三级液位虚拟仿真综合实训系统平台的搭建

杜青青，李海霞

(兰州石化职业技术学院电子电气工程学院，甘肃 兰州 730060)

0 引言

自控工程设计要求运用自动化理论知识，设计某生产工艺流程，实施自动化方案[1]。在设计过程中，通常会为学生提供某生产单元的工艺流程图及流程说明、设计需求及必要的工艺资料，要求学生按照国家标准规定，对设计过程进行工程表达[2-4]。在实际实施过程中，需要完成最基础的管道仪表流程图的设计，并基于管道仪表流程图开展其他设计工作，例如仪表数据表、仪表索引表、仪表位置图、联锁系统逻辑图、端子配线图、仪表回路图、分布式控制系统(distributed control system,DCS)技术规格书、DCS-I/O表等[5]。化工企业的大部分设备必须连续作业，通常处于易燃易爆、高温高压的环境[6]。因此，在实际的系统上进行科学试验有一定的风险。而试验室无法提供自控工程设计所需的全部生产流程[7]。实际应用中，方案可行性验证的环境无法提供。因此，利用系统建模与仿真的方法，采用软件仿真模拟实际三级液位系统的运行过程，对仿真过程中运行数据进行统计分析，并经智能评分系统根据评分规则客观给出成绩，从而验证控制策略和评估控制效果。

1 仿真建模组态模块

工艺搭建三级液位被控对象仿真模型中：一级液位为卧式储罐(1#储罐 V101)液位；二级、三级液位为立式储罐(2#储罐V102、3#储罐 V103)液位。仿真模型支持每个储罐独立运行，每个储罐可实现单回路控制、前馈控制及PID 参数整定；同时，支持1#、2#储罐，2#、3#储罐联合运行。联合运行中，可实现单回路控制、串级控制、比值控制、PID 参数整定。如果1#、2#、3#储罐联合运行，可实现单回路控制、串级控制、比值控制、顺序控制、PID 参数整定。

仿真建模组态模块包含阀门、机泵、储罐、换热器、塔器、反应器、仪表等基础功能组件，支持用户依据相关设计规范自定义工艺流程。

1.1 控制组态模块

搭建相应的流量、液位等控制回路，实现对所选被控变量PID参数整定[8-9]。按照功能，将模块分为信号源、信号输出、通用模块、数学模块、控制器模块、非线性环节，可实现单回路控制系统搭建、串级控制系统搭建、比值控制系统搭建、调度控制系统搭建。

1.2 趋势曲线

液位趋势曲线如图 1 所示。

图1 液位趋势曲线

趋势曲线在仿真系统运行时记录实时数据，并以运行时间为X轴绘出曲线，从0时刻开始记录，单位为s。趋势画面中所有的曲线共享同一时间轴。因此，当缩放时间轴时，所有的曲线都一起变化。趋势画面中的Y轴为数据轴，每一条曲线都拥有各自独立的数据轴及相应坐标系。数据轴的颜色与曲线的颜色相同。当点击某一条曲线或点击该曲线对应的数据轴时，即将趋势画面中当前坐标系切换为数据轴对应的坐标系，在趋势画面的上半部显示该曲线的标题。X轴和Y轴坐标均可以通过鼠标拖动实现缩放功能。

2 智能评分系统

智能评分系统是一套根据设定的规则(包括操作步骤、工艺指标及安全指标三个维度)， 对过程工业的开车过程、运行状态、控制方案的性能以及生产安全等方面进行自动评分的系统。该系统能够客观、全面地进行评分，支持评分规则自定义，可有效地辅助教师进行教学以及培训工作，提高教学、培训的效果。评分结果可输出为Excel 表格。

