基于LabVIEW与Matlab的TE过程监控系统设计

衷路生 解冬东

(华东交通大学电气与电子工程学院，南昌 330013)

基于LabVIEW与Matlab的TE过程监控系统设计

衷路生 解冬东

(华东交通大学电气与电子工程学院，南昌 330013)

针对TE模型可视化效果不佳的问题，基于LabVIEW、Matlab与MySQL开发了TE过程仿真系统。仿真系统采用LabVIEW设计搭建了复杂、友好的系统图形界面；Simulink作为后台引擎，运用Matlab平台设计TE过程的故障监控算法，MySQL作为后台数据库存储实验结果。实现了TE过程的实时趋势显示、故障报警、历史数据记录及故障报警等功能模块。通过该仿真完成TE基本工况、内置故障、添加扰动及多工况等模式的仿真测试和故障诊断。该仿真平台已进入实验室应用阶段，为研究化工过程控制等复杂系统的故障诊断提供了良好的应用平台。

监控系统 过程控制 虚拟仪器 故障诊断

过程控制以工业过程生产为主要研究对象，这类过程具有复杂性、多样性及系统性等特点。如何在一个通用性的平台上设计并测试控制策略和优化算法具有一定的意义。此外，开发出一套成熟的监控系统之前就在实际工业生产中运行是不可能的，所以搭建一套模拟仿真平台对算法研究应用具有基础性的作用。

TE过程是一个用来研究和开发流程工业故障诊断的典型平台。最初是由美国Tennessee Eastman化工公司的Downs J J和Vogel E F以FORTRAN源代码形式提出并发展起来的一个大型化工仿真模型[1]。后来被Bathelt A等在Matlab平台上进行了仿真实现，但是该Simulink仿真模块仅能够实现基本的模型仿真，并不能直观反映整个化工生产的工艺流程和完成整个系统的监控功能[2]。后来也有学者进行了一定的拓展应用工作，如采用三维力控组态软件，实现TE平台的可视化[3]。但国产三维力控监控软件在稳定性上存在一定的问题，其次TE平台一次仿真结束后不便于保存历史数据。为了充分利用TE仿真模型，并方便对控制算法进一步测试，如采用数据库技术来存储大规模结构化仿真大数据是最好的选择。为此，笔者提出采用虚拟仪器技术，通过LabVIEW软件与Matlab软件的混合编程搭建TE仿真系统并扩展TE模型仿真功能。系统采用LabVIEW设计实现人机交互功能的控制界面,其中系统的仿真过程数据与结果采用MySQL数据库存储，以便进一步开发故障诊断的算法应用。

TE平台是以实际的化工生产流程为背景,应用于各种控制算法的测试平台。整个生产过程共有4个反应步骤,其中有4种气体反应物分别为A、C、D、E，生成物有G、H两种产品，此外在进料中掺杂有少量的惰性气体组分B和副产品F。TE过程包括5个主要操作单元：反应釜、冷凝器、离心式压缩机、气液分离塔和汽提塔。整个化工过程的流程如图1所示。图中实线部分为TE过程模型的流程，该过程共有12个控制变量、41个测量变量(其中22个连续过程变量，19个成分测量变量)、20种已知扰动和6种运行模式[4]。

笔者以Bathelt A等在Simulink下搭建的仿真模型[2]为基础建立TE监控系统，主要思路是以LabVIEW为主程序调用Simulink仿真的模块作为后台引擎，运用LabVIEW的Simulation Inter-face Toolkit(SIT)包来实现与Simulink仿真模块的实时连接，最终完成TE监控系统的核心设计。

图1 TE流程简图

2 软件设计

Matlab是过程控制进行建模仿真研究时常用的软件之一，设计算法效率高，但是它在界面开发、信号采集及硬件控制等方面都不够理想，而以LabVIEW为主流的虚拟仪器技术弥补了这方面的不足[5]。笔者主要解决Matlab与MySQL数据通信、MySQL与LabVIEW的数据交互及监控系统界面设计等问题，主要的系统集成在LabVIEW中完成。

仿真系统的运行环境如下：

操作系统 Windows7(32bit)

数据库系统 MySQL6.2

开发工具 Matlab/Simulink(2010a)、LabVIEW2012

接口包 SIT、LabSQL、Connector to ODBC

系统环境的选择需要考虑到软件通用性，因此基于Windows操作系统完成平台的搭建，由于SIT包的兼容性问题，应首先选择Matlab(2010a)的安装版本，其次需要安装32位版本LabVIEW2012，接着是接口包SIT的安装，直到Matlab出现如下系统提示：

