基于力控和MATLAB的仿真培训系统的研究

摘 要：从三效制糖蒸发器生产设备和工艺控制的全过程出发，利用仿真技术系统地实现了设备和过程的动态行为，真实地模仿了实际生产的操作。介绍了一种基于单台计算机的智能控制（Industrial Personal Computer and Intelligent Process Controller,简称IPC）仿真培训系统，以力控组态软件Force Control作为图形用户界面（GUI）开发平台，采用MATLAB构造实际被控对象模型，并通过DDE技术实现力控组态软件与MATLAB之间的实时数据通信，该方法适用于开发小型精细化工过程操作培训仿真器，给仿真培训系统的开发研究带来了便利。

关键词：组态软件MATLABIPCDDE

中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1007-9416（2010）10-0040-02

1 引言

近年来，在先进的化工过程工业领域，使用过程仿真培训系统培训化工过程操作人员得到了很大的推广。仿真培训系统的开发主要集中在大规模连续运行的石化和化工过程操作培训仿真器的开发。通常，大中型化工过程多采用分散式（Distributed Control System, DCS）系统仿真器来培训操作人员。由于小型精细化工生产过程多采用数字化智能化仪表控制或工业PC机控制，若采用分散式DCS仿真培训系统，制作复杂、成本高，并不适宜。

本文采用的IPC仿真模式（Industrial Personal Computer and Intelligent Process Controller,简称IPC），比较适合采用智能数字仪表控制或工业PC机控制的小型精细化工过程的仿真培训。所谓IPC仿真模式，就是单台PC机仿真模式，此类仿真器将操作界面、教师监控功能和动态仿真模型集成在同一台个人PC机上，能运行中小型化工过程或单元级仿真软件，特别适合小型精细化工过程的仿真培训，用于该化工过程开车前培训，辅助生产运行及改造。本系统主要用于一套中小规模的甜菜制糖生产线中的蒸发工段的仿真培训，属于单元级培训，采用IPC仿真模式进行开发比较适宜。本文研究并实现的IPC模式过程仿真培训系统开发技术，为过程仿真培训系统开发技术领域的研究带来了便利。

2 过程仿真培训系统的开发

2.1 实现方案与原理

采用IPC仿真模式，仿真系统的硬件平台可以选择个人PC机或工业PC机，所以该精细化工过程仿真培训系统的开发主要在于软件的开发。该仿真培训系统软件开发的总体技术方案见图1。

一个工业自动化检测和控制常用的组态软件Force Control，被用作为开发该仿真器GUI的平台。Force Control具有全面的HMI开发能力，强大的SCADA功能和用户可以完全定制的图表显示和记录功能。依靠Force Control强大的彩色图形绘制、过程参数动态显示、命令按钮操作、动态数据输入输出和命令语言编程功能，可以开发出该新型IPC模式仿真器的GUI。利用机理建模法，在MATLAB中建立过程对象模型。监控组态软件和MATLAB对象模型之间的实时动态数据通信采用动态数据交换（DDE）通信方式。培训人员通过点击组态软件中的命令按钮和有关图形控件把操作指令输入组态软件，组态软件把这些输入指令存入数据库，数据经DDE传至MATLAB中的被控对象模型，仿真结果经DDE再传给组态软件的数据库，由组态软件显示记录。在组态软件的仿真图形界面中设置事故设定、时标设定、快门设定和成绩评定等命令按钮，可实现完善的仿真操作培训功能。

2.2 被控对象模型的建立

甜菜糖厂的制糖生产过程主要由加热工段、蒸发工段和结晶工段组成，再配以其他的辅助处理过程。本仿真培训系统研究的是甜菜制糖生产中的蒸发工段的工艺及其相应的蒸发器仿真情况。蒸发工段采用三效压力蒸发系统，本系统中对三效制糖蒸发器的建模采用机理建模法。

在MATLAB中，使用MATLAB语言将蒸发器的数学模型编写成S-函数，然后将已定义的S-函数与Simulink中的自定义模块连接，则生成Simulink环境下的蒸发器的仿真模块，该蒸发器模块与实现DDE通信的模块共同构成了本系统的仿真模型。

2.3 组态软件力控与MATLAB之间的DDE实时数据通信

在Windows环境下，DDE是应用程序之间实时动态数据交换的有效方法，当系统中数据量较少时，使用DDE传送数据较实用。本文采用IPC仿真模式，开发小型精细化工仿真培训系统，数据量在符合仿真操作培训的前提下，采用DDE方式，可以较好实现数据动态通信。DDE应用程序分为4类：客户程序、服务器程序、客户/服务器程序、监视器。在本文的仿真培训器中，监控组态软件力控与MATLAB对象模型的实时通信以EXCEL作为中介，采用DDE通信方式来实现动态数据交换，MATLAB应用程序和力控应用程序作为客户程序，EXCEL应用程序作为客户服务器程序。其中，MATLAB与EXCEL之间的DDE通信的软件设计是在MATLAB的Simulink中使用MATLAB语言编写灵活的S函数来实现，以M文件形式存在。MATLAB自带一些DDE通信函数，直接调用即可；力控与EXCEL的DDE通信是将力控数据库作为客户端访问DDE服务器程序EXCEL,力控数据库把DDE服务器当作一个I/O设备。数据库中的点参数通过I/O数据连接与DDE服务器程序进行数据交换。

