基于Matlab和DCS的半实物仿真系统平台设计开发
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研究与应用
化工自动化及仪表 , 2009, 36( 5): 92~ 95 Contro l and Instrum ents in Che m ical Industry
基于 M atlab和 DCS的半实物 仿真系统平台设计开发
任丽丽, 陈爱军 , 邹玉龙
( 兰州石化公司 自动化研究院 , 兰州 730060)
图 1 仿真系统平台框架图
图 2 三个模块间交互传递的数据接口图
仿真系统平台的设计采用了众多理论和技术: ( 1 ) 理论: 化工流 程模 拟 现代控制理论
[ 4] [ 3]
本、 M atlab 7. 0工程计算语言 、
[5 , 6]
、 V isual C+ + 6 0编
、 古典 控制 理论
[ 3]
*
发环境。 兰 州 石 化 公 司 目 前 使 用最 多 的 DCS 系 统 是 Em erson D elta V 系统, 基于此, 首次提出采用 M atlab / Sm i u link结合 D elta V DCS, 进 行半 线 式仿 真 系 统的 设计与开发, 仿真结果显示, 仿真软件能够完全脱离 M atlab /S m i u link环境运行。仿真系统平台 由三个模 块 组成: 过 程模 型 由 M atlab / S m i u link 来 创 建, 控制 器 采用 DCS系统 控制器, 模型与 控制器 间的数 据接
对于生产环境 易燃易 爆的石 油化 工行业, 由于 工业过程的高度非线性、 过程强耦合性、 固有的大时 滞性、 以及操作的连续安全性要求, 新技术研究和员 工培训不可能在 实际 生产装 置中进 行。因此, 建立 一套系统的生产过程的仿真平台来进行新技术理论 的研究和实践是一种非常有效的手段。员工可以在 仿真平台上进行工 厂生产 系统的 仿真 操作, 满 足技 术人才培养, 也可以 根据自 己的需 要进 行多种 生产 操作环境的模拟研 究, 为新 技术研 究建 立良好 的研
摘要 :
针对生产环境易燃易爆的石油化 工行业 , 首次提出新思路开发仿真系统平台 。 De ltaV DCS 具有很好
的模块化组态及图形界面功能 , M a tlab /Si m ulink 是功能 强大的 建模仿 真工具 , H oneyw ell PHD 为丰富的 应用软 件 及数据接口软件 。 充分利用三者优势 , 可 便捷迅速 的开发 仿真平 台 。 应用 M atlab /S i m u link 建 立过 程动态 模型 , 通过 S 函数编写 P HD 接口程序 , 经 M a tlab 的 R eal ti m e W orkshop 将 模型文 件编译 成可执 行文件 , 与 DCS 实现 交 互 。 通过一常规控制试验 , 结果表明仿真系统三个模块 的嵌入式功能非常可靠 , 验证了仿真平台的可行性和 实用 性。 关键词 : M a tlab/S i m ulink; PHD; R ea l ti m e W o rkshop; S 函数 ; De ltaV DCS; P I D 中图分类号 : T P273 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 3932( 2009) 05 0092 04
1 引
言
口采用 H oneyw ell PHD 实时数据库。利用 DCS 系统 和 M at lab /S m i u link过程模型组建 DCS 仿真 系统, 既 解决了实验室的 DCS缺少 实际控制 对象的 问题, 而 且可以利用 DCS 强大的 模块 化组 态功 能进 行过 程 对象的控制方案的设 计和 改进, 这 就像 将一个 个化 工装置搬进了实验室一样 [ 1, 2] 。 2 仿真系统平台设计 系统平台数据接口采用 PHD 实时数 据库, 其为 丰富的应用软件和数 据接 口软件, 具有 强大和 完善 的历史数据管理能力, 可在 线存储 工艺 过程点 的长 时间数据, 用户既可浏 览系 统当前 也可 回顾过 去的 运行 情况, 最值 得一 提的 是其 可结 合 M ES、 ERP 系 统, 采集相应数据 进行统 计分 析。仿真 系统平 台框 架及数据接口如图 1、 2 所示。
程Hale Waihona Puke Hon eywell PHD 实时数据库。
* 收稿日期 : 2009 08 27( 修改稿 )
等。
( 2 ) 技术: DCS 系统采用 Emerson DeltaV 9. 3版
第 5期
任丽丽等 . 基于 M atlab 和 DCS 的半实物仿真系统平台设计开发
93
[ ch ar *
