控制系统实时仿真的应用和好处毕业论文.doc

控制系统实时i / 0仿真的应用和好处摘要公司正在经历着更有效的项目执行而增长的要求。本文讲述了控制系统测试方法的演变过程。这个揭示了许多与控制系统实施有关的风险,并演示了怎样通过实时仿真来减轻这些风险，概述了应用模拟从开发、测试、操作员培训、启动和维护阶段的控制系统项目的好处。关键词:仿真:控制系统测试:操作员的培训 1.介绍为了保持在今天商业环境中的竞争力,工程师根据时间表以及没有生产损失的时间度来确保控制项目顺利实施的压力很大。工程管理是使新成立的公司在预算紧缩的情况下实现尽快启动。他们正在寻找相关工具来减少与这些项目相关的风险。面向对象的仿真软件,是用于控制测试和操作培训,在他们的控制项目中可以减少项目风险和拯救公司大量的时间和金钱。i/o模拟涉及到仿真现场设备动力作用的具体任务。plc或pc控制包发送输出控制命令到控制器的反馈装置。2.i/o仿真与传统工程方法的好处 在传统的模型控制系统项目下,工程师们遵循一种三步走方法来执行这个系统: 开发plc逻辑来控制现场设备 安装系统 根据要求测试和重写逻辑程序该模型的主要缺陷是,它会使最终用户和供应商遭受不必要的风险。也许这种风险已经在过去被认为是可以接受的。然而,重要的是，是不是在1997年仍然是正确的。如果这种风险被认为是不可以接受的,那么公司必须寻求可用工具来避免这种风险。在许多情况下,或许风险不仅仅是简单地被确定和量化的。虽然人们普遍认识到他们存在的威胁，然而,这些风险并没有受到独特的解决,尤其是他们怎么被消除的。2.1.识别和消除项目风险最主要的风险是延迟或延误的启动。有多少家公司准确地知道生产损失的花费是每分钟,每小时，每一天或每一周吗?如果知道这点就能简单地通过更好的测试方法如仿真软件来检查成本/收益的投资方程。高损耗的产品是可以用另一个更彻底的测试方法来减少风险。依赖这个方法，产品消耗量可能在创业阶段会非常昂贵的。如果这个产品没有受损程度的就被浪费,仍会出现不一致的产品质量。在这个时代中,有一个涉及这儿的无形风险，一致的产品质量是给客户一个预期的标准。一个顾客的成本损失就只是开关品牌由于一个货物包不能达到标准?还有的担心就是怕破坏新安装的设备。许多公司已经面临或者经历过这种风险。它可以进一步推迟损坏的硬件维修或更换。损坏设备的风险涉及到操作者的安全问题,因为其操作者受到可能没有被彻底测试而出现意想不到的“如果”场景的系统的危险。很多公司甚至不考虑涉及到操作安全问题的潜在责任。对系统集成商来说，竞争的环境是为了说明越来越少的工作允许一个无限期的时间和启动阶段的材料条款。往往集成商现在要受到性能或条款的处罚，这旨在奖励一个比预期更快的和惩罚一个最后的启动。因为在这个行业的紧缩空间里，通过最佳利益的整合来确保他们减少工程风险。2.2. 节约时间和金钱:更快的新企业仿真导致项目更快的启动。这反过来又导致停机时间的减小，特别是在升级或改造现有设施的期间。如果它是一个新的设备，它能带来联网的快捷。在任何情况下，仿真的能力是消除由于软件错误而损失的生产时间，这是难以置信的却一次又一次令人信服的。每个企业必须重视这方面量化的停机时间的成本，并在他们的决策过程中使用。许多公司用输入输出模拟已经历了时间缩减到30%的整体编码和调试的的过程。有了系统集成商，意味着更快的创业企业会减少网站的时间。随着越来越多的集成商在更远的地方工作，这能够减少在安装中和之后旅途的时间，这个能力是吸引人的。这一点是正确的因为许多集成厂商正在接受世界各地的工作。集成商也会经历低劳动力成本和士气的提高过程，而使他们的员工被允许留在离家近的地方工作。使用输入/输出仿真导致远程网站的改进。在这种情况下，一个问题经历了数千英里之外往往可以创建和解决而不需要到偏远的地方，以及在升级到远程站点之前升级现有的系统可以实现和测试在家办公。2.3. 提高操作员的培训另一个关键的好处是通过使用仿真来提高操作员的培训。对于操作者来说，学习系统的最好方式是通过亲身实践经历。仿真提供了一个高精度，低风险，实时训练的工具。标准的培训计划可以包括情景，否则为了创造实时系统太昂贵或太危险了。全面的培训课程可以为新的操作者设定，而且在继续培训下会有一个显著的效益。对现有人员的进修课程成为许多公司总体培训计划的一个重要的方面。3.替代方法的测试为了控制系统软件，有几个方面应该体现在执行测试计划上。最终目标是降低项目风险。该计划也应缩短项目进度和降低项目总成本。清楚的是，这会导致更现实的测试环境，更大的益处。同样地，在测试计划中任何妥协会导致这些好处的减少。