承温度，控制柜功率，以及压力信号；

所述窑头站设备包括：喷油装置、篦冷机的传动电机、喷油泵、循环泵、篦床；熟料库底的胶带输送机；窑头高压引风机；熟料输送收尘器；熟料链斗式输送机；上述设备中，数字信号主要包括喷油装置电机的备妥、运行，篦冷机传动电机的备妥、运行，篦冷机篦床备妥、运行和故障，篦冷机各个油泵的运行，篦冷机循环泵的备妥、运行和故障，熟料库底胶带输送机的备妥、运行，轻跑偏、重跑偏，窑头高压引风机变频的备妥、运行、故障、报警和充电，熟料输送收尘器的备妥、运行、故障，链斗式输送机的速度检测、备妥、运行、故障等等；模拟信号主要有篦冷机传动电机电流，篦床开关速度反馈，油泵出口压力，窑头高压引风机变频电流反馈和速度反馈，以及各类电流和速度的给定，熟料库料位；

所述窑尾站设备包括：窑尾密封油泵，冷却风机，窑主电机，窑尾空气炮，窑液压挡轮油站，窑减速器供油站，胴体冷却风机；上述设备中，数字信号主要包括窑尾密封油泵的备妥、运行，冷却风机的备妥、运行，窑尾气动蝶阀开关限位、备妥、运行，窑尾空气炮的备妥、运行，挡轮油站的备妥、运行、故障、报警，窑减速器供油站的备妥、运行、限位、故障、报警等，胴体冷却风机的备妥、运行，停止；模拟信号主要包括窑主电机的传动速度反馈、给定，窑主电机的电枢电流反馈、前轴温度，空压机功率，窑尾冷风门阀反馈及给定，窑尾烟室温度温度，分解炉温度，三次风温度；

所述煤粉制备站设备包括：煤磨主电机，入煤仓输送机，煤磨袋收尘器，收尘器下螺旋输送机，煤磨通风机；上述设备中，数字信号主要包括煤磨主电机定子加热器运行、停止，入煤仓输送机的备妥、运行、轻跑偏、重跑偏，煤磨袋收尘器卸料器的备妥、运行，收尘器螺旋输送机的正向运行、反向运行，煤磨通风机的备妥、运行、停止等等；模拟量信号主要包括，煤磨收尘袋灰口温度，煤磨主电机定子的A相温度、B相温度、C相温度，煤粉通风机定子的A相温度、B相温度、C相温度，煤磨进出口负压，通风机速度给定，收尘进口阀门开度给定。

进一步的，本发明提供的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述自定义功能块包括开关量仿真模块、模拟量仿真模块、电机功能块、故障仿真模块下级模块；当开关量仿真模块的面板上有备妥按钮按下时，模块内会输出一个备妥信号给控制程序中的电机功能块，该备妥信号即是实际生产现场电机备妥信号的虚拟；当给模拟量仿真模块面板上的模拟变量赋值后，该值即虚拟了该模拟变量的现场值，如果所给出的值超出了该模拟变量的最大限值，则会发出报警信号。

进一步的，本发明提供的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述设备信号与信号之间关系仿真子模块，对水泥生产线中设备的备妥、驱动、运行、故障、开关限位、正反转数字量信号进行逻辑运算；当按下开关量仿真块的按钮时，虚拟模板上有原始备妥信号按钮，按下按钮模块内会输出一个备妥信号给控制程序中的设备程序，当检测有无故障后会输出一个设备备妥信号，该备妥信号即是实际生产现场设备备妥信号的仿真，设备程序即是实际生产现场设备的仿真，然后再将控制程序里设备功能块自带面板中的驱动按钮按下时，备妥信号和驱动信号便同时具备，则通过开关量控制内部处理，产生一个设备已经运行的信号作为设备功能块的输出信号，让控制程序认为设备已经正常启动；

按下故障仿真模块中的故障按钮，开关量控制功能块输出一个故障信号传回给控制程序，控制程序认为设备此时有故障，无法正常启动，故障仿真模块仿真每个设备的故障按钮，按下时可让设备产生虚拟的故障信号。

本发明提供的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统实现了以下功能：

    (1) 系统架构明确，硬件配置灵活可变的水泥生产线DCS仿真控制培训系统。

本系统采用ABB公司的CBF组态软件、计算机（PC）、控制器（AC800F控制器）进行整个水泥生产环节的仿真设计。

整个仿真系统的结构可分为上位机和下位机两部分，上位机和下位机的通讯通过中间的网络系统实现。上位机利用计算机（PC）实现，下位机利用AC800F控制器实现，网络系统由路由和网线组成。CBF组态软件是集上下位机组态编程软件于一体的，工程师站安装整套CBF组态软件，即既有上位机组态编程软件，也有下位机的界面显示操作软件；教官站安装整套CBF组态软件，也可将教官站和工程师站利用同一台计算机实现，即该计算机既做工程师站又兼做教官站；学员站只安装下位机的界面显示操作软件。