SIT: Added paths for Simulation Interface Toolkit Version 2012

Starting the SIT Server on port 6011

SIT Server started

说明监控平台已经安装成功。接下来是数据库MySQL6.2的配置安装，最后进行Connector to ODBC的配置，同样应注意32bit的安装包。

2.1LabVIEW界面设计

主要应用LabVIEW优秀的界面显示作为TE化工反应的监控上位机，完成TE实时生产过程的直观展示。要实现LabVIEW与Simulink的通信，必须解决接口问题。笔者通过LabVIEW中的SIT实现与Simulink的结合编程，发挥Simulink的仿真功能和LabVIEW高效的界面显示功能。仿真系统平台搭建安装顺序为：Matlab2010→Simulink→LabVIEW2012→SIT包。在启动LabVIEW监控软件时,Simulink作为仿真后台运行。

为了实现监控算法开发过程，将Matlab强大的数据处理功能和LabVIEW优秀的图形化界面相结合，就要解决好LabVIEW与Matlab的通信问题，通信接口的设计可以采用LabVIEW强大的ActiveX功能、动态数据交换DDE等接口方式或采用Mathscript[6]调用。

整个仿真系统界面设计部分包括动态流程图画面、实时趋势、故障报警、故障分类、历史数据及实时报表等功能。其中实时监控界面如图2所示。在TE的动态流程图界面生动展示了化工过程的反应状态，同时可以在软件画面中实时更改控制系统的设定值并检验控制效果。

图2 TE平台仿真系统实时监控界面

2.2MySQL数据存储

随着大数据的兴起和各种以传感器为支撑的物联网技术的普及，通过大量积累的历史数据进行故障诊断将成为研究热点。数据仓库技术是现场故障监控必不可少的部分，工业现场大量的数据需要存储，主要利用数据库实现仿真平台数据的存储，也方便于以后的算法开发和改进使用。MySQL数据库作为一种最流行的开源数据库，被广泛应用于个人用户和中小企业中。

开发的重点是解决LabVIEW与MySQL数据库的通信问题，实现的方式主要有3种[7]：方法一，可以通过LabVIEW强大的ActiveX功能；方法二，可以采用LabVIEW软件本身附加的数据库工具包；方法三，采用LabSQL包访问数据库[7]。由于LabSQL作为完全免费的第三方工具包，具有开源、支持多数据库及跨平台等多种特性，所以笔者采用LabSQL完成与数据库的连接。

数据库设计部分的安装流程：MySQL6.2→Connector to ODBC→LabSQL包。首先配置好MySQL，然后在数据库系统中新建一个TE的数据库,在该数据库里建立名为Normaldata的表，结果如图3所示。

图3 TE过程的数据库存储

数据库建立完成后,建立ODBC数据源,数据源名为TE。在LabVIEW的安装目录user.lib文件夹下创建一个名为LabSQL的文件夹，解压下载的LabSQL包，运行LabVIEW。设计LabVIEW的数据库存储模块程序。图4为实现数据库存储的部分程序段。

图4 插入记录程序段

通过LabVIEW进行系统仿真，实现了实时数据的数据库存储，方便进一步的算法研究。

3 实验测试

利用搭建好的实验平台，进行相应故障诊断算法的测试工作。对TE平台调试整个反应过程的工艺流程[8]。系统运行时，首先启动Matlab，然后启动LabVIEW的监控界面，最后运行监控算法程序来完成实时监控仿真。

3.1故障过程测试

整个TE平台系统预设了20个故障[9]，其中有两种典型的故障类型，一种是阶跃型故障，另一种是随机型故障。笔者选取故障1作为阶跃型故障进行详细分析说明，此故障是A、C进料比例发生变化引起的。进料的变化引起系统很多变量发生了阶跃扰动。仿真结果如图5所示。

图5 故障1过程仿真

图5a表明，当A、C进料比例发生一个阶跃响应后，在20h后系统进入稳定状态。图5b反映了反应釜由于给料发生变化使得被控过程反应釜的液位输出发生了先下降再上升后稳定的情况，这是过程控制系统中典型的虚假水位的反向特性。

随机型故障选取故障8做仿真分析(图6)，故障8是由于进料A、B、C成分发生随机性波动引起的系统故障。

图6 故障8过程仿真

图6a是气液分离塔的出口流量变化情况，可以看出由于物料的随机变化引起了反应容器中产物量的波动，对生成物影响较大。图6b是最终产物G的组分含量值仿真情况，可以看出给料A、B、C随机波动对于最终产品有着较大的影响。

