梁云岳：基于虚拟DPU技术的纸厂工艺流程仿真系统研制.doc

项目类别（重点资助项目、一般资助项目、立项项目）项目编号：广西壮族自治区教育厅科研项目申请书项目名称： 基于虚拟DPU技术的纸厂工艺流程仿真系统研制 承担单位： 广西电力职业技术学院 协作单位： 申 请 者： 梁云岳 申请日期： 2010 年 4 月 22 日广西壮族自治区教育厅编制二一年三月填 写 说 明：一、本申请书各项内容，要实事求是，逐条认真填写。表达要明确、严谨，字迹要清晰易辩。外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现的缩写词，须注出全称。二、申请书请用A4纸打印，于左侧装订成册。填写时如纸面不敷可另加附页。三、封面“项目编号”由系统自动生成，我厅统一填写。项目类别填报在选择项前面打。四、本申请书一式3份，由所在高校签署意见后，统一报送我厅科研管理处，经评审立项的申请书，我厅签署意见后，将退回学校2份。2一、简表研究项目名称基于虚拟DPU技术的纸厂工艺流程仿真系统研制研究类别CA、基础研究B、应用基础研究C、应用研究D、试验发展所属学科领域（请填写二级学科）： 自动控制 仿真技术申请金额3.8万元起止年月 2010 年 6 月 至 2011 年 6 月申请者姓名梁云岳性别(打)A男B女出生年月1969年 9 月民族汉专业技术职务最后学位(打)A博士B硕士C学士最终学位授予国别、学校工学士中国华中理工大学高级工程师承担单位名称 广西电力职业技术学院协助单位名称项目组成员含申请者总人数高级中级初级博士后博士硕士参加单位数52121姓 名性别出生年月专业技术职 务工作单位年参加月 数项目中的分工签名梁云岳男1969.9高级工程师广西电力职业技术学院12负责人严方男1977.4工程师广西电力职业技术学院12成员张海燕女1967.11副教授广西电力职业技术学院3成员周丽琴女1984.1助教广西电力职业技术学院3成员李次春男1979.1助教广西电力职业技术学院3成员研究内容和意义摘要分散控制系统（DCS, Distributed Control System）目前已经是生产过程自动化的主流控制系统。为了更加真实、低成本再现工艺流程和工业环境，工业仿真技术呈现出两种趋势，一方面虚拟现实技术的大力发展使得工业场景更加真实，另一方面虚拟控制技术的发展使得仿真系统对大型工业过程及其控制系统的分析、优化更加真实可靠。虚拟DPU（Distributed Processing Unit，分布式处理单元）技术在国外起步较早，也比较成熟，国内起步相对晚些，但目前已成为一种主流的DCS仿真器开发技术。项目拟采用组态图虚拟DPU+仿真HMI（Human Machine Interface，人机接口）的技术思路，进行纸厂工艺流程仿真。 该成果的出现可以弥补我国同类型企业内没有一套完整的工业仿真的空白，对造纸业的技术发展与革新，对造纸业的企业培训，都有着良好的促进。主题词主题词数量不多于3个虚拟DPU 虚拟仿真 简表填写要求：一、简表内容必须认真填写，采用国家公布的标准简化汉字。二、凡选择性栏目，在相应提出符A、B等之一上打“”。三、部分栏目填写要求：项目名称应确切反映研究内容，最多不超过25个汉字（包括标点符号）。基础研究指以认识自然现象、探索自然规律为目的，不直接考虑应用目标的研究活动。应用基础研究指有广泛应用前景，但以获取新知识、新原理、新方法为主要目的的研究。应用研究为了确定基础性研究成果或知识的可能的用途，或是为达到某一具体的、预定的实际目的确定新的方法（原理性）或途径的研究。试验发展指利用从科学研究和实际经验中所获得的现有知识、生产新材料、新产品、新装置、新流程和新方法，或对现有的材料、产品、装置、流程、方法进行本质性的改进而进行的系统性工作。所属学科领域申请课题所属的基础学科。如涉及多学科可填写两个，先填为主学科。申请金额以万元为单位，用阿拉伯数字表示，注意小数点。