此仿真培训系统可借助单台计算机（PC机）和单台控制器完成，即此计算机（PC机）既做工程师站，又兼做教官站和学员站，也可以搭建局域网由多台计算机实现，将工程师站、教官站和学员站分离，可利用单台控制器将整个组态控制程序加载来控制仿真系统中电机模块的运行，从而减小整个仿真系统配置，也可将不同水泥过程站的组态程序加载到不同的控制器，让学员充分理解水泥生产现场的配置情况。仿真规模较小的水泥生产线时，可以采取硬件配置较小的水泥生产线DCS仿真控制培训系统，只利用单台计算机和单台控制器实现；仿真规模较大的水泥生产线时，可根据需要利用多台计算机和多台控制器实现。

此仿真培训系统上位机可搭建在单台计算机（PC）上，此计算机既做工程师站，又做学员站和教官站；也可在局域网内由多台计算机实现，将工程师站、教官站与学员站分离。工程师站对整个DCS系统进行配置，包括仿真软件的主程序编写、组态界面绘制等，教官站主要对学员进行培训和成绩考核。学员站完全模拟实际DCS的操作员站配置，主要显示工艺流程图、历史趋势图、操作面板、以及故障报警等。

此仿真培训系统下位机可利用一台控制器(AC800F)实现，即将整个组态控制程序加载到一台控制器内来控制电机的运行，从而减小此仿真系统配置；也可模拟实际生产现场将不同水泥过程站的控制程序加载到不同控制器，让学员充分理解水泥生产现场的配置情况。

    2）包括各个水泥过程站设备的信号仿真、设备控制仿真和人机交互界面仿真的水泥生产线DCS仿真控制培训系统。

A)各个站设备信号的仿真：包括每个设备的开关量信号仿真和模拟量信号仿真。不需要接入现场的任何设备，只通过组态软件的自定义模块和所基于的硬件平台就可以完全仿真出现场设备的开关量信号和模拟量信号。自定义模块主要包括开关量仿真模块，模拟量仿真模块，电机功能块，故障仿真模块等。当开关量仿真模块的面板上有备妥按钮按下时，模块内会输出一个备妥信号给控制程序中的电机功能块，该备妥信号即是实际生产现场电机备妥信号的虚拟。当给模拟量仿真模块面板上的模拟变量赋值后，该值即虚拟了该模拟变量的现场值，如果所给出的值超出了该模拟变量的最大限值，则会发出报警信号。学员只要通过计算机就可以真实体会现场设备的运行环境。

     B)各设备的信号与信号之间关系的仿真：在水泥生产线中每个设备一般都有备妥、驱动、运行和故障等数字量信号，还有一些其他设备还包括些开关限位、正反转等数字量信号。水泥生产线的DCS仿真系统也制作了现场的信号关系。当按下开关量仿真块的按钮时，虚拟模板上有原始备妥信号按钮，按下按钮模块内会输出一个备妥信号给控制程序中的电机程序，当检测有无故障后会输出一个电机备妥信号，该备妥信号即是实际生产现场电机备妥信号的仿真，电机程序即是实际生产现场设备所带电机的仿真，然后再将控制程序里电机功能块自带面板中的驱动按钮按下时，备妥信号和驱动信号便同时具备，则通过开关量控制内部处理，产生一个电机已经运行的信号作为电机功能块的输出信号，让控制程序认为电机已经正常启动；如果此时按下故障仿真模块中的故障按钮，这时开关量控制功能块会输出一个故障信号传回给控制程序，让控制程序认为电机此时有故障，无法正常启动。故障仿真模块仿真了每个电机的故障按钮，按下时可让电机产生虚拟的故障信号，便于对学员进行培训。

C)各设备控制功能的仿真：单个设备的启停控制仿真、各个站设备组的联锁启停控制仿真、开关量监控、模拟量监控、PID控制、模拟量累计控制。

学员通过在该仿真培训平台中的操作可以熟练掌握组态软件的操作、水泥生产过程中单独和成组生产设备的启停及其自动联锁启停的顺序和条件、开关量监控、模拟量监控、PID控制、模拟量累计控制等。设备运行控制功能仿真通过ABB的CBF组态编程软件和该仿真系统所基于的硬件平台共同完成。

