CN111665805A - 基于3d技术的控制系统培训装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3D技术的控制系统培训装置及方法，装置包括：仿真模型服务器，基于控制系统发出的控制指令模拟核电厂机组运行并生成运行数据，DCS控制系统，接收操作员站发送的操作指令以及访问仿真模型服务器，并响应操作指令运行其控制逻辑以生成控制指令，3D扫描仿真控制机柜以及3D模拟虚拟控制器和控制机柜，至少一个操作员站，实现相应的人机交互操作，并将相应的操作指令发送DCS控制系统，并且接收返回的处理结果，教员站，启动或停止、运行或冻结以及初始化DCS控制系统操作指令，故障控制、回退、记录或重演、变量监视3D显示控制站和/或培训过程中实时干预。其优点是：提高运行和维护人员的专业技能，保证核电厂的安全生产。
Description
技术领域
本发明属于核电厂控制技术领域，具体涉及一种基于3D技术的控制系统培训装置及方法。
背景技术
DCS系统由于具有可靠性、稳定性等优点，近年来在核电厂中得到广泛应用。但是，DCS系统在工厂测试以及现场调试过程中存在着不少测试盲区，不可能完全覆盖测试出系统缺陷。DCS系统本身的缺陷以及运维人员对DCS系统认知的盲点可能会造成DCS在运维过程中出现一些常见的运行事件，严重情况下会造成非计划停堆。DCS系统故障具有突然性，会造成设备跳闸、非计划停堆等一系列后果。因此，为了保证核电厂安全稳定的运行，急需搭建DCS系统培训装置，用于核电厂相关人员的技能训练，为核电厂安全稳定运行保驾护航。
传统的培训装置对仪控和运行人员的培训，是对DCS系统软硬件的静态知识培训，涉及的培训范围往往只是单个控制系统，无法反映出故障种类对整个DCS控制系统及工艺系统的影响。基于3D技术的控制系统培训装置对DCS控制柜所有设备进行1:1模拟，与DCS虚拟机和核电厂工艺仿真模型一起构成全范围闭环控制环境。能够对DCS系统软硬件的动态知识培训，清晰反映各种故障种类对DCS控制系统及工艺设备的影响，提高仪控运维人员对整个DCS控制系统及工艺系统的动态认知，提高培训的广度和深度。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于3D技术的控制系统培训装置及方法，它能够提高仪控运维人员对整个DCS控制系统及工艺系统的动态认知，提高培训的广度和深度。
本发明的技术方案如下：
一种基于3D技术的控制系统培训装置，包括，
仿真模型服务器，基于控制系统发出的控制指令模拟核电厂机组运行并生成运行数据；
DCS控制系统，包括用于控制虚拟设备的虚拟控制器和用于控制现场设备的控制机柜，接收操作员站发送的操作指令以及访问仿真模型服务器，并响应所述操作指令运行其控制逻辑以生成控制指令；
3D显示控制站，包括3D扫描仿真控制机柜以及3D模拟虚拟控制器和控制机柜，3D显示控制站通讯连接所述DCS控制系统；
操作员站，实现相应的人机交互操作，并将相应的操作指令发送DCS控制系统，并且接收返回的处理结果；
教员站，启动或停止、运行或冻结以及初始化所述DCS控制系统操作指令，故障控制、回退、记录或重演、变量监视所述3D显示控制站和/或培训过程中实时干预，其通讯连接所述DCS控制系统、3D显示控制站和操作员站。
还包括，
工程师站，构建控制逻辑组态；
多媒体设备，用于演示信息。
所述的DCS控制系统基于所述故障信息生成控制指令，仿真模型服务器基于控制指令模拟核电厂机组故障运行并生成故障运行数据。
所述的3D显示控制站包括，
主控背板，
采集模块，其采集虚拟控制器和控制机柜数据，
主控制器，设在主控背板的主控制器基于所述数据3D扫描仿真控制机柜以及3D模拟虚拟控制器和控制机柜，
电源，设在主控背板上的电源电连接所述主控制器，
BUS总线，其通讯连接所述DCS控制系统。
所述的控制机柜包括通讯连接现场设备的控制器。
所述DCS控制系统包括交换单元，所述交换单元包括用于通讯现场设备的现场通讯协议和用于通讯虚拟设备的虚拟通讯协议。
所述仿真模型服务器、仿真模型服务器、3D显示控制站、操作员站和教员站包括一个或者多个处理器，存储器和总线。
