自控组态软件在仿真培训系统中的应用

摘要：本文根据某化工装置的工艺特点，采用IPC仿真模式，以自控组态软件为显示操作图形界面，以动态链接库函数建立组态软件与动态数学模型之间的动态数据接口，编制了某化工装置仿真培训软件，并简要叙述了仿真培训系统的优点及该软件的研制方案，介绍了该装置仿真软件的研制情况及其较好的应用前景。
　　1． 引言
　　 仿真培训系统是利用计算机仿真各种物理工程技术，构造一种以训练和教学为目的，在某种程度上再现一个真实系统行为的系统。其目的是使接受培训的人员在进行实际生产前，熟悉生产过程中各阶段的操作，以培养一批技术熟练、经验丰富的操作人员。这种培训方式同传统的操作人员培训方式——先学习技术理论和操作规定，再到生产现场，以师傅带徒弟的方法进行技能培训相比，具有无需投料、没有危险性、能节省培训费用、大大缩短培训时间且能模拟操作在现场中绝对不可出现的确良各种事故状态等种种优点。
　　 采用动态仿真系统培训生产操作人员，在目前国内外先进化工行业较常见。因为通过仿真操作培训，能让操作人员更好地了解和掌握工艺原理、工艺流程和操作规程，让操作人员在仿真系统上“尝试”生产操作，进行开车、运行和停车操作，设置和处理事故，往往使操作人员能在更短的时间内更准确、全面地学会工艺操作。并且仿真培训系统能对操作人员的操作按操作规程的规定进行打分，可以考核培训效果。
　　 由于本生产装置采用智能数字仪表进行显示和控制，故采用IPC智能控制模式比较适合其操作特点。本文以一种通用监测控制组态软件为人/机交互显示操作界面，通过建立数学模型与组态软件之间的动态数据接口，研制了本装置仿真培训软件。
　　2． 以自控组态软件为图形界面的研制方案
　　 该方案的原理框图见图1。

　　图1 以组态软件为图形界面仿真培训软件的研制方案

　　
　　从图1可见，该方案首先应选择一套自控组态软件，依靠其较强的彩色工艺流程图，工艺参数趋势图、棒图绘制和动态参数显示、命令按钮操作功能，以及较强的动态参数I/O功能，制作仿真培训软件和人机交互操作图形界面，根据工艺术过程机理和数据建立的动态数学模型，用可视化编程语言如Visual C++等编制和编译成可执行软件。数学模型运行软件和自控组态软件同在一个实时多任务操作系统中运行，它们通过实时动态数据库相连。培训人员用鼠标、键盘输入的操作命令如阀门开关、泵和电机的启停，通过点击自控组态软件画面中的命令按钮和阀门、泵、电机图形控件输入组态软件；组态软件把这些输入命令和参数通过动态数据库传送到数学模型运行软件；数学模型运行软件的运算结果，如反应浓度的变化、温度的高低，输出至实时动态数据库传至组态软件显示记录。再在组态软件中设置事故设定、时标设定、快门设定、成绩评定等命令按钮，可实施完善的操作培训功能。
　　 该方案中自控组态软件与数学模型运行软件之间的实时动态数据交换软件的编制是个关键技术难点。一般可采用两种方法，一是采用动态数据链接库函数（DDL），另一种方法是采用动态数据交换DDE方式。DDL方式适用于数据交换量较多的场合，DDE则用于数据交换量少一些的场合。
　　 通过调研论证，本课题选取了北京金佳诺公司的Century Star工业自动化监控组态软件，作为本方案研制仿真培训软件的开发平台，其具有完备的人机界面（HMI）及监控与数据采集功能（SCADAF）和图形报表功能，性能价格比高。关于该软件的详细技术情况可参见[3]
　　3．该装置仿真培训软件研制情况
　　该装置仿真培训软件研制情况如下：
　　3．1完成了该装置带动态检测控制点工艺流程图的绘制，这个流程图画面是该仿真培训软件的主画面，包括了工艺流程中的各个设备、管路、阀门、仪表和自控回路，对各个部件分类进行了编写。该仿真培训流程图采用了Century star的三维绘图功能模块和图库绘制，比较形象逼真。在每幅流程图中都设置了当前日期、时间显示窗口。
　　3．2设置了开车、暂停、画面选择、事故设定、开车成绩、曲线显示、报警画面、快门设定、时标设定、停车等仿真培训命令按扭。并编置了与这些命令按扭相对应的子程序和相应的显示画面。
　　3．3对流程图中各开度可调的手动阀门，均编程设置了开度调节画面，见图2。其中F键是快开选择按扭，如选择快开按扭，其旁边指示灯变红，每次按增、减键，手动阀门开度增加5%或减少5%。如未选择快开按扭，则每次按增、减键，阀门开度增加1%或减少1%。在该画面中，有阀门开度的数字显示，并用动态棒状图显示阀门开度。按Q键退出阀门开度调节画面。对开关两位式阀门，用鼠标点击，通过改变阀门的颜色来表示阀门的开、关状态。
　　3．4对流程图中的调节器，编程设置了调节器参数显示和调整画面，见图3。图中以动态棒图显示测量值和设定值的变化，以动态数值显示阀门开度，设置了自动、手动、串级和快速选择按扭及参数增减按扭。按T打开调节器参数PID整定画面，可快速增减或正常增减PID参数值。
　　 对全部生产过程建立其数学模型，然后用可视化语言Visual C++对模型进行编程实现。数学模型运行软件通过调用Century Star自控组态软件中的USERDLL（）函数，较好地实现了自控组态软件与数学模型软件之间的动态数据连接，可较好地进行仿真运行。
　　4． 结论
　　 对以上所编制的某生产装置仿真培训软件试运行结果表明，该软件能较好地模拟生产动态工况，模拟手工阀门操作和自控仪表调节操作，有较乐观的实际应用前景。
　　 这说明，本文采用IPC智能控制仿真模式，以Century Star 自控组态软件为显示操作图形界面，以化工动态学方法建立过程式动态数学模型，以动态链接库函数DLL联接组态软件和数学模型运行软件的仿真培训软件研制技术方案是可行的。本文的研究尝试对于研究掌握化工过程动态仿真技术具有积极的意义。对于研究其它化工生产装置的仿真培训软件具有一定的参考价值。
　　

　　 图2 手动阀调节 图3调节器调节