参加单位数指导研究组成员所在单位数，包括主持单位和合作单位，以阿拉伯数字表示。项目组主要成员指在项目组内对学术思想、技术路线的制定与理论分析及对项目的完成起主要作用的人员。二、项目的研究目的和意义虚拟 DPU技术实现DCS流程动态数学模型的仿真，软件功能逼真度高，实现成本低，能够真正有效、经济和广泛地应用于人员培训、在线检测、故障诊断和设计调试，满足造纸等过程工业“数字化”的需求。近年来，由于DCS价格大幅度下降，DCS在纸厂的综合控制中应用越来越广泛，因此将虚拟DPU技术应用于纸厂仿真方面不仅可行，而且会大幅度提高仿真逼真效果。但由于资金与技术等问题，国内虚拟现实的技术集中在大型工业流程，如大型电厂等。对于小型工艺流程如造纸、冶金、水泥、垃圾发电、制糖等中等规模企业，自动化程度不是很高，其控制系统均为国内仿真类型企业不愿涉足的行业。国内目前没有同类型的工业级别的仿真系统的出现。利用虚拟DPU技术可实施学员的造纸工艺组态设计与调试训练科目。学员不仅可熟练掌握整个脱造纸运行流程，并更进一步掌握了整个工艺的设计与实施，从而全面提高运行效果和运行质量。同时，虚拟DPU仿真技术平台为纸厂工艺改造提供了逼真的仿真平台，为运行管理技术的优化提供了试验平台。项目完成后，虚拟DPU仿真技术平台可作为培训基地，以培训为主，全面提高行业技术员水平，提高软件使用学校方的纸厂方向就业竞争力，为纸厂技术改造提供逼真的实验环境。三、项目所在学科和技术领域的国内外研究现状、水平和发展趋势分析（重点说明近5年的国内外进展情况）分布式处理单元(DPU)是过程控制单元的核心，它以工业控制主机为基础，向下通过Bitbus与I0站相联， 向上通过网络与工程师站(ENG)、操作员站(OPU)等相联，通过ENG或OPU可对DPU进行组态、自检、单点等操作，并可以迅速了解通信、I0扫描、组态数据、实时数据以及外部设备的运行状态。DCS操作员站、工程师站与仿真机连接，构成和现场DCS非常相似的仿真系统，大大提高操作人员的培训效果。热控工程师修改控制策略后，可先装载到虚拟DPU中，在仿真机上试运行验证效果， 以避免可能存在的安全问题为了更加真实、低成本再现工艺流程和工业环境，工业仿真技术呈现出两种趋势，一方面虚拟现实技术的大力发展使得工业场景更加真实，另一方面虚拟控制技术的发展使得仿真系统对大型工业过程及其控制系统的分析、优化更加真实可靠。虚拟DPU技术在国外起步较早，也比较成熟1,2，国内起步相对晚些，但目前已成为一种主流的DCS仿真器开发技术3,4，目前虚拟DCS的实现主要包括三种方式，激励型DCS、虚拟型 DCS和仿真型DCS。在全激励 DCS和全仿真 DCS之间，存在着各种类型的虚拟DCS，如最小配置DPU+真实 HMI、最小配置 DPU+仿真HMI、虚拟DPU+真实HMI、 虚拟DPU+仿真 HMI、组态图虚拟DPU+仿真HMI、虚拟DPU+虚拟HMI5。近年来，由于DCS价格大幅度下降，DCS在纸厂的综合控制中应用越来越广泛，因此将虚拟DPU技术应用于纸厂仿真方面不仅可行，而且会大幅度提高仿真逼真效果。但由于资金与技术等问题，国内虚拟现实的技术集中在大型工业流程，如大型电厂等。对于小型工艺流程如造纸、冶金、水泥、垃圾发电、制糖等中等规模企业，自动化程度不是很高，其控制系统均为国内仿真类型企业不愿涉足的行业。国内目前没有同类型的工业级别的仿真系统的出现。参考文献1 CARR S J，BRO3KES A R JThe Benefits of emulation technologyCInternational Fossil Simulation &Training Conference，Phoenix，Arizona，2001 2 FRYER G，ROBERTS D EEmulating SIEMENS control systems using the powered virtual machine approachCinternational Fossil Simulation & Training Conference Santiago，California，20003魏洪斌，唐多元，眭喆，等基于虚拟分散处理单元的电厂仿真机设计和实现 J中国电力，2004，37(2):65684 董志刚, 基于HOLLIAS-MA CS DCS产品的仿真机系统，应用天地，2008，11(2):55-57。