2. 1 仿真平台模块功能 ( 1 ) DCS控制系统一般由工程师站 ( ES 站 )、 操 作员站 ( OP 站 ) 、 应用 站 ( A pp 站 )组 成。 OP 站的功 能是进行组态设计控制方 案, 应用站是 作为 OPC 的 服务器。 PHD M an ager通过 OPC C lien t客户端 软件 读取 OPC S erver 中的 数 据, 并 存储 为 数据 库 文件。 可以说 PHD 数据库与 DCS 仿 真系统之 间的数 据传 递采用 OPC 协议。 ( 2 ) DeltaV 控 制 器计 算 所得 的 输出 值 u 通过 OPC 接口协议写入 PHD 实时数据库后, PHD M anag er及 M atlab 仿真模型模块 利用彼此 的接口 协议, 将 控制器的输出值传 递给仿 真模 型模块 的输入 端口, 从而计算出 模型的 过程值 y 。完 成该 项功能, 需要 做以下工作: a . 在 DCS Contro l S tud io 中 进 行 O utpu t Para ms 组态, 形成 DCS 写模块; b. PHD M anager组态, 建立控 制器输出 点, 并将 其与对应的 DCS 写模块变量相关联; c . M atlab 仿真模型模块读取 PHD M an ager数据 的关键指 令 是 PHD 提 供 的 AP I 函数 phd _ getdata : ISTAT phd_getdata( TAGNO tagno , ch ar* stm i e , char * etm i e , in t tfor m at , [ PHSPEC * spec] , [ PHDATA * * phdata], [ PHRED * ph red ] )。 ( 3) M atlab仿真模型模块计算所得的 过程值写 入 PHD 实时数据 库后, PHD M anager 、 O PC Server及 DeltaV 三方利用彼此 的接口 协议, 将模型 的过 程数 据显示在 DCS 系统的操作画面 中。完成该 项功能, 需要做以下工作: a . DCS 操 作 界 面与 Con trol S tud io 中 Input Pa ra m s组态, 形成 DCS读模块; b. PHD M anager组态, 建立模 型输出点, 并将其 与对应的 DCS 读模块变量相关联; c . M atlab 仿真模 型模 块将 数 据写 入 PHD M an ager中, 采用 PHD M an ager提供的 AP I函数 phd _pu t
化工自动化及仪表 , 2009, 36( 5): 92~ 95 Contro l and Instrum ents in Che m ical Industry
基于 M atlab和 DCS的半实物 仿真系统平台设计开发
任丽丽, 陈爱军 , 邹玉龙
( 兰州石化公司 自动化研究院 , 兰州 730060)
图 1 仿真系统平台框架图
图 2 三个模块间交互传递的数据接口图
仿真系统平台的设计采用了众多理论和技术: ( 1 ) 理论: 化工流 程模 拟 现代控制理论
[ 4] [ 3]
本、 M atlab 7. 0工程计算语言 、
[5 , 6]
、 V isual C+ + 6 0编
、 古典 控制 理论
[ 3]
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发环境。 兰 州 石 化 公 司 目 前 使 用最 多 的 DCS 系 统 是 Em erson D elta V 系统, 基于此, 首次提出采用 M atlab / Sm i u link结合 D elta V DCS, 进 行半 线 式仿 真 系 统的 设计与开发, 仿真结果显示, 仿真软件能够完全脱离 M atlab /S m i u link环境运行。仿真系统平台 由三个模 块 组成: 过 程模 型 由 M atlab / S m i u link 来 创 建, 控制 器 采用 DCS系统 控制器, 模型与 控制器 间的数 据接
对于生产环境 易燃易 爆的石 油化 工行业, 由于 工业过程的高度非线性、 过程强耦合性、 固有的大时 滞性、 以及操作的连续安全性要求, 新技术研究和员 工培训不可能在 实际 生产装 置中进 行。因此, 建立 一套系统的生产过程的仿真平台来进行新技术理论 的研究和实践是一种非常有效的手段。员工可以在 仿真平台上进行工 厂生产 系统的 仿真 操作, 满 足技 术人才培养, 也可以 根据自 己的需 要进 行多种 生产 操作环境的模拟研 究, 为新 技术研 究建 立良好 的研
摘要 :
针对生产环境易燃易爆的石油化 工行业 , 首次提出新思路开发仿真系统平台 。 De ltaV DCS 具有很好