测试方法的演变包括： 没有检测控制系统 硬盘测试 在处理器内仿真 通过通信网络仿真 通过远程i/o网络实时仿真3.1.没有测试的控制系统在这种情况下,一个公司只需要通过他们的手指和翻转开关来装载未经证实的软件的plc。他们注定要在现场调试软件。在布线的电工和参与编写控制逻辑的工程师之间会不可避免的指手画脚。不幸的是,这是任何人的猜测。令人惊讶的是在1997年大量公司承认这是他们当前的程序实现控制系统。也有一些公司,他们说他们的“写代码”和更彻底的测试方法如模拟将是浪费时间。如果这些公司客观的看待他们的一些过去的项目,他们可能会认识到,增量成本的发生是由于缺乏全面的系统测试.一个最明显的成本出现在新企业中。这里也有可能出现损坏设备和浪费材料的隐患。没有测试会导致“动态”程序的变化。这儿存在没有警报和应急程序，没有操作员的培训的测试。在项目开始的价格报价不能反映真正的项目成本。所有这些底片,迫使公司不进行更全面的测试吗?这个问题的答案是不清楚,除了一个感知成本在这期间被送往做测试的阶段,它是一样问题的心态,也是一个缺乏意识的实现彻底的测试的利益。还有一个教育方面,管理者必须明白,在1997年工具的存在是为了促进测试控制系统的完整性。3.2.硬连接面板测试一个传统的，熟悉的测试方法是使用硬连接面板。根据这种方法。plc的i/o模块连接到灯、开关、表盘和指轮上。这个设备是手动操作来近似真实世界系统的行为。这测试方法是有局限性的。首先,由于大量的熟练劳动时间涉及到连接的设备，实现该方法的测试是昂贵的。他是很难修改测试面板,而且它是不切实际的来存储，供以后使用其他项目,可能是类似的。测试系统被延迟直到面板被建立,而且必须早期停止这样面板可以安装在该网站。在项目测试阶段期间项目开发时间可能要延长到硬连接板必须使用的时候。该方法的用户发现它执行起来乏味以及容易出错。也许最大的限制是,这种真实世界行为和测试的近似值仅仅限于临界函数。当一个有限的子集被手动强制时它是几乎不可能测试通常相互独立的设备之间的真正交互。尽管有这些严重的限制,自从出现plc系统来，许多公司都感到十分适应这种方法并且使用它。由于其简单和容易理解的性质，它也是一个很常用的方法被用于教育和培训设施。3.3. 仿真处理器另一个测试方法是编写一个应对计划来提供反馈给plc程序。“模拟”选项可与许多pc控制包遵循相同的概念。两个项目都是被解决在同一个处理器上，响应程序和控制程序都共享i/o数据。这是一个软件解决方案,这意味着它是比使用硬连接面板更容易实现和修改。它也可以被存储在一个未来可能重用的项目上。模仿处理器来提供早期测试的可能性，同时也有使用一个部分测试的可能性。然而,有几个缺点在处理器的仿真上。首先,实际过程的时机都没有被反映。目前没有迹象表明,解决时间或i/o更新时间。根据网络参与和过程仿真,这可能是一个严重的限制。在这个过程中随着自然真实的系统不被复制,真正的互动设备没有被目睹了。测序和联锁的设备是重要的解释和测试,这种测试方法可能非常受限制的。另一个关键因素在plc仿真时,必须修改的plc程序。因此,这测试代码必须被排除在工厂地板上的运行程序之前。潜在的错误在这个阶段是非常重要的,而现实是,未测试的代码是安装在工厂地板上。3.4.通过通信网络仿真在这种测试方法下，响应程序被写入提供反馈给plc的程序。plc解决了实时控制逻辑和pc解决响应逻辑。在通信plc和pc之间发生在通信网络。这也是一种提供易于实现和未来的修改软件方法。它可以很容易地被重用。它还提供在项目周期测试的能力,同时还允许一些自动化的测试。该方法的另一个强大的好处是它允许测试其他组件的通信网络如人机接口和监督控制站。这个测试方法的一个明显劣势是i/o更新并不总是在实时。在一个繁忙的系统中,i/o更新时间可能超过两秒。根据具体的网络协议以及可用的带宽,这一点是一个重要因素。从本质上讲,i/o数据在网络中没有设计携带信息。它被拥挤在标准的交通,通常会在网络上,比如hmi和scada交通造成很难准确地测试这些系统的系统。另一个因素是,远程i/o通信的实现,包括组件如直接切断远程i/o网络的操作员面板,。3.5. 进行i/0模拟测试的理由使用仿真有很多相关的好处,这也是控制系统首选测试方法。第一阶段的过程中，仿真促进早期测试的理念，这样可以开发逻辑发展的仿真逻辑,如下所示。4.早期的测试理念4.1.高级测试和编程在这个模型中,当代码仍然在工程师脑里记忆犹新时，控制逻辑可以被写在小模块和测试他们的代码开发中。因此,通过了解，个人模块独立工作而且程序已经在整个过程不同阶段被测试了,软件缺陷可以在项目的早些时候以更便宜的速率被识别和消除。经验证明,在办公室它可以以高达20倍更快地发现和纠正一个发现的错误而不是控制软件已经安装后的领域。