CN203204395U - 利用半实物仿真技术用于过程控制研究的dcs***实验平台 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种利用半实物仿真技术用于过程控制研究的DCS***实验平台，采用分层式扁平化功能结构，主要分为三层结构，分别为***监控管理层、现场设备控制层以及过程数据采集层。利用该DCS***实验平台可使实验人员充分了解并掌握DCS***组成、功能结构以及具体开发等工作，同时采用计算机生产仿真模型作为DCS***的被控对象，又会让实验人员掌握如何利用DCS***实现对工业过程控制的方法。不仅如此，以DCS***实验平台对计算机生产仿真模型的过程控制为基础，化工工艺方面的实验人员可对计算机生产仿真模型进行冷态开车使整套仿真模型逐步运行。该DCS***实验平台可为DCS***、工业过程控制以及化工工艺三个方面提供实验教学等工作。

Description

利用半实物仿真技术用于过程控制研究的DCS***实验平台
技术领域
本实用新型属于DCS***、工业过程控制、化工工艺研究与半实物仿真技术领域，尤其涉及一种用于DCS***、工业过程控制以及化工工艺实验教学的实验平台。
背景技术
DCS（Distributed Control Systems）***目前已广泛应用于流程工业，在石油化工、电力等行业的发展都起到了重要的推进作用，其“集中管理、分散控制”的核心思想也已被众多过程控制行业利用与发展。同样，各高等院校也都纷纷开展了DCS***与工业过程控制的教学工作。单纯的理论教学并不能让学生真正的掌握DCS***与工业过程控制的科学技术，但是实验内容的开展又会面临诸多问题，例如采用真实的工业现场环境，被控对象的规模庞大并不能在实验室开展。此外，生产原料与设备的维护，过程对象中存在高温、高压的危险、生产单元产生的“废气、废液、废渣”以及每次运行所消耗的物资成本等问题都很大的限制了DCS***与工业过程控制相结合的实验教学的开展。
为实现对DCS***与工业过程控制的逼真模拟问题，一些研究将DCS***与工业生产的被控对象利用计算机仿真技术进行模拟，但是在很大程度上脱离了现实环境，全部的计算机仿真，组件之间的通讯方式并没有涉及到硬件控制***之间的工业以太网、现场总线、控制程序开发等实际工业过程控制所具有的技术，无法体现出DCS***的具体功能，更谈不上为实验人员提供DCS***开发内容。此外，有些研究采用几种典型的过程单元作为过程被控对象，尽管典型过程单元中具有液位、流量等特性，但并不具有现实工业生产过程中的高温、高压等重要特性。研究所面对的问题仅仅是某一个水箱的液位或是某一个管道的流量的过程控制，并不存在实际工业生产过程的复杂性、非线性、耦合性等问题。整个DCS***与过程控制相结合的程度不高，研究价值不明显。
实用新型内容
本实用新型目的是解决如何将DCS***与计算机生产仿真模型两者相互结合并稳定工作的问题。提供一种利用半实物仿真技术用于工业过程控制的DCS***实验平台。
本实用新型为解决公认技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种利用半实物仿真技术用于过程控制研究的DCS***实验平台，该DCS***实验平台采用分层式扁平化功能结构，主要分为三层结构，分别为***监控管理层、现场设备控制层以及过程数据采集层；
***监控管理层由工程师站、操作员站、数据服务器利用工业以太网交换机组成以局域网形式存在；
现场设备控制层利用一台西门子PLC作为DCS控制，两台PLC分别作为甲醇精制与甲醇合成计算机仿真过程控制单元的从站控制器，各控制器之间利用PROFIBUS现场总线构成总线型拓扑结构；
过程数据采集层由DCS***控制器、OPC服务器、计算机生产仿真模型组成；控制器通过OPC服务器与计算机生产仿真模型实现过程数据的采集于控制指令的发送。