D）人机交互界面的仿真：人机交互界面完全模拟实际DCS的操作员站（OS站）配置，主要显示工艺流程图、操作面板以及故障报警等。

3）具有培训与考评功能的水泥生产线DCS仿真控制培训系统。

    操作学员学习的最终熟练程度，将直接影响其上岗后操作的水泥生产线的产量与质量，为此仿真软件设计了学习成果的考核功能，设置了考核界面，包括教官和学员两类。教官界面可修改设备及历史趋势的状态变量，考核时根据不同考核要求，教官设置不同的实时数值，学员界面将随之显示不同的工况(包括正常及异常)，学员根据界面显示对工况进行识别、判断并进行相应操作，学员判别及操作的相关数据将通过历史趋势和笔录的方式进行记录，最后教官据此得到考核成绩。

在功能2 A)中，

生料磨站所控制的设备主要包括：1#收尘风机，斜槽风机，斗式提升机，脉冲收尘器电控箱，螺旋输送机，下料器；2#收尘风机，斜槽风机，脉冲收尘器电控箱，斗式提升机，下料器；取样器；磨主电机、主轴承、滑履轴承的稀油站，磨主电机的液体变阻器、定子加热器、冷却风机；3#、4#、5#斜槽风机；胶带输送机；选粉机；水泵房水泵等等。

上述设备中，数字信号包括风机的备妥、驱动、故障、报警和停止信号，斗式提升机的备妥、驱动、故障、报警和停止信号，磨主电机的的备妥、驱动、故障、报警和停止信号，下料器的的备妥、驱动、故障、报警和停止信号，电控箱的工作、备妥、故障、停止和指示灯信号；模拟信号主要包括输送机的电流及电流给定，稀油站低压压力、高压压力、供油温度、邮箱温度，立磨慢驱变频速度反馈、电流反馈，喷水阀开度反馈及给定，选粉机变频速度反馈、电流反馈，选粉机轴承温度，生料磨主电机定子温度、轴承温度，控制柜功率，以及一些压力信号等。

窑头站所控制的设备主要包括：喷油装置、篦冷机的传动电机、喷油泵、循环泵、篦床；熟料库底的胶带输送机；窑头高压引风机；熟料输送收尘器；熟料链斗式输送机。

上述设备中，数字信号主要包括喷油装置电机的备妥、运行，篦冷机传动电机的备妥、运行，篦冷机篦床备妥、运行和故障，篦冷机各个油泵的运行，篦冷机循环泵的备妥、运行和故障，熟料库底胶带输送机的备妥、运行，轻跑偏、重跑偏，窑头高压引风机变频的备妥、运行、故障、报警和充电，熟料输送收尘器的备妥、运行、故障，链斗式输送机的速度检测、备妥、运行、故障等等。模拟信号主要有篦冷机传动电机电流，篦床开关速度反馈，油泵出口压力，窑头高压引风机变频电流反馈和速度反馈，以及各类电流和速度的给定，熟料库料位等。

窑尾站所控制的设备主要包括：窑尾密封油泵，冷却风机，窑主电机，窑尾空气炮，窑液压挡轮油站，窑减速器供油站，胴体冷却风机等。

上述设备中，数字信号主要包括窑尾密封油泵的备妥、运行，冷却风机的备妥、运行，窑尾气动蝶阀开关限位、备妥、运行，窑尾空气炮的备妥、运行，挡轮油站的备妥、运行、故障、报警，窑减速器供油站的备妥、运行、限位、故障、报警等，胴体冷却风机的备妥、运行，停止。模拟信号主要包括窑主电机的传动速度反馈、给定，窑主电机的电枢电流反馈、前轴温度，空压机功率，窑尾冷风门阀反馈及给定，窑尾烟室温度温度，分解炉温度，三次风温度等等。

煤粉制备站主要设备包括：煤磨主电机，入煤仓输送机，煤磨袋收尘器，收尘器下螺旋输送机，煤磨通风机等。

上述设备中，数字信号主要包括煤磨主电机定子加热器运行、停止，入煤仓输送机的备妥、运行、轻跑偏、重跑偏，煤磨袋收尘器卸料器的备妥、运行，收尘器螺旋输送机的正向运行、反向运行，煤磨通风机的备妥、运行、停止等等。模拟量信号主要包括，煤磨收尘袋灰口温度，煤磨主电机定子的A相温度、B相温度、C相温度，煤粉通风机定子的A相温度、B相温度、C相温度，煤磨进出口负压，通风机速度给定，收尘进口阀门开度给定等等。

在功能2B)中，实现了上述所有设备的所有信号之间逻辑关系的仿真。

在功能2C）中，实现了上述所有设备的单个启停控制仿真和相关联设备的组启停控制仿真，加强了工程的严谨性和运行的逻辑性。以原料粉磨站为例，整个站基本包括的组有：生料磨成品入库组、原煤输送组，生料磨配料组，生料磨入磨组，生料磨回渣组，辅材入堆组，废渣处理组等等。

