CN107402555A - 一种基于动态数学建模的dcs仿真系统 - Google Patents

Abstract

一种基于动态数学建模的DCS仿真系统，包括硬件和软件，所述硬件由一个工程师站和多个操作站组成，并通过交换机组成数据交换网络。所述软件包括DCS系统和数据处理软件。其特征在于：当操作值或工艺参数变化，读取到参数变化，进行计算将计算值传输到DCS中显示。当考核站发出异常信号信息时，DCS系统对异常信号做出报警，系统对异常信号分类，判断该异常信号是否会影响工艺参数或联锁。当异常信号影响工艺参数或联锁时，系统再判断是否有相关联锁触发，如果有联锁触发，则做出相应的联锁动作，并将变化的参数通过OPC传输到数据处理软件中进行相应数据处理，否则仅对该异常信号影响的参数进行数据处理。该仿真系统具有可实际操作的功能。

Description

一种基于动态数学建模的DCS仿真系统

技术领域

本发明涉及一种DCS仿真技术，具体涉及一种基于动态数学建模的DCS仿真系统。

背景技术

目前，随着自动控制程度的提高，采用DCS系统进行控制，具有较强的实用性。由于实际生产中的系统性、持续性、稳定性、安全保障性等严格要求，新进学员不能直接进行实训操作，需要进行较长时间的系统培训。针对以上问题，现有技术中研究出了一种DCS仿真系统，该系统以教学及分析研究为目的，学员通过在电脑上模拟，增加对生产线的感官认识。

发明内容

本发明的目的，是提供一种基于动态数学建模的DCS仿真系统，该仿真系统具有可实际操作的功能，学员使用后具有实际操作经验，极大地减少实际生产中的各种安全隐患。

采用的技术方案是：

一种基于动态数学建模的DCS仿真系统，包括硬件和软件，所述硬件由一个工程师站和多个操作站组成，并通过交换机组成数据交换网络。所述软件包括DCS系统和数据处理软件。所述DCS系统完全按实际DCS系统配置，包括流程图、操作面板、历史趋势、操作记录、故障报警。所述数据处理软件为MATLAB、Visual Basic或C#。其特征在于：

设置一台操作站或直接使用工程师站为考核站，考核站具有各种故障信号和异常信号的操作指令画面，通过考核站发出不同的故障信号或异常信号，考验学员对突发事件的判断和处理能力。

仿真程序是：当操作值或工艺参数发生变化时，数据处理软件通过OPC读取到参数变化，并进行相应的计算，同时将计算值通过OPC传输到DCS中显示。当考核站发出异常信号信息时，DCS系统对异常信号做出相应报警信息提示，同时系统对异常信号分类，判断该异常信号是否会影响工艺参数或联锁。当异常信号影响工艺参数或联锁时，系统再判断是否有相关联锁触发，如果有联锁触发，则做出相应的联锁动作，并将变化的参数通过OPC传输到数据处理软件中进行相应数据处理，否则仅对该异常信号影响的参数进行数据处理。该基本流程框图作为基本框架，根据不同设备，不同工艺情况可以搭建不同的仿真系统。

通过上述DCS系统制作人机交换界面、制作基本组态、制作设备联锁，由数据处理软件进行动态数学建模，并通过实际生产数据校正，使模拟结果与实际相符合。

上述动态数学模型为机理模型或黑箱模型，采用联立方程法或序贯模块法处理各模型间相关参数。

上述DCS系统操作指令通过OPC传达到数据处理软件，计算结果经过OPC反馈回DCS系统。

上述数据处理软件计算结果经过OPC接口反馈回DCS系统。

本发明具有如下优点：

1、本发明提供的DCS仿真系统，可在已有的DCS程序上进行修改，使仿真系统与实际生产系统一致，可以缩短新学员经过培训后，直接操作实际生产的DCS系统的过渡时间。

2、本发明提供的DCS仿真系统，模拟的设备联锁与实际的设备联锁相一致，可增强学员对工艺联锁的认识，减少因操作不当而引起的联锁跳停事故。

3、本发明提供的DCS仿真系统，操作站与工程师站间的数据相互关联，操作相互影响，有利于锻炼各工段新学员团队合作的能力，达到实际生产中各工段间相互配合，相互协作的过程相同的效果。

