導(dǎo)語：流程工業(yè)論文：流程工業(yè)的設(shè)計(jì)與運(yùn)用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，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(xué)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，流程工業(yè)過程控制的仿真技術(shù)不斷進(jìn)步，但是當(dāng)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(xué)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(yùn)算復(fù)雜、模型欠缺穩(wěn)定性等缺點(diǎn)[4]，對于工藝復(fù)雜、計(jì)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，導(dǎo)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(fèi)，數(shù)據(jù)的利用效率低下。4）缺乏人機(jī)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(fù)雜，工作效率低下，對于不熟悉仿真技術(shù)的底層操作人員來說，學(xué)習(xí)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(dāng)前存在的問題，本文提出一個(gè)流程工業(yè)過程控制仿真平臺的構(gòu)架設(shè)計(jì)[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(jìn)控制模塊、多層次人機(jī)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(shí)現(xiàn)，HYSYS穩(wěn)態(tài)模擬實(shí)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(shí)現(xiàn)與先進(jìn)控制模塊、數(shù)據(jù)存儲管理以及人機(jī)交互模塊的數(shù)據(jù)通信。Honeywell先進(jìn)控制模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)控制理論中的一些算法和策略，通過通信接口實(shí)現(xiàn)對被控對象的數(shù)據(jù)讀取，根據(jù)設(shè)計(jì)好的控制策略進(jìn)行控制。多需求人機(jī)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(shù)實(shí)現(xiàn)了研發(fā)交互模塊，通過數(shù)據(jù)通信接口實(shí)現(xiàn)了培訓(xùn)交互模塊。數(shù)據(jù)存儲管理模塊由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)HoneywellPHD和關(guān)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(chǔ)數(shù)據(jù)，對于實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行、成本核算、質(zhì)量管理、生產(chǎn)調(diào)度等業(yè)務(wù)過程的持續(xù)改進(jìn)具有重要的意義。

流程工業(yè)過程控制仿真平臺的實(shí)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(jìn)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(jì)算程序包和解算方法庫，具有極高的精度和準(zhǔn)確性，動態(tài)模擬是它的優(yōu)勢。同時(shí)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(shè)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(shí)，根據(jù)實(shí)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(shè)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(gè)流程的輸入?yún)?shù)，完成模型建立。啟動模型計(jì)算便可獲得模型計(jì)算得到的各裝置物流、能量流的相關(guān)結(jié)果數(shù)據(jù)。HYSYS具有多種和其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的通信接口，為上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集提供了基礎(chǔ)，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(shè)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(jì)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(jì)算結(jié)果等大量的仿真數(shù)據(jù)通過通信接口與先進(jìn)控制模塊、人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)存儲管理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，被集成到仿真平臺的各個(gè)部分，作為該仿真平臺實(shí)驗(yàn)開發(fā)和功能應(yīng)用的數(shù)據(jù)源。先進(jìn)控制模塊仿真平臺中的先進(jìn)控制模塊，利用流程模擬技術(shù)獲得較為完備的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)控制理論中一些算法，并進(jìn)行分析，獲得最佳控制方案，這樣會更貼近于實(shí)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(jìn)控制模塊采用兩種實(shí)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(jìn)控制模塊實(shí)現(xiàn)的控制模塊。Honey-well先進(jìn)控制模塊由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫HoneywellPHD通過OPCSERVER對流程模擬模塊進(jìn)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(shí)現(xiàn)控制算法研究實(shí)驗(yàn)。由于在工程應(yīng)用中涉及到PID控制和預(yù)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(yùn)行已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的裝置模型添加PID控制器，設(shè)定相關(guān)PID參數(shù)，進(jìn)行PID控制的模擬，獲得模擬結(jié)果。在Honeywell平臺上實(shí)現(xiàn)了預(yù)測控制，將模擬模型的輸入輸出數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到HoneywellPDS，以導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)模型辨識和預(yù)測控制。人機(jī)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(xiàng)重要功能是用于對實(shí)際流程的研發(fā)試驗(yàn)，對應(yīng)于這一功能，一個(gè)用于對工藝流程以及控制策略等科研試驗(yàn)的交互系統(tǒng)是必備的。研發(fā)交互模塊提供一個(gè)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(jī)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(shè)計(jì)。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(jìn)行操作。（2）培訓(xùn)交互模塊流程工業(yè)過程控制仿真系統(tǒng)的另一項(xiàng)功能是操作培訓(xùn)。人機(jī)交互平臺提供的培訓(xùn)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(xué)習(xí)故障維護(hù)、設(shè)備操作等內(nèi)容。仿真平臺的培訓(xùn)交互系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，技術(shù)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(jìn)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(jìn)行各種設(shè)置、啟動或停止模型的運(yùn)行，另一方面學(xué)習(xí)掌握過程控制系統(tǒng)的相關(guān)工藝流程、設(shè)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(quán)限的用戶名和密碼進(jìn)入該系統(tǒng)，在瀏覽器上直觀地觀察和操作HYSYS模擬計(jì)算和學(xué)習(xí)各項(xiàng)培訓(xùn)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(chǔ)數(shù)據(jù)平臺。使用數(shù)據(jù)存儲管理是進(jìn)行控制系統(tǒng)監(jiān)控、系統(tǒng)先進(jìn)控制和優(yōu)化控制的基礎(chǔ)，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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)和多種數(shù)據(jù)管理功能。數(shù)據(jù)存儲管理模塊由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫HoneywellPHD和關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQLServer組成。實(shí)時(shí)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(guān)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(guān)系表存儲流程模擬系統(tǒng)中物性數(shù)據(jù)、裝置設(shè)備參數(shù)、原料產(chǎn)品數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)作為人機(jī)界面WEB展示和其他擴(kuò)展應(yīng)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(gè)模塊都是由不同的軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，所以該平臺通過使用多種計(jì)算機(jī)接口技術(shù)完成了這些軟件之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)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(shí)現(xiàn)方法，其中HoneywellPHD是先進(jìn)控制模塊和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)載體，Oracle是關(guān)系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)載體，Ex-cel和分別是人機(jī)交互模塊中研發(fā)交互系統(tǒng)和培訓(xùn)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(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(jìn)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(shí)現(xiàn)與MicrosoftExcel的連接和數(shù)據(jù)讀寫。培訓(xùn)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(shí)通過接口技術(shù)讀取和修改關(guān)系數(shù)據(jù)庫Oracle中以表形式存儲的相關(guān)數(shù)據(jù)。HoneywellPHD采集的數(shù)據(jù)存儲到關(guān)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(gè)服務(wù)安裝到服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的。