附图说明

为了更清楚的说明实施的技术方案，下面对本发明提供的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统的主要功能块做出介绍。

图1为本发明提供的仿真培训系统全虚拟仿真系统整体架构图

图2为本发明提供的仿真培训系统开关量信号仿真实现模块（单机启停）

图3为本发明提供的仿真培训系统开关量信号仿真模块面板

图4为本发明提供的仿真培训系统模拟量信号仿真实现模块

图5为本发明提供的仿真培训系统模拟量信号仿真模块设置面板

图6为本发明提供的仿真培训系统开关量信号仿真实现模块（组启停）

图7为本发明提供的仿真培训系统开关量信号仿真实现模块（组启停）

图8为本发明提供的仿真培训系统开关量信号仿真实现模块（组启停）

图9 为本发明提供的仿真培训系统组启停仿真模块的面板

图10为本发明提供的仿真培训系统连锁控制仿真实现例图

图11为本发明提供的仿真培训系统报警故障信号仿真实现模块

图12为本发明提供的仿真培训系统原料粉磨站仿真培训监控画面示意图

图13为本发明提供的仿真培训系统磨机组的仿真联锁控制程序画面示意图

图14为本发明提供的仿真培训系统磨机组的仿真联锁控制程序画面示意图

图15为本发明提供的仿真培训系统窑头环节组态画面示意图

图16为本发明提供的仿真培训系统窑尾环节组态画面示意图

图17为本发明提供的仿真培训系统窑头环节教师站画面示意图

图18为本发明提供的仿真培训系统窑尾环节教师站画面示意图。

具体实施方式

 下面结合附图详细说明本发明提供的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统的具体技术实施方案，显然下述方案是整条水泥生产线的一段工序仿真案例，本具体实施例不作为对本发明的限制。

 图1为水泥生产线DCS仿真控制培训系统的整个硬件架构配置，整个仿真系统的结构可分为上位机和下位机两部分，上位机利用计算机（PC）实现，下位机利用AC800F控制器实现。本新型实例完全按照完整的实际现场水泥生产线配置来仿真，使学员更清晰的了解水泥生产线的配置组成。

图2为开关量控制模块实例，A为图3有无原始备妥信号变量，B为图3有无运行信号丢失变量，C代表有无运行信号丢失变量，RD为原始备妥指示变量，A_RD为备妥指示变量，RD_ALM为备妥丢失指示变量，DR为驱动，RN为运行信号，RN_ALM为运行丢失信号。由图2知当RD有信号，RD_ALM无信号则输出备妥信号，图3备妥信号灯显示蓝。当驱动信号为1时，图3面板驱动指示灯变绿，如果运行返回丢失信号和备妥丢失信号都没有，则RN信号为1，图3运行指示灯变绿。如果制造故障信号，可以点图3的运行丢失或故障丢失按钮，则其带代表的指示灯变红，RN输出0信号，代表电机跳停。运行指示灯变红。

图4和图5是水泥生产线DCS仿真控制培训系统中模拟量的仿真实现模块实例，其中图5是水泥生产线的某个模拟量仿真设置面板，图5中的1#排风机的风速变量是图4中的G1变量，打开模拟量仿真设置面板，把数字输入到图51#排风机的风速变量框内，G1变量就会通过图4的赋值语句把图5所输入的值显示到培训画面上。其他模拟量的仿真实现与此类似。

图6——图9是水泥生产线DCS仿真控制培训系统中组顺序启停仿真模块实例，其中图6——图8表示的是两个电机顺序启停的模块。当图6——图8中的G1_RD信号(组备妥)和G1_DR（组驱动）都为1时，则Z_STA信号（组启动）变为1。Z_STA信号为1后，通过延时功能块分别输出给STA1（电机1的启动信号）和STA2（电机2的启动信号）,由于两个延时功能块所设置的延时时间不同，后一个模块的时间比前一个的短，所以STA1和STA2分别先后变为1。电机1和电机2分别先后启动。当RD1（电机1的备妥信号）为1时，STA_1作为电机1的电机功能块SAFO的输入，经电机功能块内部处理后，输出给DR1（电机1的驱动信号），DR1再将值赋给RN1(电机1的运行信号)，电机1开始运行。电机2的启动运行过程与电机1类似。

