自控組態軟件在仿真培訓系統中的應用

摘要：本文根據某化工裝置的工藝特點，采用IPC仿真模式，以自控組態軟件為顯示操作圖形界面，以動態鏈接庫函數建立組態軟件與動態數學模型之間的動態數據接口，編制了某化工裝置仿真培訓軟件，并簡要敘述了仿真培訓系統的優點及該軟件的研制方案，介紹了該裝置仿真軟件的研制情況及其較好的應用前景。
　　1． 引言
　　 仿真培訓系統是利用計算機仿真各種物理工程技術，構造一種以訓練和教學為目的，在某種程度上再現一個真實系統行為的系統。其目的是使接受培訓的人員在進行實際生產前，熟悉生產過程中各階段的操作，以培養一批技術熟練、經驗豐富的操作人員。這種培訓方式同傳統的操作人員培訓方式——先學習技術理論和操作規定，再到生產現場，以師傅帶徒弟的方法進行技能培訓相比，具有無需投料、沒有危險性、能節省培訓費用、大大縮短培訓時間且能模擬操作在現場中絕對不可出現的確良各種事故狀態等種種優點。
　　 采用動態仿真系統培訓生產操作人員，在目前國內外先進化工行業較常見。因為通過仿真操作培訓，能讓操作人員更好地了解和掌握工藝原理、工藝流程和操作規程，讓操作人員在仿真系統上“嘗試”生產操作，進行開車、運行和停車操作，設置和處理事故，往往使操作人員能在更短的時間內更準確、全面地學會工藝操作。并且仿真培訓系統能對操作人員的操作按操作規程的規定進行打分，可以考核培訓效果。
　　 由于本生產裝置采用智能數字儀表進行顯示和控制，故采用IPC智能控制模式比較適合其操作特點。本文以一種通用監測控制組態軟件為人/機交互顯示操作界面，通過建立數學模型與組態軟件之間的動態數據接口，研制了本裝置仿真培訓軟件。
　　2． 以自控組態軟件為圖形界面的研制方案
　　 該方案的原理框圖見圖1。

　　圖1 以組態軟件為圖形界面仿真培訓軟件的研制方案

　　
　　從圖1可見，該方案首先應選擇一套自控組態軟件，依靠其較強的彩色工藝流程圖，工藝參數趨勢圖、棒圖繪制和動態參數顯示、命令按鈕操作功能，以及較強的動態參數I/O功能，制作仿真培訓軟件和人機交互操作圖形界面，根據工藝術過程機理和數據建立的動態數學模型，用可視化編程語言如Visual C++等編制和編譯成可執行軟件。數學模型運行軟件和自控組態軟件同在一個實時多任務操作系統中運行，它們通過實時動態數據庫相連。培訓人員用鼠標、鍵盤輸入的操作命令如閥門開關、泵和電機的啟停，通過點擊自控組態軟件畫面中的命令按鈕和閥門、泵、電機圖形控件輸入組態軟件；組態軟件把這些輸入命令和參數通過動態數據庫傳送到數學模型運行軟件；數學模型運行軟件的運算結果，如反應濃度的變化、溫度的高低，輸出至實時動態數據庫傳至組態軟件顯示記錄。再在組態軟件中設置事故設定、時標設定、快門設定、成績評定等命令按鈕，可實施完善的操作培訓功能。
　　 該方案中自控組態軟件與數學模型運行軟件之間的實時動態數據交換軟件的編制是個關鍵技術難點。一般可采用兩種方法，一是采用動態數據鏈接庫函數（DDL），另一種方法是采用動態數據交換DDE方式。DDL方式適用于數據交換量較多的場合，DDE則用于數據交換量少一些的場合。
　　 通過調研論證，本課題選取了北京金佳諾公司的Century Star工業自動化監控組態軟件，作為本方案研制仿真培訓軟件的開發平臺，其具有完備的人機界面（HMI）及監控與數據采集功能（SCADAF）和圖形報表功能，性能價格比高。關于該軟件的詳細技術情況可參見[3]
　　3．該裝置仿真培訓軟件研制情況
　　該裝置仿真培訓軟件研制情況如下：
　　3．1完成了該裝置帶動態檢測控制點工藝流程圖的繪制，這個流程圖畫面是該仿真培訓軟件的主畫面，包括了工藝流程中的各個設備、管路、閥門、儀表和自控回路，對各個部件分類進行了編寫。該仿真培訓流程圖采用了Century star的三維繪圖功能模塊和圖庫繪制，比較形象逼真。在每幅流程圖中都設置了當前日期、時間顯示窗口。
　　3．2設置了開車、暫停、畫面選擇、事故設定、開車成績、曲線顯示、報警畫面、快門設定、時標設定、停車等仿真培訓命令按扭。并編置了與這些命令按扭相對應的子程序和相應的顯示畫面。
　　3．3對流程圖中各開度可調的手動閥門，均編程設置了開度調節畫面，見圖2。其中F鍵是快開選擇按扭，如選擇快開按扭，其旁邊指示燈變紅，每次按增、減鍵，手動閥門開度增加5%或減少5%。如未選擇快開按扭，則每次按增、減鍵，閥門開度增加1%或減少1%。在該畫面中，有閥門開度的數字顯示，并用動態棒狀圖顯示閥門開度。按Q鍵退出閥門開度調節畫面。對開關兩位式閥門，用鼠標點擊，通過改變閥門的顏色來表示閥門的開、關狀態。
　　3．4對流程圖中的調節器，編程設置了調節器參數顯示和調整畫面，見圖3。圖中以動態棒圖顯示測量值和設定值的變化，以動態數值顯示閥門開度，設置了自動、手動、串級和快速選擇按扭及參數增減按扭。按T打開調節器參數PID整定畫面，可快速增減或正常增減PID參數值。
　　 對全部生產過程建立其數學模型，然后用可視化語言Visual C++對模型進行編程實現。數學模型運行軟件通過調用Century Star自控組態軟件中的USERDLL（）函數，較好地實現了自控組態軟件與數學模型軟件之間的動態數據連接，可較好地進行仿真運行。
　　4． 結論
　　 對以上所編制的某生產裝置仿真培訓軟件試運行結果表明，該軟件能較好地模擬生產動態工況，模擬手工閥門操作和自控儀表調節操作，有較樂觀的實際應用前景。
　　 這說明，本文采用IPC智能控制仿真模式，以Century Star 自控組態軟件為顯示操作圖形界面，以化工動態學方法建立過程式動態數學模型，以動態鏈接庫函數DLL聯接組態軟件和數學模型運行軟件的仿真培訓軟件研制技術方案是可行的。本文的研究嘗試對于研究掌握化工過程動態仿真技術具有積極的意義。對于研究其它化工生產裝置的仿真培訓軟件具有一定的參考價值。
　　

　　 圖2 手動閥調節 圖3調節器調節