通过使用i / o仿真,其结果是先期的测试和编程。关键的根本原因是在工程师开始编辑控制逻辑之前会迫使他们彻底学习系统。当然,有一个时间元素参与构建模拟,但是如果只有一个“死角”可以在编码期间避免,这通常远远超过构建仿真模型所需的时间。模拟可以消除不良的记录。在调试控制逻辑现场“动态”计划的改变是常见的。4.2.紧急故障测试的彻底性i / o仿真的另一个核心利益是它允许测试被执行,否则太困难,危险,耗时或实际执行设备的昂贵。紧急和故障处理程序可以进行全面的测试。这些程序是一些最关键控制逻辑的部分。然而,他们很少得到全面测试。结果,如果没有使用模拟。此，控制逻辑部分的第一个真正的考验可能是在实际紧急情况下。在模拟时，每个设备可以失败，每个报警可以在一个无风险环境测试。4.3.通过远程i/0网络实时仿真这种测试方法包括写响应程序提供反馈给plc程序。plc解决了实时控制逻辑和pc解决响应逻辑。plc和电脑之间的通信发生在通过硬件接口端的远程i/o网络。plc接收i/o实时更新。它将在完全相同的方式下处理异步网络消息。plc不能区分真正的i/o和模拟设备。因此,实时i/o仿真、plc逻辑不需要修改。这个方法保持了软件解决方案易于实现、易于修改和可存储可能重用的优势。早期的测试是可能的而且大部分的测试可以实现自动化。通过远程网络实时i/o仿真的一个明显优势是关键的过程时间可以保存。这包括plc解决时间，i/o更新时间和通信网络的吞吐量。plc可以通过网络连接到任何将出现在最终的系统设备上。因此,整个逻辑控制系统的完整测试是包括plc逻辑，hmi站、警报报告和scada系统。另一个好处是,运营商可以在真实系统前、中、后安装时彻底培训。5.一个项目整个生命周期的仿真 如何在应用范围内模拟项目流程如下:5.1. 使用仿真来验证规格在这种控制理念下,模拟从最初的规范下自然形成。独特的是,一旦仿真已经完成,它就成为一个强大的工具用来验证系统规范。虽然大多数人都会认为,一个准确和全面的规范是项目成功的关键。传统上,规范的准确性已经被假设了。在他们创建主要问题之前，仿真提供了一个在系统规范的早期时候，捕获错误和遗漏的安全网。实物模型的政府系统会以图形方式描述所发生的和反馈将使用该系统运营商的请求。在许多情况下,一个模拟可以提供一个适当的论坛积分器以确保他们对客户的规格是准确的。同样,因为不同的选项或障碍是通过模拟来展示自己的，它可以帮助最终用户客观地看到他们可能需要修改原来的规范。仿真的关键好处是,在开始编写plc代码之前，工程师们也大大降低学习曲线。5.2。 使用面向对象仿真方法来快速执行控制程序的测试随着plc代码开发,它可以被简化为故障诊断程序的模块测试模块。仿真软件包,利用面向对象的编程方法可以大大减少所需的时间来完成这个阶段。在这种方法中,程序的模块是建立在简单的设备上,作为单独对象的功能。图书馆的这些标准设备可以发展，他们的可重用性提供了一个真正节省时间的因素。在许多情况下，公司对项目和重用组件的实施可以利用他们过去的经验。同样地，集成商常常会用同一行业解决类似问题的方式来处理相同客户。这种面向对象的方法使他们拥有了可复用的仿真组件,并在每种情况下，他们只是在互换新i/o地址。5.3. 使用模拟过程的完整系统测试当i/o进行实时模拟时,在超出控制逻辑测试情况下采取措施和执行一个完整的系统测试是很宝贵的。这场景提供了最现实和最真实的测试控制系统。在这个阶段,所有操作员工作站的hmi应用程序的屏幕可以通过图形和动画方面,以及报警来验证。他们对scada应用程序、配方管理和通信进行了测试,数据收集和报告进行了验证。网络通信也测试消息内容方面,屏幕更新和整个网络的吞吐量。因为这里的远程i/o网络是一个钩子，甚至驻扎在这个网络的操作员面板要验证。5.4. 软件审查和批准由于测试前一直到安装的完整性,所以目标是让软件在安装现场之前得到批准。每一个设备可以失败,每个报警验证该审查的一部分。关闭和启动程序将被测试。关键是要利用无风险的测试环境来模拟所有可能情况下可能出现的问题。尤其是那些通常会太危险的或昂贵而不能测试的实际设备。只有当这个过程已经完成的时候，批准的软件才有意义。在1997年，不需要一个制造商允许未经证实的软件进入他们的设施。仿真工具可供自己的工程师或他们的集成商来缓解这些风险。对于集成商,使用这些工具,在登录软件的网站下它可以极大增加他们的舒适度和安全感,这已经被证实和接受了。5.5. 高级操作员培训在一个模拟的环境下，积累经验的运营商可以在系统调试前的最后一步把循环关闭掉。他们将看到在该领域他们正在接受实际的