在图9中可以看到电机1和电机2的状态指示灯依次变色，两个电机都运行后，则组运行信号返回，组运行信号灯亮。

图10为水泥生产线DCS仿真控制培训系统中连锁仿真控制实例，F_26AC_RN1为生料入窑提升机1＃主电机运行信号，F_26AC_RN2为生料入窑提升机2＃主电机运行信号，F_32M_RD库底输送斜槽风机备妥信号，F_32M_DR库底输送斜槽风机驱动，F_32M_RN库底输送斜槽风机运行信号，MOTOR1代表库底输送斜槽风机。由图10知，生料入窑提升机的两个主电机的运行信号用与门接在LK信号端，这就表示，当入窑提升机两个主电机都在运行时，库底输送斜槽风机才能运行，否则启动按钮一直为0，不能启动，这样就实现了生料入窑提升机1＃主电机、生料入窑提升机2＃主电机、库底输送斜槽风机之间的连锁控制。

图11为水泥生产线DCS仿真控制培训系统中报警信号的仿真实现实例：以备妥信号丢失报警为例，RD为原电机备妥信号，ARD_ALM为备妥丢失报警信号，A_RD为学员站显示的备妥信号。BN1为报警模块。当原备妥信号为1，备妥丢失报警信号为0时，通过逻辑与运算功能块输出给A_RD，A_RD为1，学员站才可以看到电机的备妥，当备妥丢失报警信号为1时，学员站的备妥信号将不显示，同时在面板上显示报警提示“备妥信号丢失”字样。

实施案例：

以水泥仿真系统中水泥生产过程站原料粉末站的其中一个组即磨机组仿真为例介绍，图12为原料粉磨站的组态仿真培训界面。

1、统计主要被控仿真对象及对其进行编号：

1    磨主电机稀油站     B1ALC

2    生料磨主电机    B2M

3  生料磨主电机水阻柜   B3ALP

4    立磨慢驱变频       B4AC

5    立磨选粉机变频           B5AC

6    生料磨主电机冷却风机  B6M

    2、信号的统计：

     主要的信号包括上面6个设备的备妥、驱动、运行、故障信号、开关限位、正反转等数字量信号和温度与电流等模拟量信号。

表1.1　水泥生产线原料粉末站磨机组I/O信号数统计表

整个水泥生产线的信号统计同上。

3、仿真培训系统网络配置、控制器的运行及组态控制程序的编写与加载。

1）系统硬件配置：本仿真培训系统所使用的控制器是ABB的AC800F控制器。工程师站和操作员站均为PC机。

2）系统软件配置：

表1.2系统软件配置清单

3）系统通信设备：

表1.3系统通信设备清单

型号	名    称	数量
			ED6008-SS-SC	工业级以太网智能交换机	2
双绞线四、五类	通信电缆	100米

4）主要机电设备联锁控制：

     联锁控制不仅仅在水泥生料的磨机启动环节，而是整个水泥生产环节控制的重要部分，几乎所有的DCS(集散控制系统)都离不开联锁控制。水泥生料环节中的联锁控制包括以下六个组设备的顺序启动和逆序停车：B1G，磨机润滑系统组；B2G，成品输送组1；B3G，成品输送组2；B4G，磨系统排风机组；B5G，选粉机及提升机组；B6G，磨主电机及冷却风机组。

    此处，仅以B6G即磨主电机及冷却风机组为例加以阐述。

磨主机和风机联锁是一个顺序控制，依次启动磨机水电阻、磨主电机冷却风机和磨主电机。当前面的设备启动失败或者运行信号消失后，后面的设备需要故障停止。

当发出组启动信号后，依次每隔三秒发出三台设备的启动信号。首先启动磨机水电阻，在启动磨主电机冷却风机。在收到磨机水电阻和磨主电机冷却风机的运行信号后启动磨主电机。当顺序控制系统中前面设备的运行消失后，后面的设备要停止。

 

    下面以磨主电机的工作情况说明是如何实现的：

当磨主电机启动信号“MOZHUJISTA3”为1，并且备妥信号“B_2M_RD”为1，磨主电机在备妥的情况下，即变量信号“B_2M_RD”为1时，同时联锁信号“B_6M_RN”和“B_3ALP_OK”一直为1，这时经过块“B_10M_IDF”的输出也为1，同时故障预警信号“B_2M_ALM”和“B_2M_FT”为0，表明没有故障发生时，磨主电机驱动信号“B_2M_DR”为1，经过虚拟信号板的处理，磨主电机运行信号“B_2M_RN”为1,这表明磨主电机开始运行。这时变量“B_6M_RN”和“B_3ALP_OK”为1时，实现了互锁功能，这时胶带输送机关断信号 “SHUSONGSTP”只要不为1，这时磨主电机将一直在运行状态。