3.2扰动过程测试

通过给原系统添加一个阶跃响应模块，可以测试某个过程状态扰动下系统的运行情况。这里以反应釜的液位发生阶跃扰动为例说明，仿真结果如图7所示。

图7 自定义扰动仿真

通过图7a可以看到，在40h时发生了反应釜的液位百分比由65%下降到60%的扰动过程。通过图7b可以看出，对于下一个反应过程，冷凝器的温度也产生了一个较小的扰动过程，然后恢复正常。

3.3多工况过程测试

通过添加选择模块[10]实现了TE平台对多工况的仿真测试，仿真结果如图8所示。

图8 多工况过程仿真

图8a是G的产量变化情况，可以看出0～40h系统运行在标准工况下，产量也保持稳定；之后系统切换到模式3(G、H的质量比为90/10)，可以看出G的含量呈线性上升趋势。图8b是物料D的反应情况，随着G产量的增加D的需求量也在逐步增加，最终反应在模式3下趋于稳定。

4 结束语

通过LabVIEW技术实现了TE过程典型化工单元操作的界面设计。LabVIEW技术通过计算机实现强大的软硬件结合功能，以Matlab作为算法数值分析的有利工具，MySQL作为数据存储的优秀平台。这套系统开发充分发挥了Matlab、LabVIEW和MySQL三大软件的优势特点，完成了TE化工过程的系统集成工作，使得新设计的TE系统具有界面友好、系统运行稳定及功能完善等特点，是进行故障诊断、模型预测等过程监控算法开发测试的一个很好的实验平台。该设计适用于化工平台的生产故障诊断并且为算法实用化开辟了新的思路。

[1] Downs J J,Vogel E F.A Plant-wide Industrial Process Control Problem[J].Computer & Chemical Engineering,1993, 17(3):245～255.

[2] Bathelt A，Ricker L N,Jelali M.Revision of the Tennessee Eastman Process Mode[C].International Symposium on Advanced Control of Chemical Processes.British Columbia，Canada：IFAC，2015：309～314.

[3] 罗刚,张湜,牛彦杰.基于TE过程的仿真系统的实现[J].南京工业大学学报(自然科学版),2005，27(3):77～80.

[4] Lee J M，Yoo C K，Lee I B.Statistical Process Monitoring with Independent Component Analysis[J].Journal of Process Control,2004,14(5):467～485.

[5] 彭宇宁,朱后,谢树平.基于LabVIEW和Simulink的自适应控制[J].微计算机信息,2009，25(7):35～37.

[6] 陈莹莹,张晓光.基于LabVIEW与MATLAB的提升机在线监测与故障诊断系统设计[J].煤矿机械,2011，32(7):251～253.

[7] 文皓,南金瑞,杨世文,等.LabVIEW与数据库ADO连接方法的补充研究[J].化工自动化及仪表，2011,38(10):1230～1231.

[8] Ricker N L.Decentralized Control of the Tennessee Eastman Challenge Process[J].Journal of Process Control,1996, 6(4):205～221.

[9] 王迎,王新明,赵小强.基于小波去噪与KPCA的TE过程故障检测研究[J].化工机械,2011,38(1):49～53.

[10] 李斌,张湜,王永华.基于Deltav、Excel和Matlab的DCS仿真系统[J].化工自动化及仪表,2005,32(6):37～39.

DesignofTEProcessMonitoringSystemBasedonLabVIEWandMatlab

ZHONG Lu-sheng, XIE Dong-dong

(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China)

Considering the poor visual effects of TE model, the LabVIEW, Matlab and MySQL-based TE process simulation system was developed. In which, having LabVIEW technology adopted to build friendly and complex graphical interface and then having Simulink taken as the background engine and Matlab platform employed to design fault monitoring algorithm as well as MySQL taken as back database to store experimental results, including realization of function modules like real-time trend display, fault alarm and historical data record, and the simulation test and fault diagnosis of the TE working conditions, inner failure, disturbance and multi-working conditions. The experimental application of the simulation system provides the application platform for the research of complex system’s fault diagnosis in chemical process.

monitoring system, process control, virtual instrument, fault diagnosis

TH865

A

1000-3932(2016)06-0614-06

2016-04-28(修改稿)基金项目：国家自然科学基金项目(61263010，60904049)；江西省自然科学基金项目(20114BAB211014)