1  引言 　　隨著控制的自動化程度不斷提高,對操作工的要求也在不斷提高,特別是對DCS維護人員的技術要求更高。如何有效地對相關人員進行培訓,如何使操作工、DCS維護人員對整個DCS有一個系統的了解,關系到能否充分發揮DCS的作用。然而,當系統投用后,為了保證其運行安全可靠,不允許對實際DCS進行頻繁的試驗性操作,因此,基于實際DCS的培訓是不現實的,而仿真系統就可以解決這個問題。 　　仿真系統是相對于在過程工業系統中運行的真實DCS而言的,就是將真實DCS在非DCS的計算機系統中再現。具體地說,就是要在計算機信息系統中,盡可能真實地再現完整的集散控制系統甚至包括現場設備的模擬。由于虛擬DCS源自真實DCS,真實DCS上發生的各種操作、事故均可以在虛擬DCS上進行驗證,凡基于真實DCS的控制系統組態,都可以移植在仿真系統上運行;凡在仿真系統上調試的控制組態,也都可以移植到真實DCS系統上運行。 2  系統結構 　　新華DCS系統是由實時數據網絡XNET和連接在網上的人機接口站HMI與分散處理單元XCU三大部分組成。XCU即硬件控制器,其面向被控對象,進行快速數據輸入輸出處理和閉環控制計算,完成報警檢測、接收操作指令和組態修改指令。HMI包括操作員站、工程師站、歷史數據站等。面向操作員以流程圖、棒狀圖、曲線、表格、按鈕、對話框等方式提供數據,解釋操作指令并送到XCU。通過HMI,操作員和工程師可對監控過程進行干預和修改,還能完成數據記錄統計功能。 　　虛擬DCS的構成與真實DCS一樣,都是由分散控制單元(XCU)和人機界面(HMI)以及通訊部分來構成。虛擬XCU是虛擬DCS的核心。是指將實際分散控制單元中的XCU功能移植到虛擬XCU軟件上,使XCU功能脫離實際硬件而實現的。這樣整個虛擬DCS系統就可以脫離數據采集及數據運算硬件設備而工作。 　　在實現虛擬控制單元的前提下,建立虛擬控制單元與現場設備仿真模型的通信接口,由現場設備仿真系統構成的仿真對象經過運算之后,各模型的狀態數據通過通信傳遞給虛擬控制單元VXCU。虛擬XCU接受仿真系統的數據驅動后,將運算結果傳遞給HMI顯示,同時傳遞給仿真模型,復現實際DCS中的數據控制運算功能。

　　見圖1,虛擬DCS系統完全模仿真實的DCS系統建立,具備獨立的控制器和被控制的過程對象,這兩部分都可采用虛擬XCU來實現,新華的虛擬XCU是在PC機上運行的一個軟件,虛擬XCU實際就是硬件XCU的一個仿真,可以和真實的控制器(XCU)完全一樣的進行操作,可以實現對虛擬XCU的在線組態,程序的上傳和下載。被控制的過程對象即虛擬過程對象,實際上是運行在虛擬控制器中的對象仿真邏輯,通過該仿真邏輯可以生成現場設備的反饋信號,例如電動門的反饋開停信號,調節閥的閥位反饋信號,現場的液位、壓力等各種模擬量信號,只要能設計出一個完善的對象仿真模型,就能得到和現實的設備裝置完全相同的效果。 3  虛擬XCU創建仿真 3.1  硬件控制器的仿真 　　首先安裝好新華DCS控制系統的應用軟件,在安裝目錄下面有一個VXCU的文件夾,里面包含了虛擬XCU的程序和配置文件,和真實的控制器(XCU)一樣,先要給控制器分配一個地址,該地址在整個DCS系統中要唯一;在一個系統中可以同時存在多個控制器,我們只需要將VXCU文件夾多復制幾個,然后運行相應的VXCU的程序,一個個虛擬的控制器VXCU就在你的電腦內存中建立完成了。 　　如何使用這些虛擬的控制器呢,下一步就需要運行新華DCS控制系統的主控軟件,再運行主界面中的XCU組態程序,選擇直接連接到XCU,輸入XCU的節點號,就可以登陸到對應的虛擬XCU控制器中,整個連接的過程和連接真實的硬件XCU完全一樣,一旦成功登陸,就可以和在線操作真實的控制器一樣進行控制邏輯的組態,組態方法也和真實的控制器是完全相同的。 3.2  現場設備的仿真 　　上面我們完成了硬件控制器XCU的仿真,控制邏輯運算的結果需要發送的現場設備,控制回路也需要現場的測量反饋信號才能實現閉環控制,如何在沒有現場設備的情況下獲取現場信號呢,下面我們就來建立過程對象的仿真。 　　實際上我們是需要這樣一種算法,根據控制器輸出的信號,通過延時,然后產生對應的反饋信號;通過流體設定的壓力,閥門的開度,容器的大小和運行的時間等相關數據計算出液位的數值;只要我們設計出一個合適的算法,就可以通過計算模擬現場的測量信號,這個過程就是要創建一個過程對象的仿真模型,我們完全可以將虛擬控制器作為一個載體,通過功能塊搭建出一個簡單的設備仿真模型算法。 見圖2,RSFLP是RS觸發器功能塊,TIMER是延時功能塊,該算法可以獲取電動門的開和關的反饋狀態,延時的時間可以在功能塊的參數中任意調整。