图13、图14为磨机组的仿真联锁控制程序。

    4、学员站：

    硬件平台为工业控制机、软平台为DigiVis等软件，各个学员站（OS）功能和权限由工程师站决定，在该系统中各个OS功能配置几乎完全相同，具体功能如下：   

A)显示生产线的工艺流程图；

B)实现设备的解、联锁控制；

C)实现本设备组在联锁状态下的启、停控制；

D)点击报警方框或是提示框，浏览更为详细的报警信息或是提示；

E)通过菜单选择显示不同历史曲线组；

F)通过操作日志（OPL），实现部分简单报表功能。

在画面中，各电机、电磁阀等普通设备的运行状态均由代表它的动态图形符号表示，可显示与所代表设备关联的三变量（备妥、运行、返回）的8种实时状态由不同颜色表示，点击动态图形符号，将会弹出操作面板，可在解锁状态下对设备进行单机控制，同时根据工艺特点将所有设备分为不同设备组，各设备组均有两组按钮：联锁、解锁按钮和启动、停止按钮。

联锁、解锁按钮：实现本设备的解、联锁控制（联锁状态下，一组设备可根据现场返回信号按工艺要求自动启、停：解锁状态下，各设备只能单独启、停）；

启动、停止按钮：实现本设备组在联锁状态下的启、停控制。

在界面的中有报警信息栏，系统的报警信号均可在栏内显示，不同颜色代表不同的优先级，点击报警方框或是提示框，可浏览更为详细的报警信息或是提示（如具体故障点、故障时、故障类型等）；

可通过菜单选择显示不同历史曲线组，每组可显示最多6条曲线；所存储时间根据需要可进行自由配置；

可通过操作日志（OPL），实现部分简单报表功能，根据设计要求，分别配置班产报表，系统参数日报表等，文件自动定时记录生成，并带时间标签，可由操作员人员根据要求选择并打印。

图15、图16为学员站培训界面。

 

学员通过该仿真培训系统可牢固掌握如下知识：

1） 学员通过此组态界面了解水泥熟料烧成环节的工艺流程、设备情况；

2） 学员可通过该仿真培训平台中虚拟信号的操作熟练掌握组态软件的操作、单独和成组生产设备的开停车及其自动联锁启停的顺序和条件；

3）学员可通过操作系统学习掌握水泥熟料烧成环节模拟量的有效范围，通过此培训系统学习区分正常工况、异常工况。

    5、教官站或工程师站：

教师通过教官站对整个系统进行硬件配置和软件组态；编写水泥生产线仿真控制程序；设置教学培训环节。

（1）对OS的组态：整个系统根据设计要求配置OS；

对工艺流程图的配置：将整个工艺流程分为若干个画面，生成于“公共图”项目下，则各OS均可调用此组态画面，大大减少了工程设计和维护的工作量；

（2）对PS的组态：综合对系统的性能要求，风险性要求及稳定性要求的分析，整条生产线有四个虚拟过程站(AC800F控制器)，即原料粉磨站，窑头站，窑尾站，煤粉制备站，它们分别有自己独立的IP地址和ID识别号。

（3）对各模拟量（如温度、压力、电流等，均为4~20mA或0~10V信号）进行数据类型转换和量程转换；对重要历史趋势设置上、下值，当信号超出时，发出报警信号及相应的信息提示；对一些要求的数据量（如物料流量、电量消耗等）进行累计，并定时或手动清零。

（4）完成各设备的逆序启动和顺序停车，出于生产的安全性、连续性及稳定性的考虑，本系统把整条生产线按流程分为若干设备组，按工艺要求实现各设备的联锁关系，主要以大型主机设备为隔断，这样既可保证必要的工艺联锁要求，又不会因某个单一设备的故障跳停而影响整条生产线的运行稳定；每组设备启动前均会按要求自动给出预警信号；当有设备故障发生时，发出报警信号，同时按一定时序关停本组设备。

（5）图17、图18为教师站培训界面，分为三大部分:模拟量教学区、逻辑开关量教学区、学员打分区。

a）模拟量教学区负责虚拟从实际现场来的模拟量信号，如:温度、料位、压力等。当进行教学时，教师会设置这些变量的值，告诉学员正常运行情况下这些变量的变化范围。让学员对真实的环境有更深的认识。而且还可以设置这些值超出安全范围，造成报警。从而能够训练学员的反应和排除故障的能力。

b）逻辑开关量教学区负责虚拟现场过来的备妥和运行信号，为学员创造一个真实的环境。还能设置每个设备的故障信号，用于学员的学习。在教师给出备妥信号时。学员则必须按照现场设备的联锁顺序启动和停止这些设备。当学员启动了这些设备时，教师则可以给出某些设备的故障信号，让学员说出有哪些原因会造成这些故障，如何去排除。这样就可以很快的让学员上手，提高操作水平和对现场实际环境的认识。

c）当模拟量培训和逻辑开关量培训完成之后，由教师在打分班上给出每个学员的得分。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