进一步，现场设备控制层利用西门子S7-400PLC作为DCS控制，两台S7-300PLC分别作为甲醇精制与甲醇合成过程控制单元的从站控制器。
进一步，计算技术生产仿真模型将过程数据通过OPCDA规范传送至WinCC提供的OPC服务器中，OPC服务器利用MPI通讯方式将计算机生产仿真模型中的过程数据传送至DCS***控制器；同样DCS***控制器根据过程变量计算后的控制指令也是通过MPI通讯方式以及OPCDA规范，经过OPC服务器传送至计算机生产仿真模型中。
本实用新型的优点和积极效果是：
1.DCS***实验平台采用真实硬件控制***，DCS***实验平台具有工程师站、操作员站、数据服务器。硬件控制设备包括DCS***控制器以及智能从站，充分满足“集中管理、分散控制”的思想。实验人员可利用工程师站与操作员站进行DCS***开发与工业过程控制的研究等工作。
2.为解决采用真实过程单元所带来的诸多问题，DCS***实验平台配有以甲醇生产为背景而开发的甲醇生产仿真模型作为***被控对象。甲醇生产仿真模型由甲醇合成工艺与甲醇精制工艺组成。甲醇合成工艺包含：合成单元与压缩单元。甲醇精制工艺包含：常压塔单元、加压塔单元、回收塔单元以及预塔单元。将甲醇生产工厂以模拟的方式在计算机中运行，既能解决采用真实过程单元给实验室带来的问题，同时又能使实验人员面对实际甲醇生产所面临的所有过程控制问题。其仿真模型的复杂程度以及某些过程变量中存在非线性、强耦合性等复杂特性也与实际环境相符。实验人员面对的不再是某几个液位或流量，而是面对一整套的工业生产过程，为过程控制的研究带来更多的意义与价值。
3.被控对象作为虚拟的计算机仿真模型，在过程数据的采集与控制指令的传送中，DCS***实验平台采用OPC技术的OPCDA规范与MPI通讯协议完成。计算机生产仿真模型可作为OPC客户端使用，所有的过程变量都支持OPCDA规范。OPC服务器与计算机生产仿真模型连接，DCS***控制器可通过OPC服务器调用计算机生产仿真模型中任意的过程数据。同样，控制器根据过程变量计算后将控制指令传送到OPC服务器中，计算机生产仿真模型可通过OPC服务器得到DCS***控制器的控制指令。采用OPCDA规范与MPI通讯协议使DCS控制***与计算机生产仿真模型的连接仅需一条通讯电缆便可实现所有数据的传输工作，降低了布线成本，具有***稳定性强，扩展性高，维护简单等特点。
4.将真实DCS***与虚拟的计算机生产仿真模型相结合，即达到了对DCS***实验教学的目的，同时也为实验人员提供全面的工业过程控制对象，实现了工业过程控制的实验教学。DCS***实验平台将硬件与软件相结合，提供了全面的的开发环节以及实验环境，使实验人员切实掌握什么是DCS***，DCS***的功能是什么以及如何进行工业过程控制。
附图说明
图1是本实用新型所介绍的利用半实物仿真技术用于过程控制研究的DCS***实验平台结构结构示意图；
图2所示为本DCS***实验平台的***控制示意图；
图3所示为本DCS***实验平台的通讯网络结构；
图4所示为本DCS***实验平台的信号流向示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实例，并配合附图详细说明如下：
一种利用半实物仿真技术用于过程控制研究的DCS***实验平台，结构如图1所示。该DCS***实验平台充分满足“分散控制，集中管理”的重要思想，整体设计上采用分层式扁平化功能结构。主要分为三层结构，分别为***监控管理层、现场设备控制层以及过程数据采集层。***监控管理层由工程师站、操作员站、数据服务器利用工业以太网交换机组成，用于完成DCS***开发以及对计算技术生产仿真模型过程数据监控等工作。现场设备控制层利用西门子S7-400PLC作为DCS控制，两台S7-300PLC分别作为甲醇精制与甲醇合成过程控制单元的从站控制器，各控制器之间利用PROFIBUS现场总线构成总线型拓扑结构。