　　仿真模型的算法是整個仿真系統的核心部分,也是整個仿真系統建立的最大難點,一個完善的仿真模型完全可以替代現場的設備,可用于對設備的調試和操作的培訓。 3.3  虛擬控制器和虛擬設備的通訊 　　虛擬控制器和虛擬設備的仿真之間如何建立有效的通訊,這要看如何安排算法了,我們可以把DCS控制器的邏輯和設備仿真的邏輯放在同一個虛擬XCU中運行,那么數據的交互只是在不同的組態頁之間傳遞,只要使用頁面I/O功能塊就可以實現;如果我們把控制器的邏輯和設備仿真的邏輯放在兩個不同的虛擬XCU中運行,這樣建立的虛擬DCS和真實DCS會更相似,那兩者之間的通訊就需要通過全局變量點和網絡I/O功能塊來實現。 4  人機界面 4.1  操作界面的開發

　　有了控制器和現場設備,接下來就需要操作員站和工程師站了,也就是我們所說的人機界面。其實我們運行軟件的電腦就是一臺操作員站或工程師站,只要在電腦里面安裝好新華DCS控制系統的應用軟件,就是一臺監視操作站,我們打開新華DCS控制系統的主控軟件XDCNET.EXE,再運行主界面中的圖形生成和圖形顯示程序,就可以進行操作界面的繪制和運行。本次實驗我們測試控制容器的液位,配置一個進水電動門、出水電動門、出水調節閥,設置一個進水壓力給定,液位顯示,具體的工藝流程見圖3。 4.2  操作界面和控制器的通訊  　　操作界面和控制器的通訊,在虛擬DCS中和真實的DCS中是完全一樣的,我們在組態一個工程時,需要根據I/O監控表的數據建立全局的點目錄,全局點目錄主要定義了在節點間共享的全局點的定義信息,主要包括測點名、描述、所屬XCU號、分組分區信息、單位等,還隱含定義了測點的索引號。索引號是節點間共享該測點的重要信息。用戶須先組態好點目錄文件,然后再組態XCU和HMI,該部分的組態過程和真實的DCS的組態是完全一樣的。根據工藝流程圖建立對應閥門控制邏輯組態、對象仿真組態和畫面的組態,運行測試的效果和真實的DCS基本相似,并且通過PID參數的整定實現了調節閥的自動操作狀態。 5  結束語 　　我們通過新華DCS系統的虛擬XCU建立了硬件控制器的仿真和現場設備的簡單仿真,可以在一臺電腦上面實現包括現場設備在內的完整的DCS系統,使用建立完善的仿真模型算法,仿真系統完全可以模擬實際的裝置運行,對于DCS維護人員和工藝操作人員的培訓學習具有重要的意義。 參考文獻: [1] XDC800系統使用手冊[Z].上海新華電子科技發展有限公司出版,2010.