包括上位机装置、网络系统装置和下位机装置，所述上位机装置和下位机装置通过所述网络系统装置实现通讯，所述上位机装置、下位机装置上运行组态软件；

所述上位机装置和下位机装置包括人机交互界面仿真模块、设备信号仿真模块、设备控制仿真模块、培训及考评模块；

所述人机交互界面仿真模块模拟实际DCS的操作员站配置，包括历史趋势显示界面及监控界面，显示工艺流程图、历史趋势、操作面板以及故障报警；

所述设备信号仿真模块包括设备数字量信号仿真子模块、设备模拟量仿真信号子模块、设备信号与信号之间关系仿真子模块，均利用所述组态软件中的自定义功能块仿真实现，无需接入任何实际水泥生产现场设备，所有现场设备的信号都利用组态软件和其所基于的硬件平台共同仿真实现；

所述设备控制仿真模块包括单个设备的启停控制仿真子模块、各个站设备组的联锁启停控制仿真子模块、开关量监控子模块、模拟量监控子模块、PID控制子模块、模拟量累计控制子模块；

所述培训及考评模块包括逻辑控制培训子模块、模拟量培训子模块、故障排除培训子模块和学员培训结果考核子模块。

2.根据权利要求1所述的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述上位机装置为单台计算机或两台计算机中的一种，既做工程师站又兼做教官站、学员站，安装包括上位机组态编程软件和下位机界面显示操作软件的整套组态软件；

所述下位机装置为至少一台控制器，加载整个组态控制程序来控制现场设备信号仿真模块的运行。

3.根据权利要求1所述的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述上位机装置为至少三台计算机，以实现工程师站、教官站和学员站分离，工程师站和教官站安装包括上位机组态编程软件和下位机界面显示操作软件的整套组态软件，学员站只安装下位机的界面显示操作软件；

所述下位机装置为至少两台控制器，将不同水泥过程站的组态程序加载到不同的控制器来控制现场设备信号仿真模块的运行；

所述网络系统为由路由和网线搭建的局域网。

4.根据权利要求1至3任意所述的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述自定义功能块包括开关量仿真模块、模拟量仿真模块、电机功能块、故障仿真模块下级模块；当开关量仿真模块的面板上有备妥按钮按下时，模块内会输出一个备妥信号给控制程序中的电机功能块，该备妥信号即是实际生产现场电机备妥信号的虚拟；当给模拟量仿真模块面板上的模拟变量赋值后，该值即虚拟了该模拟变量的现场值，如果所给出的值超出了该模拟变量的最大限值，则会发出报警信号。

5.根据权利要求1至3任意所述的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述设备信号与信号之间关系仿真子模块，对水泥生产线中设备的备妥、驱动、运行、故障、开关限位、正反转数字量信号进行逻辑运算；当按下开关量仿真块的按钮时，虚拟模板上有原始备妥信号按钮，按下按钮模块内会输出一个备妥信号给控制程序中的设备程序，当检测有无故障后会输出一个设备备妥信号，该备妥信号即是实际生产现场设备备妥信号的仿真，设备程序即是实际生产现场设备的仿真，然后再将控制程序里设备功能块自带面板中的驱动按钮按下时，备妥信号和驱动信号便同时具备，则通过开关量控制内部处理，产生一个设备已经运行的信号作为设备功能块的输出信号，让控制程序认为设备已经正常启动；

按下故障仿真模块中的故障按钮，开关量控制功能块输出一个故障信号传回给控制程序，控制程序认为设备此时有故障，无法正常启动，故障仿真模块仿真每个设备的故障按钮，按下时可让设备产生虚拟的故障信号。

6.根据权利要求1至3任意所述的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述学员培训结果考核子模块，包括教官和学员两类下级界面模块，教官界面可修改设备及历史趋势的状态变量，学员界面将随之显示不同的工况，学员根据界面显示对工况进行识别、判断并进行相应操作，学员判别及操作的相关数据将通过历史趋势和笔录的方式进行记录并考核成绩。

7.根据权利要求1至3任意所述的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述实现仿真的水泥生产现场设备包括生料磨站设备、窑头站设备、窑尾站设备、煤粉制备站设备。

8.根据权利要求7所述的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述生料磨站设备包括：1号收尘风机，斜槽风机，斗式提升机，脉冲收尘器电控箱，螺旋输送机，下料器；2号收尘风机，斜槽风机，脉冲收尘器电控箱，斗式提升机，下料器；取样器；磨主电机、主轴承、滑履轴承的稀油站，磨主电机的液体变阻器、定子加热器、冷却风机；3号、4号、5号斜槽风机；胶带输送机；选粉机；水泵房水泵；上述设备中，数字信号包括风机的备妥、驱动、故障、报警和停止信号，斗式提升机的备妥、驱动、故障、报警和停止信号，磨主电机的的备妥、驱动、故障、报警和停止信号，下料器的的备妥、驱动、故障、报警和停止信号，电控箱的工作、备妥、故障、停止和指示灯信号；模拟信号主要包括输送机的电流及电流给定，稀油站低压压力、高压压力、供油温度、邮箱温度，立磨慢驱变频速度反馈、电流反馈，喷水阀开度反馈及给定，选粉机变频速度反馈、电流反馈，选粉机轴承温度，生料磨主电机定子温度、轴承温度，控制柜功率，以及压力信号；

