導語：流程工業(yè)論文：流程工業(yè)的設計與運用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

本文作者：錢景輝王斯輝工作單位：南京工業(yè)大學

隨著計算機技術的不斷發(fā)展，流程工業(yè)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(tǒng)或多或少會存在以下問題：1）由數(shù)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(tǒng)，存在著建模困難、運算復雜、模型欠缺穩(wěn)定性等缺點[4]，對于工藝復雜、計算量巨大的流程工業(yè)過程控制模型來說，這種建模方法是不合適的。2）缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口與其他軟件平臺進行數(shù)據(jù)傳遞，導致仿真系統(tǒng)集成度低、模塊之間缺乏數(shù)據(jù)交互。3）缺乏數(shù)據(jù)的有效存儲管理，造成大量仿真數(shù)據(jù)的浪費，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)、掌握新工藝、熟悉操作流程等內(nèi)容的過程繁雜。針對流程工業(yè)過程控制仿真系統(tǒng)的功能需求和當前存在的問題，本文提出一個流程工業(yè)過程控制仿真平臺的構(gòu)架設計[5-6]，如圖1所示。流程工業(yè)過程控制仿真平臺從架構(gòu)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(shù)據(jù)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(tài)模擬平臺實現(xiàn)，HYSYS穩(wěn)態(tài)模擬實現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)模型作為動態(tài)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(xiàn)與先進控制模塊、數(shù)據(jù)存儲管理以及人機交互模塊的數(shù)據(jù)通信。Honeywell先進控制模塊主要功能是實現(xiàn)控制理論中的一些算法和策略，通過通信接口實現(xiàn)對被控對象的數(shù)據(jù)讀取，根據(jù)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(fā)技術實現(xiàn)了研發(fā)交互模塊，通過數(shù)據(jù)通信接口實現(xiàn)了培訓交互模塊。數(shù)據(jù)存儲管理模塊由實時數(shù)據(jù)HoneywellPHD和關系數(shù)據(jù)庫Oracle組成，存儲的數(shù)據(jù)作為流程企業(yè)的基礎數(shù)據(jù)，對于實際生產(chǎn)運行、成本核算、質(zhì)量管理、生產(chǎn)調(diào)度等業(yè)務過程的持續(xù)改進具有重要的意義。

流程工業(yè)過程控制仿真平臺的實現(xiàn)