4、本发明提供的DCS仿真系统，通过动态数学建模，并通过实际生产数据校正，使其仿真结果与实际相符合，除新学员教学外，亦可用于工艺的分析研究。

5、学员在进行DCS仿真实验时，可以通过调试各个参数，体现出不同的工况，从而增强了学员对不同工况的应变能力和解决实际问题的经验，在进行实际操作过程时，能减小实际生产中的各种安全隐患，保证生产的安全进行。

附图说明

图1是本发明的DCS仿真系统的示意图。

图2是本发明的DCS仿真系统的数据交互示意图。

图3是本发明的DCS仿真系统的数字量控制组态。

图4是本发明的DCS仿真系统的煤立磨流程框图。

图5是本发明的DCS仿真系统的煤立磨启动电流曲线图。

图6是本发明的DCS仿真系统的煤立磨停机电流曲线图。

图7是本发明的DCS仿真系统的基本流程框图。

具体实施方式

以水泥DCS仿真系统中的煤立磨机主电机进行介绍。

1．仿真对象及编号

（1)煤立磨主电机1008M

主要信号包括以上仿真对象的设备备妥RD、运行RN、驱动DR、故障FT、联锁LS等数字量信号，报警信息ALARM、FAIL，以及模拟量信号电流IIA、绕组温度TW，或轴承温度TB。

2．系统软件配置

系统环境：WINDOWS 7

仿真平台：CENTUM VP

数据处理平台：MATLAB

工程师站和操作站均按实际DCS控制系统配置。

3．主要联锁

本例使用的水泥DCS仿真系统是在已有的DCS系统基础上更改制作，保留了实际生产过程中已投用的联锁，从而在培训过程中有效的提高学员对已有联锁的认识。

此处，简单的以煤立磨主电机绕组温度及轴承温度与煤立磨主电机1008M之间的联锁为例加以阐述。

当绕组温度TW高于设定值，或轴承温度TB高于设定值，则绕组温度联锁信号LS_TW或轴承温度联锁信号LS_TB输出为0，联锁触发，煤立磨主电机1008M跳停。当联锁触发时，煤立磨主电机1008M无法启动。

4.以煤立磨主电机为例说明仿真是如何实现的：

图1为本发明的DCS仿真系统的结构，本发明完全按照实际现场DCS系统配置来仿真，DCS仿真系统可以由一台电脑完成，也可以通过局域网将多台电脑相连接，实现工程师站与操作站数据共享，达到实际生产中各工段间相互配合，相互协作的过程相同的效果。

指定操作站HIS0154作为考核站，具有各种故障信号和异常信号的操作指令画面，通过考核站发出不同的故障信号或异常信号，考验学员对突发事件的判断和处理能力。

工程师站具体功能有：

1.显示工艺流程图

2.实现设备的解、联锁控制

3.实现设备的启停控制

4.浏览报警信息及报警记录

5.显示不同历史曲线组

6.存储历史信息，查阅操作记录

7.DCS系统组态

8.操作站功能分配

9.数据处理，DCS与数据处理软件进行数据交互

操作站具体功能由工程师站决定，具体功能有：

1.显示工艺流程图

2.实现设备的解、联锁控制

3.实现设备的启停控制

4.浏览报警信息及报警记录

5.显示不同历史曲线组

6.通过历史信息，查阅操作记录

考核站具体功能由工程师站决定，可以是工程师站，也可是指定的一台操作站，具体功能有：

1.显示工艺流程图

2.实现设备的解、联锁控制

3.实现设备的启停控制

4.浏览报警信息及报警记录

5.显示不同历史曲线组

6.通过历史信息，查阅操作记录

7.具有各种故障信号和异常信号的操作指令画面

图2为本发明的DCS仿真系统的数据交互结构，DCS系统CENTUM VP将操作数据MV通过OPC传送到数据处理软件MATLAB中，通过MATLAB中的机理模型或黑箱模型进行数据处理，再通过OPC将数据处理结果PV反馈到CENTUM VP中，以此完成一个数据交互过程。各操作员站与工程师站之间共用一个位号与MATLAB进行数据交互，当某个操作员站进行操作时，其他操作站及工程师站对于该位号的操作值MV也会有相同的变化，其反馈值PV在各站中亦有相同改变。