應(yīng)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(yīng)用情況。該流程中，原料油首先在精制器和裂化器進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)過高低壓分離器，進(jìn)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(xué)方法等[7]，按照加氫裂化工藝流程對反應(yīng)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(jìn)行設(shè)置，對反應(yīng)模塊與分餾模塊集總進(jìn)行轉(zhuǎn)換[8-9]，完成初步的建模?？梢酝ㄟ^基于ASW的研發(fā)交互模塊人機(jī)界面，在Excel上導(dǎo)航界面進(jìn)入數(shù)據(jù)輸入界面，查看導(dǎo)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(shè)備參數(shù)、操作過程參數(shù)和進(jìn)料參數(shù)輸入完整后，啟動加氫裂化的全流程模擬進(jìn)行計(jì)算。同樣，查看模擬結(jié)果的時(shí)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(jī)界面Excel上通過導(dǎo)航頁的方式查看相關(guān)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(guān)指標(biāo)。加氫裂化仿真平臺預(yù)測控制的仿真實(shí)驗(yàn)在Honeywell先進(jìn)控制平臺上實(shí)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(shí)現(xiàn)研究實(shí)驗(yàn)。將Honeywell采集到的輸入輸出數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到HoneywellPDS中，從導(dǎo)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(shè)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(yù)測出變量值，對模型進(jìn)行預(yù)測控制，如圖6所示為該仿真平臺上開發(fā)的預(yù)測控制實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)函數(shù)和預(yù)測控制效果。該仿真平臺開發(fā)的培訓(xùn)交互平臺，可以使流程工業(yè)企業(yè)員工遠(yuǎn)程使用瀏覽器進(jìn)入流程工業(yè)過程控制仿真系統(tǒng)的培訓(xùn)操作平臺，學(xué)習(xí)工藝流程、故障維護(hù)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(guān)的模擬數(shù)據(jù)。

采用VC、VB、COM組件、、數(shù)據(jù)庫等多種計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)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(jìn)控制、數(shù)據(jù)存儲管理、人機(jī)交互等內(nèi)容于一體，量表維護(hù)工時(shí)。2.4采集器的軟件實(shí)現(xiàn)采用領(lǐng)先的電力線載波通訊技術(shù)實(shí)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(shí)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(jī)再輸入熱量表地址信息，即可自動投入使用。同時(shí)，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(shù)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(yàn)，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(kuò)展性更強(qiáng)；使用看門狗技術(shù)，防止出現(xiàn)死機(jī)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(wù)器。在服務(wù)器的熱計(jì)量收費(fèi)管理系統(tǒng)上進(jìn)行各種操作來測試系統(tǒng)功能。主要操作如下：（1）設(shè)置集中器號，逐級下載采集器列表、表號列表。（2）點(diǎn)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(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)，并在服務(wù)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(shí)和累計(jì)流量等信息，智能判定熱量表故障。（4）廣播校時(shí)。整個(gè)系統(tǒng)時(shí)間一致，利于定時(shí)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(fù)測試，證明該系統(tǒng)可實(shí)際應(yīng)用。4結(jié)語本文主要介紹了一種基于復(fù)合通信方式（MBus/PLC/GPRS/Internet）的熱計(jì)量信息遠(yuǎn)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(shè)計(jì)，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(fù)的功能測試說明該系統(tǒng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確以及低成本地實(shí)現(xiàn)熱計(jì)量信息的遠(yuǎn)程傳輸。