HYSYS流程模擬模塊采用流程模擬軟件HYSYS作為開發(fā)平臺，對流程工業(yè)過程控制系統(tǒng)被控對象進行穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)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(tài)模擬是它的優(yōu)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(shù)設定、數(shù)據(jù)查看、校正因子調(diào)整等操作方便快捷。建立模型時，根據(jù)實際的工藝流程，完成流程圖的建立。將現(xiàn)場調(diào)研得到的各裝置設備參數(shù)、從過程歷史數(shù)據(jù)庫采集的過程操作參數(shù)和通過LIMS數(shù)據(jù)庫獲得的原料產(chǎn)品分析數(shù)據(jù)作為整個流程的輸入?yún)?shù)，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(jié)果數(shù)據(jù)。HYSYS具有多種和其他軟件進行數(shù)據(jù)交互的通信接口，為上位機的數(shù)據(jù)采集提供了基礎，保證了底層數(shù)據(jù)向上集成，提高了數(shù)據(jù)的利用率。HYSYS模型的裝置設備參數(shù)、操作過程參數(shù)、產(chǎn)品分析參數(shù)等相對穩(wěn)定的靜態(tài)數(shù)據(jù)和模擬計算過程中產(chǎn)生的物料流參數(shù)、能量流參數(shù)、校正因子調(diào)整計算結(jié)果等大量的仿真數(shù)據(jù)通過通信接口與先進控制模塊、人機交互模塊、數(shù)據(jù)存儲管理模塊進行數(shù)據(jù)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(fā)和功能應用的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，實現(xiàn)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(chǎn)過程，采用這種跟工業(yè)現(xiàn)場相似的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有助于研究系統(tǒng)故障、動態(tài)監(jiān)控、純滯后等問題。先進控制模塊采用兩種實現(xiàn)形式，一種是集成在流程模擬平臺動態(tài)模型中的控制模塊，一種是由Honeywell先進控制模塊實現(xiàn)的控制模塊。Honey-well先進控制模塊由實時數(shù)據(jù)庫HoneywellPHD通過OPCSERVER對流程模擬模塊進行數(shù)據(jù)采集，作為它的數(shù)據(jù)源，這樣PHD中的大量數(shù)據(jù)就可以用來實現(xiàn)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(jīng)達到穩(wěn)態(tài)的裝置模型添加PID控制器，設定相關PID參數(shù)，進行PID控制的模擬，獲得模擬結(jié)果。在Honeywell平臺上實現(xiàn)了預測控制，將模擬模型的輸入輸出數(shù)據(jù)文件導入到HoneywellPDS，以導入的數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)為基礎，實現(xiàn)模型辨識和預測控制。人機交互模塊（1）研發(fā)交互系統(tǒng)流程工業(yè)過程控制仿真系統(tǒng)的一項重要功能是用于對實際流程的研發(fā)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(tǒng)是必備的。研發(fā)交互模塊提供一個專門用于大量參數(shù)分析以及調(diào)整的交互系統(tǒng)。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(shù)據(jù)和工業(yè)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)做交互的功能。本系統(tǒng)通過ASW和VBA編程完成研發(fā)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(yè)人員也可以對模型進行操作。（2）培訓交互模塊流程工業(yè)過程控制仿真系統(tǒng)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(tǒng)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(nèi)容。仿真平臺的培訓交互系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，技術開發(fā)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(shù)據(jù)交互，一方面可以獲得底層模型的仿真數(shù)據(jù)，對模型的輸入數(shù)據(jù)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(tǒng)的相關工藝流程、設備參數(shù)、過程操作參數(shù)等內(nèi)容。企業(yè)人員可以通過不同權限的用戶名和密碼進入該系統(tǒng)，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(nèi)容。數(shù)據(jù)存儲管理模塊數(shù)據(jù)存儲管理模塊是過程控制企業(yè)信息化的基礎數(shù)據(jù)平臺。使用數(shù)據(jù)存儲管理是進行控制系統(tǒng)監(jiān)控、系統(tǒng)先進控制和優(yōu)化控制的基礎，并為企業(yè)的生產(chǎn)管理和調(diào)度、數(shù)據(jù)分析、決策支持提供實時數(shù)據(jù)服務和多種數(shù)據(jù)管理功能。數(shù)據(jù)存儲管理模塊由實時數(shù)據(jù)庫HoneywellPHD和關系數(shù)據(jù)庫SQLServer組成。實時數(shù)據(jù)庫Honeywell壓縮和存儲過程控制系統(tǒng)產(chǎn)生的大量過程歷史數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的有效利用對企業(yè)綜合生產(chǎn)效率的提高有著很大作用。關系數(shù)據(jù)庫Oracle在仿真平臺中起到了數(shù)據(jù)存儲和信息管理功能，通過內(nèi)部建立關系表存儲流程模擬系統(tǒng)中物性數(shù)據(jù)、裝置設備參數(shù)、原料產(chǎn)品數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)作為人機界面WEB展示和其他擴展應用程序的數(shù)據(jù)源。通信接口流程工業(yè)過程控制仿真平臺各個模塊都是由不同的軟件技術實現(xiàn)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(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)了仿真平臺的數(shù)據(jù)高度集成和模塊間數(shù)據(jù)交互。如圖2所示為該平臺通信接口的具體實現(xiàn)方法，其中HoneywellPHD是先進控制模塊和實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)載體，Oracle是關系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)載體，Ex-cel和分別是人機交互模塊中研發(fā)交互系統(tǒng)和培訓交互系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體。采用VisualC++提供的一套基于模版C++類庫的ATL（ActiveTemplateLibrary）方式，實現(xiàn)了一個基于HYSYS的OPCSERVER，在HoneywellPHD和中分別調(diào)用其集成的OPC接口可以對OPCSERVER進行數(shù)據(jù)讀取，完成與HYSYS數(shù)據(jù)交互。研發(fā)交互模塊采用HYSYS提供的ASW接口，通過VBA編程實現(xiàn)與MicrosoftExcel的連接和數(shù)據(jù)讀寫。培訓交互模塊中通過在其開發(fā)環(huán)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(shù)據(jù)的交互。同時通過接口技術讀取和修改關系數(shù)據(jù)庫Oracle中以表形式存儲的相關數(shù)據(jù)。HoneywellPHD采集的數(shù)據(jù)存儲到關系數(shù)據(jù)庫Oracle是通過PHD提供的API函數(shù)庫，采用C#開發(fā)的一個服務安裝到服務器實現(xiàn)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(jīng)過高低壓分離器，進入硫化氫汽提塔，然后再經(jīng)過分餾塔分餾出輕石腦油、柴油、尾油等產(chǎn)品，如圖3所示在HYSYS工程中配置好流體包、物性數(shù)據(jù)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(shù)和物流參數(shù)等進行設置，對反應模塊與分餾模塊集總進行轉(zhuǎn)換[8-9]，完成初步的建模。可以通過基于ASW的研發(fā)交互模塊人機界面，在Excel上導航界面進入數(shù)據(jù)輸入界面，查看導入的數(shù)據(jù)（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(shù)據(jù)。所有子裝置的設備參數(shù)、操作過程參數(shù)和進料參數(shù)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(jié)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(fā)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(jié)果，如圖5所示為Excel研發(fā)交互模塊中查看到的產(chǎn)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(xiàn)。通過OPCSERVER將數(shù)據(jù)存儲在PHD中，這樣PHD中的大量數(shù)據(jù)就可以用來實現(xiàn)研究實驗。將Honeywell采集到的輸入輸出數(shù)據(jù)文件導入到HoneywellPDS中，從導入的數(shù)據(jù)文件辨識出系統(tǒng)模型。根據(jù)模型的系統(tǒng)函數(shù)建立控制器，設定控制參數(shù)和控制變量的上下限后，啟動控制器，系統(tǒng)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(fā)的預測控制實驗的系統(tǒng)函數(shù)和預測控制效果。該仿真平臺開發(fā)的培訓交互平臺，可以使流程工業(yè)企業(yè)員工遠程使用瀏覽器進入流程工業(yè)過程控制仿真系統(tǒng)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(jié)果數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