所述的处理器包括数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。
所述仿真模型服务器、仿真模型服务器、3D显示控制站为云端服务器，云端服务器经由无线通信设备通讯，无线通信设备至少包括无线局域网通信设备和/或移动通信网络设备，无线局域网通信设备包括蓝牙、ZigBee和/或Wi-Fi模块，所述移动通信网络设备包括2G无线通信芯片、3G无线通信芯片、4G无线通信芯片和/或5G无线通信芯片。
基于3D技术的控制系统培训装置的使用方法，包括以下步骤：
第一步骤：生成操作指令，DCS控制系统接收操作员站发送的操作指令并响应所述操作指令运行其控制逻辑以生成控制指令，其中，教员站实时干预所述操作指令；
第二步骤：响应所述控制指令，仿真模型服务器模拟核电厂机组运行并生成运行数据，虚拟控制器和控制机柜基于运行数据呈现不同控制状态下的控制参数；
第三步骤：3D显示控制站3D扫描仿真控制机柜以及3D模拟虚拟控制器和控制机柜，操作员站接收3D显示控制站模拟的虚拟控制器和控制机柜在不同控制状态下的控制参数。
本发明的有益效果在于：基于3D技术的控制系统培训装置采用3D仿真技术对控制机柜内的所有硬件1:1模拟机，与DCS虚拟机进行数据通信，增加核电厂工艺系统仿真模型，组成闭环的控制系统培训装置，仪控和运行人员可以在该培训装置上进行控制机柜内所有设备的三维拆解操作以及DCS系统故障演练模拟培训，提高运行和维护人员的专业技能，保证核电厂的安全生产。为核电厂仪控运维人员搭建培训平台，解决传统培训装置对DCS控制机柜内所有设备培训效果低下的问题。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的具体实施例。虽然显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
一种基于3D技术的控制系统培训装置包括，
仿真模型服务器，其配置成基于控制系统发出的控制指令模拟核电厂机组运行并生成运行数据，
DCS控制系统，其配置成接收操作员站发送的操作指令以及访问仿真模型服务器，并响应所述操作指令运行其控制逻辑以生成控制指令，DCS控制系统包括用于控制虚拟设备的虚拟控制器和用于控制现场设备的控制机柜，
3D显示控制站，其配置成3D扫描仿真控制机柜以及3D模拟虚拟控制器和控制机柜，3D显示控制站通讯连接所述DCS控制系统，
至少一个操作员站，其配置成实现相应的人机交互操作，并将相应的操作指令发送DCS控制系统，并且接收返回的处理结果，
教员站，其配置成启动或停止、运行或冻结以及初始化所述DCS控制系统操作指令，故障控制、回退、记录或重演、变量监视所述3D显示控制站和/或培训过程中实时干预，其通讯连接所述DCS控制系统、3D显示控制站和操作员站。
本发明的控制系统组态操作培训，不管是实物PLC还是虚拟机PLC，工程师站功能都与现场实际配置一致，仪控维修人员可以在工程师站进行组态、下装、调试等培训；通过复位不同的初始工况，可在不同条件下进行机组优化运行实验，分析和改进操作方式，并可通过故障引入的方式进行事故仿真试验；可通过教练员站引入各种机组故障，为工程运行人员进行故障分析和诊断训练提供仿真环境；可以在控制机柜3D控制站进行机柜内所有硬件设备的拆解操作培训；该技能培训装置还可以作为现场仪控改造、升级前的预实施平台，验证实施方案的可行性，降低由于方案论证不充分造成的有害后果。
所述的基于3D技术的控制系统培训装置的一个实施例中，教练员站输入故障信息，DCS控制系统基于所述故障信息生成控制指令，仿真模型服务器基于控制指令模拟核电厂机组故障运行并生成故障运行数据。
所述的基于3D技术的控制系统培训装置的一个实施例中，3D显示控制站包括，
主控背板，
采集模块，其采集虚拟控制器和控制机柜数据，
主控制器，设在主控背板的主控制器基于所述数据3D扫描仿真控制机柜以及3D模拟虚拟控制器和控制机柜，
电源，设在主控背板上的电源电连接所述主控制器，
BUS总线，其通讯连接所述DCS控制系统。