2.1 评分规则

2.1.1 评分策略

评分策略可以分为加分制、不得分制、减分制三类体系。

①加分。这是对于正确做法的一种肯定和奖励。通过加分，使做对的学生、考生受到正面鼓励，从而培养正确的操作能力。对于错误做法，则不得分。

②不得分。对于未完成或未达到要求，则不得分。

③减分。对于引发的不利后果，通过减分的手段加以惩罚。

2.1.2 评分规则

以控制回路LIC101为例，说明评分规则。

①控制回路 LIC101设置。控制变量为LI101/%：设定值为40、上限值为45、下限值为35；最小保持时间为120 s；分数为30分；策略为给分/不给分。

②动态部分：

调节时间开始计算条件：当LI101大于等于 37%；最大调节时间为300 s，调节时间分数为5分；允许最大偏差为±3%，动态偏差分数为5分。

2.2 三级液位控制评分结果

以三级液位控制为例，介绍仿真平台的操作方法，步骤介绍如下。

①打开 FV101至80%开度，V101入口水流量 FI101 为1.6 kg/s，V101开始建立液位。当V101 液位LI101达到38%左右时，打开LIC101至58%开度，水进入V102开始建立液位；手动调节LIC101开度，使V101出口水流量FI104为1.6 kg/s左右。

②当V101液位达到40%左右时，将LIC101投自动，设定值为40%。当V102液位LI102达到38%左右时，启动泵P101(3D仿真操作)，打开LIC102至69%开度，水进入V103建立开始液位；手动调节LIC102开度，使V102液位LI102维持在40%左右，然后将LIC102由手动调节为自动，设定值为40%。

③当V103液位LI103到达38%左右时，打开LIC103至70%开度，水排出系统外。手动调节LIC103开度，使V103液位LI103维持在40%左右，然后将LIC103由手动调节为自动，设定值为40%。

④当三级液位被控对象稳定运行40 min后，智能评分根据设定的规则给出成绩。

可以分别通过以下几种方式添加扰动。

扰动1：打开V101顶部进水阀HV101。

扰动2：打开V101底部排水阀HV102。

扰动3：打开V102顶部进水阀FV102。

扰动4：打开V102底部排水阀HV103。

扰动5：打开V103顶部进水阀FV103。

扰动6：HV101、HV102、HV103、FV102、FV103任意组合。

学生根据整定的PID参数，跟踪控制曲线，由智能评分系统客观评价控制效果。

3 系统功能

3.1 自定义设备属性

仿真平台可根据设计规范自定义设备属性，如卧式储罐 V101 半径、长度(高度) 等参数。每个学生可设计不同的设备尺寸，避免试验过程中出现抄袭现象。教师根据设计规范随机自定义储罐的尺寸，由学生根据设备属性进行阀门选型及控制策略设计，并要求在规定时间内完成系统开车操作，以达到稳定生产状态。

3.2 自定义阀门属性

在仿真平台上，可根据工艺流程及设备尺寸，设计阀门参数，如阀门流通能力、阀门特性、作用形式等。仿真系统提供了四种阀门特性：线性阀、快开阀、等百分比阀、抛物线阀。调节阀作用形式有气开阀和气关阀两种可以选择。

3.3 PID参数整定

在仿真平台进行PID 参数整定试验，如果在比例调节的基础上,系统的静差不能满足设计要求，则必须加进积分。在整定时，先将积分时间设定为一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小，最后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下消除静差。在此过程中，可根据系统响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，从而得到满足要求的控制过程和整定参数。其中：Kp为比例系数、Ti为积分时间、Td为微分时间。

4 结论

基于虚拟现实的三级液位控制模拟仿真系统，采用卧式储罐、立式储罐等动态仿真模型，通过将虚拟现实技术与系统仿真技术相结合，建立了相应的数据库系统、仿真系统和评分系统。三个模块通过交互数据与指令信息，实现整个仿真平台的集成与协作。通过仿真平台，可以对工艺流程、物料性质、设备尺寸、控制逻辑、阀门属性等进行自定义设计；同时，在控制逻辑设计验证前提下，可以进行PID参数整定；最后，智能评分系统根据评分规则给出成绩，从而验证控制策略和评估控制效果。仿真平台支持外接真实PLC 控制系统，可进行PLC 控制组态等。该设计为自控工程人员及学生试验教学提供了有利的平台。