2.4 操作员成绩评定模型

分析操作员培训效果的评定模型必须准确、客观。它必须同时考虑被培训操作人员的操作顺序、操作质量和操作安全。基于操作员在IPC模式过程仿真器上的操作记录，评定操作员成绩的模型如下：

（1）

，， （2）

其中：S—被培训人员的总分，SS—操作步骤得分，SQ—操作质量得分，SA—操作安全得分；SSi、SQi和SAi—被培训人员第i步操作步骤、操作质量和操作安全得分；WS、WQ和WA—评定操作步骤、操作质量和操作安全的加权因子；n—总操作步数。成绩评定功能是通过力控的应用程序动作中的脚本程序实现的，脚本代码略。

2.5 图形用户界面的开发与命令语言编程

用组态软件Force Control开发仿真培训软件的图形用户界面，包括仿真工艺流程图、手动阀调节画面、PID调节画面及其参数整定画面、报警画面、成绩评定画面、快门设定画面、历史曲线显示画面、曲线选择画面、时标设定画面、实时曲线显示画面和事故设定画面等，并编制了这些显示画面中各图素相对应的命令语言。在仿真工艺流程图中，设置了开车、暂停、事故、成绩、曲线、报警、快门、时标、停车等仿真培训操作命令按钮，编制了与这些命令按钮相对应的命令语言，用于显示相应的操作画面、输入操作命令和参数等。

2.5.1 工艺流程图

仿真培训系统的流程图绘制是根据三效制糖生产线的实际蒸发工艺，使用力控ForceControl6.0监控组态软件提供的图库以及自制的图形构件完成，主要包括：蒸发罐和物料罐；开关阀和调节器；控制按钮；各式管路。

如工艺流程图2所示，蒸发工段由三个蒸发罐、一个物料罐、一台离心泵、管线、调节器及阀门等组成。加热蒸汽经调节阀v1控制进入一效蒸发罐，一效蒸发罐产生的二次蒸汽（又称汁汽）的流量经调节阀v8控制进入二效蒸发罐，二效蒸发罐产生的二次蒸汽的流量经调节阀v14控制进入三效蒸发罐，三效蒸发罐产生的二次蒸汽传送至工厂的其他用热设备。三个蒸发罐的压力依次由调节器PIC101、PIC102、PIC103控制，它们的输出信号依次连接至v1、v8和v14。加热工段生产的糖汁经调节阀v2控制进入物料罐,其液位由调节器LIC104控制，它的输出信号连接至v2。糖汁经三个蒸发罐的蒸发后，生成糖浆送至结晶工段。其中，三个蒸发罐的液位依次由调节器LIC101、LIC102、LIC103控制，它们的输出信号依次连接至v7、v13和v19。

2.5.2 监控组态设计

仿真培训系统监控组态部分的设计是使用力控组态软件提供的变量字典、动画连接和命令语言等功能开发完成，主要包括：进行I/O设备组态；创建实时数据库并组态各种变量参数；建立动画连接；编写动作脚本。

2.5.3 系统的控制方案

本系统共有7个控制点，分别实现对三个蒸发罐的压力和液位进行控制，以及对物料罐的液位进行控制，具体控制情况如下：

*PIC101控制1效蒸发罐的压力，采用PID单回路调节，正作用。

*PIC102控制2效蒸发罐的压力，采用PID单回路调节，正作用。

*PIC103控制3效蒸发罐的压力，采用PID单回路调节，正作用。

*LCI101控制1效蒸发罐的液位，采用PID单回路调节，正作用。

*LCI102控制2效蒸发罐的液位，采用PID单回路调节，正作用。

*LCI103控制3效蒸发罐的液位，采用PID单回路调节，正作用。

*LCI104控制物料罐的液位，采用PID单回路调节，正作用。

3 结论

本文利用仿真技术，在对设备工艺和控制综合分析并构建模型的基础上，采用单机智能控制仿真模式，以监控组态软件为人机交互操作界面，以MATLAB/Simulink编制数学模型软件，通过DDE方式实现组态软件与模型软件的动态通信，来研制三效制糖蒸发器生产过程设备的仿真培训系统，效果良好。对三效制糖蒸发工段的模拟和过程设备的系统仿真，不但解决了工厂的开停车及正常操作工况的培训，同时也为过程的优化和改造提供了有力工具。以上研究表明，本文研究并实现的IPC模式过程仿真培训系统开发技术，对于过程仿真培训系统开发技术领域的研究带来了便利。

参考文献

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作者简介：武传宝，1978年出生，讲师，硕士，主要从事计算机网络技术、计算机教育技术、网络安防技术、计算机控制技术等方面的研究。