所述的基于3D技术的控制系统培训装置的一个实施例中，控制机柜包括通讯连接现场设备的控制器。
所述的基于3D技术的控制系统培训装置的一个实施例中，所述DCS控制系统包括交换单元，所述交换单元包括用于通讯现场设备的现场通讯协议和用于通讯虚拟设备的虚拟通讯协议。
所述的基于3D技术的控制系统培训装置的一个实施例中，所述仿真模型服务器、仿真模型服务器、3D显示控制站、操作员站和教员站包括一个或者多个处理器，存储器和总线。
所述的基于3D技术的控制系统培训装置的一个实施例中，处理器包括数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。
所述的基于3D技术的控制系统培训装置的一个实施例中，所述仿真模型服务器、仿真模型服务器、3D显示控制站为云端服务器，云端服务器经由无线通信设备通讯，无线通信设备至少包括无线局域网通信设备和/或移动通信网络设备，无线局域网通信设备包括蓝牙、ZigBee和/或Wi-Fi模块，所述移动通信网络设备包括2G无线通信芯片、3G无线通信芯片、4G无线通信芯片和/或5G无线通信芯片。
为了进一步理解本发明，在一个实施例中，仿真模型服务器运行核电厂工艺系统仿真模型程序，以及与控制系统的通信接口程序，接收控制系统发出的控制指令，经过仿真计算后，把反馈信号发送至控制系统，模拟整个核电厂工艺系统的流程。
在一个实施例中，教练员站为培训教员提供友好、功能齐全的教练员站界面，具有启动/停止、运行/冻结、初始状态选择、故障控制、回退、记录/重演、变量监视、快时/慢时、教练员/学院操作记录、计算机辅助培训等功能。
在一个实施例中，DCS控制系统用于运行现场仪控系统的控制逻辑，接收操作员站的操作指令，经过逻辑运算后，传递给仿真模型服务器，接收模型服务器的信号反馈，发送至操作员站显示。为了节省成本和空间，建议采用实物DCS机柜+虚拟DCS配置方式。
在一个实施例中，3D显示控制站对所有控制机柜进行3D扫描仿真，1:1模拟实物控制机柜所有的硬件组成，可进行三维设备操作和故障模拟演练，学员可以在仿真机上进行控制机柜内所有设备的三维拆解操作及PLC控制系统故障演练培训，能够快速发现和解决生产过程中出现的控制系统故障，保障企业的安全生产运行。
在一个实施例中，工程师站与现场工程师站功能一致。
在一个实施例中，操作员站与现场操作员站功能一致。
在一个实施例中，多媒体站用于演示教员的培训课件，还可以作为操作员站人机界面的投屏设备。
所述的基于3D技术的控制系统培训装置的一个实施例中，基于3D技术的控制系统培训装置还包括，
工程师站，其配置成构建控制逻辑组态，
多媒体设备，其配置成演示信息。
在一个实施例中，本发明的3D显示控制站是依照DCS系统控制机柜实物进行1:1全三维仿真建模，能够对控制机柜进行整体三维查看和透视。3D控制站内包含所有机柜内硬件设备、通讯线、电源线等，设备上具有信号状态指示灯，与DCS系统中DPU状态变化一致。3D控制站内硬件设备组成包括：
控制电源，
主控制器、主控背板，
IO-BUS，
IO-BUS通讯总线、TCP/IP以太网，
AI/DI/AO/DO采集模块，
以及其它可操作设备。
培训装置运行后，可读取显示DCS系统数据，对3D控制站内“运行”设备进行操作后，操作过程反馈至虚拟DPU软件进行逻辑运算，当3D控制站故障触发后，仿真机发生因控制站故障引起的一系列连锁动作反应。
一种所述基于3D技术的控制系统培训装置的使用方法，包括以下步骤，
第一步骤，生成操作指令，DCS控制系统接收操作员站发送的操作指令并响应所述操作指令运行其控制逻辑以生成控制指令，其中，教员站实时干预所述操作指令，
第二步骤，响应所述控制指令，仿真模型服务器模拟核电厂机组运行并生成运行数据，虚拟控制器和控制机柜基于运行数据呈现不同控制状态下的控制参数，
第三步骤，3D显示控制站3D扫描仿真控制机柜以及3D模拟虚拟控制器和控制机柜，操作员站接收3D显示控制站模拟的虚拟控制器和控制机柜在不同控制状态下的控制参数。
一种计算机可读介质，所述计算机可读介质在被执行时进行所述的方法。
图形用户界面，其包括所述的基于3D技术的控制系统培训装置。