图3是本发明的DCS仿真系统的数字量控制组态实例，当设备发出脉冲启动信号，并且煤立磨主电机在备妥状态时，即备妥信号RD为1，同时其绕组温度联锁信号LS_TW及轴承温度联锁信号LS_TB输出为1，即绕组温度TW及轴承温度TB低于联锁触发值，同时设备故障信号FT输出为0，表明没有故障发生时，设备驱动信号DR输出为1，MATLAB通过OPC协议读取到运行信号DR输出为1，MATLAB将进行虚拟信号处理，使运行信号RN输出为1，再通过OPC协议写入CENTUM VP相应的点号中，此时操作画面将显示相应的状态变化，表示煤立磨主电机运行。同时将设备从启动到稳定过程的电流信号IIA，绕组温度TW及轴承温度TB，通过MATLAB中相应的动态数学模型计算，再将计算值通过OPC协议写入到CENTUM VP相应的显示模块中。当设备停止时，运行信号RN输出为0，MATLAB再通过OPC协议将设备停止过程的电流信号，绕组温度TW及轴承温度TB输出到相应的显示模块中，从而达到与实际相接近的仿真效果。

指定工程师站或某台操作站作为异常状况考核站，通过异常状况考核站发出故障信号FT，或者设备驱动信号DR，运行信号RN异常指令，电流异常指令，MATLAB通过OPC接收到此类指令后，做出相应的动作，从而使设备跳停，甚至触发联锁。当FT故障信号发出或设备跳停后，仿真系统报警信息栏将出现报警信息FAIL或报警信息ALRM，同时MATLAB通过OPC将不同故障引发的电流变化，绕组温度TW及轴承温度TB变化写入CENTUM VP相应的显示模块中，以此考察学员的应变能力、问题的解决能力以及故障判断能力。

电流信号、温度、压力、组成、流量等模拟量信号通过编写在MATLAB中的动态数学模型计算，再通过OPC写入到CENTUM VP相应变量中。

煤立磨主电机仿真程序框图如图4所示，点击启动按钮TURN ON，CENTUM VP通过备妥信号RD判断设备是否备妥,当设备备妥时，发出驱动信号DR，Matlab通过OPC读取到该信号后，输出设备运行信号RN=1，同时输出电机启动电流信号IIA到CENTUM VP中，否则系统不动作。

当考核站发出备妥信号RD或运行信号RN异常指令时，程序延时3S将停止驱动信号DR，并发出设备报警信息ALRM，同时Matlab通过OPC读取到该信号后，输出电机停机电流信号IIA到CENTUM VP，延时2S后报警信息复位，以此模拟实际生产中出现电机振动较大时，接触不良导致的备妥或运行信号丢失问题。

当考核站发出故障信号FT指令时，CENTUM VP直接关联驱动信号DR停止，Matlab通过OPC读取到该信号后，输出运行信号RN=0和电机停机电流信号IIA到CENTUM VP中，同时发出故障报警信息FAIL，延时3S后发出设备报警信息ALRM，延时2S后报警信息复位，故障信号FT需从考核站中停止，障报警信息FAIL随故障信号FT恢复而停止报警，以此模拟实际生产中DCS在设备运行故障时所反映的信息情况。

当考核站发出驱动信号DR异常指令时，Matlab通过OPC读取到该信号后，输出运行信号RN=0和电机停机电流信号IIA到CENTUM VP中，延时3S后发出设备报警信息ALRM，延时2S后报警信息ALRM复位，以此模拟实际生产中出现电机振动较大时，接触不良导致的驱动信号丢失问题。

当发出停止信号时，驱动信号DR停止，同时Matlab通过OPC读取到该信号后，输出运行信号RN=0和电机停机电流信号IIA到CENTUM VP中。

图5为煤磨主电机启动至正常运行的电流曲线，当CENTUM VP发出电机启动信号时，MATLAB通过OPC接收到来自CENTUM VP的启动信号，经过动态数学模型计算，将电流信号IIA写入到CENTUM VP相应的变量中。图6为煤磨主电机正常运行至停止的电流曲线，当CENTUM VP发出电机停止信号时，MATLAB通过OPC接收到来自CENTUM VP的停止信号，经过动态数学模型计算，将电流信号IIA写入到CENTUM VP相应的变量中。动态数学模型通过现场数据修正，使模型与实际过程中的一些特性相一致，如主电机电流信号保留了电机启停过程的电流特点，以及电机运行时的电流波动特点。

数字量信号及模拟量信号均通过实际生产数据修正和校核，做到与实际生产中的作用效果一致。

以上仅以水泥仿真系统中的一个设备为实例讲解，本仿真系统可仿真单一设备，也可仿真整个工艺流程，除水泥工艺外，亦适用于其他工艺。实施方法与以上实例相似。

此外，操作界面及工艺联锁均为已投用于实际生产中的DCS程序，趋势曲线、报警信息界面等均为CENTUM VP软件标准功能，无需单独编写，因此可以大幅减少制作DCS仿真系统的工作量。

