高兴泉 郭爽
(吉林化工学院信息与控制工程学院 吉林 132022; 吉林市科技信息研究所 吉林132000)
化工反应过程往往伴随着高温高压等现象,必须对运行的某些参数进行实时监控[1-6]。如果监控方案不成熟,直接在实际的装置上建立监控系统可能会由于反复更换硬件设备而造成成本的浪费,严重的会造成安全生产事故。建立硬件在回路仿真监控模拟系统进行预研是一个行之有效的方法[7-8],即化工反应过程用计算机数字仿真模拟,其他的控制装置如PLC 等用实际的物理本体接入到仿真回路中,这样的动态模拟系统运行有实时性,仿真过程更形象、直观。本模拟系统可以用于学生的课程实验、专业综合设计、毕业设计等实践教学环节,还可用于监控系统研发人员的控制方案设计、控制设备选型等等设计任务。利用本平台可以大大缩短研发周期,提高研发效率,并且所有的过程都是在实验室环境内进行的,非常安全。本文介绍这样基于半实物仿真的化工反应动态模拟系统的详细组成。
图1 化工反应过程半实物仿真系统结构示意图
图1 为本文介绍的化工反应过程半实物仿真系统结构示意图。本系统中,对人身安全比较有危险性的化工反应过程通过服务器用数字仿真软件来模拟,其他控制装置由实际的物理本体构成,通过数据采集卡与虚拟对象实时通讯。主要包括:
1.化工反应数字仿真服务器。
本系统采用MATLAB/Simulink 数字仿真软件来模拟,该软件有良好的扩展性和开发性,积木式的编程方式避免了用复杂的数值计算方法求取系统动态特性的过程,另外配合RTW 工具箱里的模块进行实时仿真。
2.数据采集卡。
采用加拿大Quanser 公司生产的Q4 数据采集卡。Q4 采集卡拥有4 路模拟量输入通道,4 路模拟量输出通道,16 可编程的数字量输入输出通道。该数据采集卡是将数字仿真系统实时计算出的变量值即检测参数通过标准的电信号送出,并将化工反应过程的控制信号(也是标准的电信号)读入。
3.信号调理模块。
本系统数据采集卡的输入输出信号都是电压信号,输入输出范围是-10-10V。本系统中的信号调理模块是将电压信号转换成标准的常见的4-20mA 信号或将标准的电流信号转换成采集卡可接受的电压信号,从而实现仿真服务器和真实的物理设备之间的通信。
4.PLC 控制设备和操作台、触摸屏等。
PLC 控制设备采用比较流行的西门子s7-300。PLC和虚拟对象交换数据,然后再和监控设备或终端进行数据传递比如操作台、触摸屏及人机界面等进行监视或操作。
图2 是某化工反应过程(见文献[6])的仿真系统运行的监控界面。该系统需要对4 个变量如物质A 的浓度、物质B 的浓度、反应温度以及冷却温度。在实验过程中,假设物料进给率和冷却套中的散热量为系统的控制输入按阶跃的变化,监控系统的4 个状态的变化。图2 的右半部分就是在3600S 反应时间内变量的历史趋势曲线,可以很清晰地看到变量的变化过程。
将化工过程的计算机数字仿真和实际的控制装置物理本体有机融合起来,建立了能够逼真模拟化工反应过程的半实物仿真系统,为缩短控制技术设计周期、减少实验成本,提高技术人员培训效率提供了平台。
图2 某化工反应过程的仿真系统运行的监控界面
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