该层功能用于实现对生产仿真装置的过程控制任务以及向***监控管理层发送计算机生产仿真模型的过程数据等工作。过程数据采集层由OPC服务器、计算机生产仿真模型组成。计算机生产仿真模型将过程数据通过OPCDA规范传送至WinCC提供的OPC服务器中，OPC服务器利用MPI通讯方式将计算机生产仿真模型中的过程数据传送至控制器。同样DCS***控制器控制命令也是通过MPI通讯方式以及OPCDA规范，经过OPC服务器传送至计算机生产仿真模型中。该层具体功能将计算机生产仿真模型过程数据采集到控制器中以及将控制器的控制指令传送至计算机生产仿真模型的执行结构。
图2所示为本DCS***实验平台的***控制示意图。
A：工程师站应用开发，操作员站向控制器发送控制指令。
B：DCS***控制器向OPC服务器发送控制指令。
C：OPC服务器向作为OPC客户端的生产仿真软件的过程变量发送数据。
D：生产仿真装置接收到控制命令后传送至后台的数学模型，计算相关工艺的过程值。
E：数学模型计算的过程数据实时传送至生产仿真软件的OPC客户端。
F：生产仿真软件将过程数据实时传送至OPC服务器。
G：OPC服务器将接收到的模型过程数据传送给DCS***控制器。
H：DCS***控制器将接收的模型过程数据传送给操作员站
DCS***实验平台的控制***与作为被控对象计算机生产仿真模型在数据与控制指令的传送上构成一个回路。在DCS***实验平台与计算机生产仿真模型中编写相对应的通讯地址，DCS***控制器的控制指令与计算机生产仿真模型的过程变量都可在信号回路中传输，为DCS***实验平台的过程控制研究等实验工作提供了重要保障。
图3所示为本DCS***实验平台的通讯网络结构。DCS***实验平台采用不同协议组成多层网络用于实现数据交换。分别为用于过程监控并与自动化站（AS）之间的工业以太网，现场控制设备之间的现场总线，DCS***控制器与OPC服务器之间的MPI层以及OPC服务器与计算机生产仿真模型之间的OPCDA层。每个层级之间直接或间接联系，DCS***控制器既挂接在工业以太网中，同时又属于现场总线的某一节点。智能从站既属于现场总线的节点，同时还处于MPI层负责与OPC服务器进行数据交换。DCS***实验平台可利用上述网络环境轻松的完成过程数据的上传以及控制指令的下发。避免了针对实际过程单元传感器与执行机构的大量的节点接线、排查与维护等问题，并且提高了数据的传输质量。
图4所示为DCS***实验平台数据交换示意图。DCS***实验平台实现对仿真模型的过程控制，就要涉及到数据交换的问题。本实用新型所介绍的DCS***实验平台是利用真实硬件控制***，结合软件仿真模型而实现。因此，采用DCS***实验平台中各自网络层的通讯协议直接或间接联系以此完成DCS***实验平台与计算机生产仿真模型中所有数据的交换。

Claims (2)

1.一种利用半实物仿真技术用于过程控制研究的DCS***实验平台，其特征在于，该DCS***实验平台采用分层式扁平化功能结构，主要分为三层结构，分别为***监控管理层、现场设备控制层以及过程数据采集层；
***监控管理层由工程师站、操作员站、数据服务器通过工业以太网交换机连接成局域网；
现场设备控制层利用一台PLC作为DCS控制器，两台PLC分别作为甲醇精制与甲醇合成计算机仿真过程控制单元的从站控制器，各控制器之间利用PROFIBUS现场总线进行连接；
过程数据采集层由DCS***控制器、OPC服务器组成；DCS***控制器与OPC服务器相连接。
2.按照权利要求1所述的利用半实物仿真技术用于过程控制研究的DCS***实验平台，其特征在于，现场设备控制层采用西门子S7-400 PLC作为DCS控制，从站控制器采用两台S7-300 PLC。 
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