的模块化组态及图形界面功能 , M a tlab /Si m ulink 是功能 强大的 建模仿 真工具 , H oneyw ell PHD 为丰富的 应用软 件 及数据接口软件 。 充分利用三者优势 , 可 便捷迅速 的开发 仿真平 台 。 应用 M atlab /S i m u link 建 立过 程动态 模型 , 通过 S 函数编写 P HD 接口程序 , 经 M a tlab 的 R eal ti m e W orkshop 将 模型文 件编译 成可执 行文件 , 与 DCS 实现 交 互 。 通过一常规控制试验 , 结果表明仿真系统三个模块 的嵌入式功能非常可靠 , 验证了仿真平台的可行性和 实用 性。 关键词 : M a tlab/S i m ulink; PHD; R ea l ti m e W o rkshop; S 函数 ; De ltaV DCS; P I D 中图分类号 : T P273 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 3932( 2009) 05 0092 04
1 引
言
口采用 H oneyw ell PHD 实时数据库。利用 DCS 系统 和 M at lab /S m i u link过程模型组建 DCS 仿真 系统, 既 解决了实验室的 DCS缺少 实际控制 对象的 问题, 而 且可以利用 DCS 强大的 模块 化组 态功 能进 行过 程 对象的控制方案的设 计和 改进, 这 就像 将一个 个化 工装置搬进了实验室一样 [ 1, 2] 。 2 仿真系统平台设计 系统平台数据接口采用 PHD 实时数 据库, 其为 丰富的应用软件和数 据接 口软件, 具有 强大和 完善 的历史数据管理能力, 可在 线存储 工艺 过程点 的长 时间数据, 用户既可浏 览系 统当前 也可 回顾过 去的 运行 情况, 最值 得一 提的 是其 可结 合 M ES、 ERP 系 统, 采集相应数据 进行统 计分 析。仿真 系统平 台框 架及数据接口如图 1、 2 所示。
程Hale Waihona Puke Hon eywell PHD 实时数据库。
* 收稿日期 : 2009 08 27( 修改稿 )
等。
( 2 ) 技术: DCS 系统采用 Emerson DeltaV 9. 3版
第 5期
任丽丽等 . 基于 M atlab 和 DCS 的半实物仿真系统平台设计开发
93
[ ch ar *
2. 1 仿真平台模块功能 ( 1 ) DCS控制系统一般由工程师站 ( ES 站 )、 操 作员站 ( OP 站 ) 、 应用 站 ( A pp 站 )组 成。 OP 站的功 能是进行组态设计控制方 案, 应用站是 作为 OPC 的 服务器。 PHD M an ager通过 OPC C lien t客户端 软件 读取 OPC S erver 中的 数 据, 并 存储 为 数据 库 文件。 可以说 PHD 数据库与 DCS 仿 真系统之 间的数 据传 递采用 OPC 协议。 ( 2 ) DeltaV 控 制 器计 算 所得 的 输出 值 u 通过 OPC 接口协议写入 PHD 实时数据库后, PHD M anag er及 M atlab 仿真模型模块 利用彼此 的接口 协议, 将 控制器的输出值传 递给仿 真模 型模块 的输入 端口, 从而计算出 模型的 过程值 y 。完 成该 项功能, 需要 做以下工作: a . 在 DCS Contro l S tud io 中 进 行 O utpu t Para ms 组态, 形成 DCS 写模块; b. PHD M anager组态, 建立控 制器输出 点, 并将 其与对应的 DCS 写模块变量相关联; c . M atlab 仿真模型模块读取 PHD M an ager数据 的关键指 令 是 PHD 提 供 的 AP I 函数 phd _ getdata : ISTAT phd_getdata( TAGNO tagno , ch ar* stm i e , char * etm i e , in t tfor m at , [ PHSPEC * spec] , [ PHDATA * * phdata], [ PHRED * ph red ] )。 ( 3) M atlab仿真模型模块计算所得的 过程值写 入 PHD 实时数据 库后, PHD M anager 、 O PC Server及 DeltaV 三方利用彼此 的接口 协议, 将模型 的过 程数 据显示在 DCS 系统的操作画面 中。完成该 项功能, 需要做以下工作: a . DCS 操 作 界 面与 Con trol S tud io 中 Input Pa ra m s组态, 形成 DCS读模块; b. PHD M anager组态, 建立模 型输出点, 并将其 与对应的 DCS 读模块变量相关联; c . M atlab 仿真模 型模 块将 数 据写 入 PHD M an ager中, 采用 PHD M an ager提供的 AP I函数 phd _pu t