所述窑头站设备包括：喷油装置、篦冷机的传动电机、喷油泵、循环泵、篦床；熟料库底的胶带输送机；窑头高压引风机；熟料输送收尘器；熟料链斗式输送机；上述设备中，数字信号主要包括喷油装置电机的备妥、运行，篦冷机传动电机的备妥、运行，篦冷机篦床备妥、运行和故障，篦冷机各个油泵的运行，篦冷机循环泵的备妥、运行和故障，熟料库底胶带输送机的备妥、运行，轻跑偏、重跑偏，窑头高压引风机变频的备妥、运行、故障、报警和充电，熟料输送收尘器的备妥、运行、故障，链斗式输送机的速度检测、备妥、运行、故障等等；模拟信号主要有篦冷机传动电机电流，篦床开关速度反馈，油泵出口压力，窑头高压引风机变频电流反馈和速度反馈，以及电流和速度的给定，熟料库料位；

所述窑尾站设备包括：窑尾密封油泵，冷却风机，窑主电机，窑尾空气炮，窑液压挡轮油站，窑减速器供油站，胴体冷却风机；上述设备中，数字信号主要包括窑尾密封油泵的备妥、运行，冷却风机的备妥、运行，窑尾气动蝶阀开关限位、备妥、运行，窑尾空气炮的备妥、运行，挡轮油站的备妥、运行、故障、报警，窑减速器供油站的备妥、运行、限位、故障、报警等，胴体冷却风机的备妥、运行，停止；模拟信号主要包括窑主电机的传动速度反馈、给定，窑主电机的电枢电流反馈、前轴温度，空压机功率，窑尾冷风门阀反馈及给定，窑尾烟室温度温度，分解炉温度，三次风温度；

所述煤粉制备站设备包括：煤磨主电机，入煤仓输送机，煤磨袋收尘器，收尘器下螺旋输送机，煤磨通风机；上述设备中，数字信号主要包括煤磨主电机定子加热器运行、停止，入煤仓输送机的备妥、运行、轻跑偏、重跑偏，煤磨袋收尘器卸料器的备妥、运行，收尘器螺旋输送机的正向运行、反向运行，煤磨通风机的备妥、运行、停止等等；模拟量信号主要包括，煤磨收尘袋灰口温度，煤磨主电机定子的A相温度、B相温度、C相温度，煤粉通风机定子的A相温度、B相温度、C相温度，煤磨进出口负压，通风机速度给定，收尘进口阀门开度给定。

9.根据权利要求8所述的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述自定义功能块包括开关量仿真模块、模拟量仿真模块、电机功能块、故障仿真模块下级模块；当开关量仿真模块的面板上有备妥按钮按下时，模块内会输出一个备妥信号给控制程序中的电机功能块，该备妥信号即是实际生产现场电机备妥信号的虚拟；当给模拟量仿真模块面板上的模拟变量赋值后，该值即虚拟了该模拟变量的现场值，如果所给出的值超出了该模拟变量的最大限值，则会发出报警信号。

10.根据权利要求8所述的基于组态软件的水泥生产DCS仿真培训系统，其特征在于：

所述设备信号与信号之间关系仿真子模块，对水泥生产线中设备的备妥、驱动、运行、故障、开关限位、正反转数字量信号进行逻辑运算；当按下开关量仿真块的按钮时，虚拟模板上有原始备妥信号按钮，按下按钮模块内会输出一个备妥信号给控制程序中的设备程序，当检测有无故障后会输出一个设备备妥信号，该备妥信号即是实际生产现场设备备妥信号的仿真，设备程序即是实际生产现场设备的仿真，然后再将控制程序里设备功能块自带面板中的驱动按钮按下时，备妥信号和驱动信号便同时具备，则通过开关量控制内部处理，产生一个设备已经运行的信号作为设备功能块的输出信号，让控制程序认为设备已经正常启动；

按下故障仿真模块中的故障按钮，开关量控制功能块输出一个故障信号传回给控制程序，控制程序认为设备此时有故障，无法正常启动，故障仿真模块仿真每个设备的故障按钮，按下时可让设备产生虚拟的故障信号。