基于Matlab和DCS的半实物仿真系统平台设计开发

data: ISTAT phd _ putdata ( TAGNO tagno, [ char 3 time2stamp ] , inttformat, CONF conf, void 3 databuf, int datalen, [ char3 units] ) 。 2. 2 仿真平台网络结构
D letaV 系统操作站 、应用站及工程师站与 DCS 控制器之间构成局域网 ,由 DelaV 系统控制器统一 分配网线进行连接 。应用站与 Matlab 模型机需与 外网相连 ,实现与 PHD 数据库之间的通讯 。仿真系 统平台网络结构如图 3所示 。
(1) Solver页设置 Sovler Op tion 下将 Type项选为 Fixed2step ,即将 变步长仿真改为定步长仿真 ,在 Fixed2step size 处设 置步长 ,步长太大可能导致仿真结果不准确 ,太小可 能使得仿真速度变得很慢 ,因此需要反复实验以寻 求最佳的仿真步长 。 ( 2) Real2time Workshop 页设置 [7 ] 在创建可执行目标之前 , Real2time Workshop 要 和适当的编译器进行连接 ,应用 mbuild2setup 设置 编译器 。在 Target Selection 分栏中选择 grt_malloc. tlc V isual C /C + + Project Make file only for the“grt_ malloc”target,其他选项按照默认 ,点击确认保存设 置 。Real2time Workshop 支持的目标系统有很多 , 但 大部分不 能 脱离 Matlab / Simulink 环 境 独 立 运 行 。 只有由 Generic Real2time Target 和 V isual C /C + + Project M ake file only for the“grt_malloc”target 生成 的代码可以脱离 Simulink 独立运行 。进行完这些设 置 后 , 点 击 Tools 下 Real2time Workshop 的 Build Model,将 Simulink 模型编译成可执行文件 。 最后将此可执行文件放入 DeltaV 应用站上 ,可 完全脱离 Matlab / Simulink环境运行 。 3. 2 DCS系统组态 (1) 常规控制组态 对于单回路系统控制模块组态 ,采用了 DeltaV 中标准的预组态模块 (L ibrary | Module Temp lates | Analog Control | P ID _LOOP) ,将控制模块从模块库 中拖放到指定 工厂 区 , 打 开该 控 制模 块的 Control Studio,可以设置符合应用要求的模块参数 。 (2) 操作画面组态 系统操作画面有四个基本按钮 : Start、Stop、Con2 tinue和 Quit,通过 Edit Scrip t编程可实现相应的切 换功能 。进入装置画面时 ,系统处于 Out of service 状态 ,点击 Start按钮 ,系统变为 In service状态 ,开始 进行控制 。点击 Pause按钮后 ,系统变为暂停状态 , 此时控制器暂停运行 ;点击 Continue按钮后 ,系统继 续进行控制操作 ;点击 Quit按钮后 ,控制停止 ,退出 该画面 ,进入主页面模拟装置选择画面 。另外点击 Cu r_No ise 右侧的编 辑 框 可 进 行 干 扰 幅 值 的 施 加 操 作 ; Filter Timeconst为滤波时间常数 ,通过切换 Add Filter与 W ithout Filter按钮可进行施加滤波和不施 加滤波的操作 。单回路控制系统操作画面见图 5。 3. 3 PHD 标签点组态 在 PHD 中 ,把标签点分成三类 :过程点 、虚点和
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发环境 。 兰 州 石化 公 司目 前 使用 最多 的 DCS 系 统 是 Emerson DeltaV 系统 ,基于此 ,首次提出采用 Matlab / Simulink结合 DeltaV 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 Matlab / Simulink环境运行 。仿真系统平台由三个模 块组成 : 过程模型由 Matlab / Simulink 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
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化 工 自 动 化 及 仪 表 第 36卷
块 ,采用 Simulink C MEX S函数 ,可实现 Matlab模型 模块与 PHD 数据库间的数据传递功能 。值得一提 的是 ,模型 创建 好 后 , 需 要 在 Simulation 下 拉 菜 单 Configuration Parameters中进行参数设置 。
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 [3 ] 、古典控制理论 、 [3 ]
现代控制理论 [4 ]等 。 ( 2) 技术 : DCS系统采用 Emerson DeltaV 9. 3版
本、Matlab 7. 0工程计算语言 [5, 6 ] 、V isual C + + 610编 程 、Honeywell PHD 实时数据库 。
a. DCS操作界面与 Control Studio 中 Input Pa2 ram s组态 ,形成 DCS读模块 ;
b. PHD Manager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. Matlab仿真模型模块将数据写入 PHD Man2 ager中 ,采用 PHD Manager提供的 AP I函数 phd_put
图 4 过程模型
其中 ,假设模块 Transfer Fcn为温度对象的传递 函数 , 模 块 Transfer Fcn1 为 阀 的 传 递 函 数 , 模 块
Transport Delay为滞后时间 , Random Number1 为随 机信号 (对象的干扰信号 ) , sfun_caj为接口程序模
3 etime, int tformat, [ PHSPEC 3 spec ] , [ PHDATA 3 3 phdata ] , [ PHRED 3 phred ] ) 。
(3) Matlab仿真模型模块计算所得的过程值写 入 PHD 实时数据库后 , PHD Manager、OPC 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 :
3收稿日期 : 2009208227 (修改稿 )
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
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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 (App 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 Manager通过 OPC Client客户端软件 读取 OPC Server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 。
(兰州石化公司 自动化研究院 ,兰州 730060)
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 。DeltaV DCS具有很好 的模块化组态及图形界面功能 ,M atlab / Simulink是功能强大的建模仿真工具 , Honeywell 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 / Simulink建立过程动态模型 , 通过 S函数编写 PHD 接口程序 ,经 M atlab的 Real2time Workshop 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 atlab / Simulink; PHD; Real2time Workshop; S函数 ; DeltaV DCS; P ID 中图分类号 : TP273 文献标识码 : A 文章编号 : 100023932 (2009) 0520092204
(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 Manag2 er及 Matlab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 Control Studio 中进 行 Output Param s 组态 ,形成 DCS写模块 ;
Hale Waihona Puke Baidu
1 引 言 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
图 3 仿真系统平台网络结构图
3 仿真系统平台开发 3. 1 S im ulink系统建模
Simulink是 Matlab 软件下的一个附加组件 ,是 用来提供一个系统级的建模与动态仿真的工具平 台 ,在其下提供了丰富的仿真模块 。一般来说 ,可以 很容易地利用鼠标在模型窗口中建立所需要的控制 系统模型 。 Simulink 创建模型的优势 : 增减模型容 易 ,封装性好 ,扩展性强 ,且可生成 exe文件 ,具有较 好的移植性 。
研究与应用 化工自动化及仪表 , 2009, 36 (5) : 92～95 Control and Instruments in Chem ical In du str y
基于 M a tlab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
口采用 Honeywell PHD 实时数据库 。利用 DCS系统 和 Matlab / Simulink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
b. PHD Manager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. Matlab仿真模型模块读取 PHD Manager数据 的关键指令是 PHD 提供的 AP I函数 phd _ getdata:
ISTAT phd_getdata ( TAGNO tagno, char 3 stime, char
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 MES、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 。
Real2time Workshop 是 Simulink 和 Matlab 功能 的一种扩展 ,它从 Simulink模型中自动产生 、打包和 编译代码 ,为不同的系统产生实时应用软件 , 可与 Matlab和 Simulink实现无缝结合 。
本文应用 Simulink建立三阶传递函数加纯滞后 模型 ,模型如图 4所示 。