采用VC、VB、COM組件、、數(shù)據(jù)庫等多種計算機技術實現(xiàn)的流程工業(yè)過程控制仿真平臺集被控對象建模、流程模擬，數(shù)據(jù)集成、先進控制、數(shù)據(jù)存儲管理、人機交互等內(nèi)容于一體，量表維護工時。2.4采集器的軟件實現(xiàn)采用領先的電力線載波通訊技術實現(xiàn)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(shù)據(jù)，降低成本，實現(xiàn)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(wǎng)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(diào)換熱量表所需要的技術難度和工作量；采用工業(yè)級集成電路及智能化監(jiān)控措施，性能穩(wěn)定安全可靠；采用大容量FLASH，便于備份重要數(shù)據(jù)，加上CRC校驗，存儲的數(shù)據(jù)更加安全可靠；采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，使用戶操作更加方便，系統(tǒng)可擴展性更強；使用看門狗技術，防止出現(xiàn)死機故障。3綜合測試按照圖1所示把集抄系統(tǒng)搭建好，即戶用熱量表—Mbus—門棟采集器—PLC—小區(qū)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(tǒng)上進行各種操作來測試系統(tǒng)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(shù)據(jù)，輪抄集中器下所有表的數(shù)據(jù)或某一時間段的歷史數(shù)據(jù)，并在服務器上依次顯示。（3）讀采集器、集中器狀態(tài)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(tài)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(tǒng)時間一致，利于定時抄表和管理。（5）系統(tǒng)自組網(wǎng)功能的測試。增加采集器數(shù)量、熱量表數(shù)量，更換熱量表，刪除熱量表，即可被系統(tǒng)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(jīng)通過了反復測試，證明該系統(tǒng)可實際應用。4結(jié)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(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，集中器和采集器的軟硬件設計，電力載波的自組網(wǎng)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(tǒng)能夠及時準確以及低成本地實現(xiàn)熱計量信息的遠程傳輸。