本领域普通技术人员可以理解实现上述方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储器或随机存储器等。
工业实用性
本发明所述的基于3D技术的控制系统培训装置及方法可以在核电厂领域制造并使用。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
Claims (10)
1.一种基于3D技术的控制系统培训装置，其特征在于：包括，
仿真模型服务器，基于控制系统发出的控制指令模拟核电厂机组运行并生成运行数据；
DCS控制系统，包括用于控制虚拟设备的虚拟控制器和用于控制现场设备的控制机柜，接收操作员站发送的操作指令以及访问仿真模型服务器，并响应所述操作指令运行其控制逻辑以生成控制指令；
3D显示控制站，包括3D扫描仿真控制机柜以及3D模拟虚拟控制器和控制机柜，3D显示控制站通讯连接所述DCS控制系统；
操作员站，实现相应的人机交互操作，并将相应的操作指令发送DCS控制系统，并且接收返回的处理结果；
教员站，启动或停止、运行或冻结以及初始化所述DCS控制系统操作指令，故障控制、回退、记录或重演、变量监视所述3D显示控制站和/或培训过程中实时干预，其通讯连接所述DCS控制系统、3D显示控制站和操作员站。
2.如权利要求1所述的基于3D技术的控制系统培训装置，其特征在于：还包括，
工程师站，构建控制逻辑组态；
多媒体设备，用于演示信息。
3.如权利要求1所述的基于3D技术的控制系统培训装置，其特征在于：所述的DCS控制系统基于所述故障信息生成控制指令，仿真模型服务器基于控制指令模拟核电厂机组故障运行并生成故障运行数据。
4.如权利要求1所述的基于3D技术的控制系统培训装置，其特征在于：所述的3D显示控制站包括，
主控背板，
采集模块，其采集虚拟控制器和控制机柜数据，
主控制器，设在主控背板的主控制器基于所述数据3D扫描仿真控制机柜以及3D模拟虚拟控制器和控制机柜，
电源，设在主控背板上的电源电连接所述主控制器，
BUS总线，其通讯连接所述DCS控制系统。
5.如权利要求1所述的基于3D技术的控制系统培训装置，其特征在于：所述的控制机柜包括通讯连接现场设备的控制器。
6.如权利要求1所述的基于3D技术的控制系统培训装置，其特征在于：所述DCS控制系统包括交换单元，所述交换单元包括用于通讯现场设备的现场通讯协议和用于通讯虚拟设备的虚拟通讯协议。
7.如权利要求1所述的基于3D技术的控制系统培训装置，其特征在于：所述仿真模型服务器、仿真模型服务器、3D显示控制站、操作员站和教员站包括一个或者多个处理器，存储器和总线。
8.如权利要求7所述的基于3D技术的控制系统培训装置，其特征在于：所述的处理器包括数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。
9.如权利要求1所述的基于3D技术的控制系统培训装置，其特征在于：所述仿真模型服务器、仿真模型服务器、3D显示控制站为云端服务器，云端服务器经由无线通信设备通讯，无线通信设备至少包括无线局域网通信设备和/或移动通信网络设备，无线局域网通信设备包括蓝牙、ZigBee和/或Wi-Fi模块，所述移动通信网络设备包括2G无线通信芯片、3G无线通信芯片、4G无线通信芯片和/或5G无线通信芯片。
10.一种权利要求1-9中任一所述基于3D技术的控制系统培训装置，其特征在于，包括以下步骤：
第一步骤：生成操作指令，DCS控制系统接收操作员站发送的操作指令并响应所述操作指令运行其控制逻辑以生成控制指令，其中，教员站实时干预所述操作指令；
第二步骤：响应所述控制指令，仿真模型服务器模拟核电厂机组运行并生成运行数据，虚拟控制器和控制机柜基于运行数据呈现不同控制状态下的控制参数；
第三步骤：3D显示控制站3D扫描仿真控制机柜以及3D模拟虚拟控制器和控制机柜，操作员站接收3D显示控制站模拟的虚拟控制器和控制机柜在不同控制状态下的控制参数。
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