以上描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例限制，上述说明书及实例中的描述仅为发明原理，在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和改进。此外，为适应本发明技术的特定场合，可对本发明进行诸多修改。因此本发明并不限于在此公开的特定实例。

Claims (3)

1.一种基于动态数学建模的DCS仿真系统，包括硬件和软件，所述硬件由一个工程师站和多个操作站组成，并通过交换机组成数据交换网络；所述软件包括DCS系统和数据处理软件；所述DCS系统完全按实际DCS系统配置，包括流程图、操作面板、历史趋势、操作记录、故障报警；所述数据处理软件为MATLAB、Visual Basic或C#；其特征在于：

设置一台操作站或直接使用工程师站为考核站;

仿真程序是：当操作值或工艺参数发生变化时，数据处理软件通过OPC读取到参数变化，并进行相应的计算，同时将计算值通过OPC传输到DCS中显示；当考核站发出异常信号信息时，DCS系统对异常信号做出相应报警信息提示，同时系统对异常信号分类，判断该异常信号是否会影响工艺参数或联锁；当异常信号影响工艺参数或联锁时，系统再判断是否有相关联锁触发，如果有联锁触发，则做出相应的联锁动作，并将变化的参数通过OPC传输到数据处理软件中进行相应数据处理，否则仅对该异常信号影响的参数进行数据处理；该基本流程框图作为基本框架，根据不同设备，不同工艺情况可以搭建不同的仿真系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态数学建模的DCS仿真系统，其特征在于：

通过上述DCS系统制作人机交换界面、制作基本组态、制作设备联锁，由数据处理软件进行动态数学建模，并通过实际生产数据校正，使模拟结果与实际相符合；

上述动态数学模型为机理模型或黑箱模型，采用联立方程法或序贯模块法处理各模型间相关参数；

上述DCS系统操作指令通过OPC传达到数据处理软件，计算结果经过OPC反馈回DCS系统；

上述数据处理软件计算结果经过OPC接口反馈回DCS系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于动态数学建模的DCS仿真系统，种基于动态数学建模的DCS仿真系统，包括硬件和软件，所述硬件由一个工程师站和多个操作站组成，并通过交换机组成数据交换网络；所述软件包括DCS系统和数据处理软件；所述DCS系统完全按实际DCS系统配置，包括流程图、操作面板、历史趋势、操作记录、故障报警；所述数据处理软件为MATLAB，其特征在于：

指定操作站HIS0154作为考核站；

点击启动按钮TURN ON，CENTUM VP通过备妥信号RD判断设备是否备妥,当设备备妥时，发出驱动信号DR，Matlab通过OPC读取到该信号后，输出设备运行信号RN=1，同时输出电机启动电流信号IIA到CENTUM VP中，否则系统不动作；

当考核站发出备妥信号RD或运行信号RN异常指令时，程序延时3S将停止驱动信号DR，并发出设备报警信息ALRM，同时Matlab通过OPC读取到该信号后，输出电机停机电流信号IIA到CENTUM VP，延时2S后报警信息复位，以此模拟实际生产中出现电机振动较大时，接触不良导致的备妥或运行信号丢失问题；

当考核站发出故障信号FT指令时，CENTUM VP直接关联驱动信号DR停止，Matlab通过OPC读取到该信号后，输出运行信号RN=0和电机停机电流信号IIA到CENTUM VP中，同时发出故障报警信息FAIL，延时3S后发出设备报警信息ALRM，延时2S后报警信息复位，故障信号FT需从考核站中停止，障报警信息FAIL随故障信号FT恢复而停止报警，以此模拟实际生产中DCS在设备运行故障时所反映的信息情况；

当考核站发出驱动信号DR异常指令时，Matlab通过OPC读取到该信号后，输出运行信号RN=0和电机停机电流信号IIA到CENTUM VP中，延时3S后发出设备报警信息ALRM，延时2S后报警信息ALRM复位，以此模拟实际生产中出现电机振动较大时，接触不良导致的驱动信号丢失问题；

当发出停止信号时，驱动信号DR停止，同时Matlab通过OPC读取到该信号后，输出运行信号RN=0和电机停机电流信号IIA到CENTUM VP中。