5冷杉论虚拟 DCS技术 EBOL，2003-12-26四、项目研究方案1研究目标、研究内容和拟解决的关键问题研究目标 利用虚拟DPU技术实现纸厂工艺流程仿真，为相关企业提供一个全方位的虚拟培训平台，同时可提供纸厂工艺改造的仿真实验平台。研究内容 1.纸厂工艺流程仿真 2.虚拟DPU技术实现拟解决关键问题 1.纸厂工艺建模； 2.虚拟DPU建模； 3.纸厂对象建模。2拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析1 XDPS(上海新华控制技术（集团）有限公司开发的DCS控制系统)虚拟DPU技术的文件组织结构新华XDPS系列的分散控制系统的主要功能是由DPU文件来完成的。本文所设计的虚拟DPU技术实质是对新华控制系统的离线DPU文件进行解析和分析，并对其.Fun文件进行解析与分析，在软件仿真上实现一个DPU文件的工作过程模拟，执行其控制策略，然后利用HMI画面实施共享数据的通讯，从而完成整个DCS流程动态数学模型仿真系统。XDPS系列控制组态的文件结构：(1) 页格式页标志，页号，执行序号，页面执行周期，页面尺寸页面描述(2) 功能块格式功能块标志，功能块属性，块号，序号，输入列表，参数列表，输出值列表，。(3) 虚拟DPU控制算法模块(Fun文件)XDPS控制系统共有97个功能码 。这些功能码它们主要完成五大功能：(a)输人输出。完成模拟量、开关量和脉冲量等输人输出功能。（b）模拟控制。完成模拟量的运算及其控制。(c)逻辑控制。完成逻辑量的运算及其控制。(d)时间计算函数。（e）特殊计算。提供特殊的计算功能。控制模块的开发可以根据对象DCS的算法、模块、时间片、位号等的分析，采用通用的VisualC+6.0等工具开发，进行模块级开发。开发的模块采用同Fun文件一致的输入、输出以及参数结构。XDPS的模块功能通用简易，并且符合IEC 11313规范，易于进行模块级别的开发。2 XDPS虚拟DPU的智能编译流程 虚拟DPU的智能编译部分主要是对DPU组态文件进行扫描解释，然后建立完整的虚拟DPU组态语义库。其执行过程是结合控制算法模块库函数文件，将读取的DPU组态文件按功能与定义进行编译，得到虚拟DPU控制程序。图1 XDPS虚拟DPU智能编译流程Fig.1 Development Process of XDPS virtual DPU如图1所示，虚拟DPU功能开发应包括标签量访问、组态文件读取、组态文件解析与解释、数据通讯等功能。实现虚拟DCS的技术关键，就是开发智能编译转换软件和建立虚拟运行技术平台。图1给出了本文实现XDPS6.0虚拟DPU技术的关键流程。2.1 标签量访问 XDPS经过不同的定义或组态，可以构成不同功能的信息控制处理系统。节点间共享全局点、报警信息、通告信息和历史数据。但每个节点有不同的组态设置。因此，XDPS的组态主要分为全局点目录组态和独立的节点组态。全局点目录主要定义了在节点间共享的全局点的定义信息，主要包括测点名、描述、所属DPU号、分组分区信息、单位等，还隐含定义了测点的索引号。索引号是节点间共享该测点的重要信息。XPDS的DPU将需共享的点以上网功能块的组态形式，按点目录定义的索引号广播到实时网上，MMI按照点目录接收所有DPU广播的全局点，DPU则以点目录定义的索引号为基础，用下网功能块挑选接收需要的全局点。这就是XDPS全局点共享的基本概念。因此点目录是XDPS实时点共享的基础。共享数据的建立是通过读取POINTDIR.CFG文件，其数据结构格式为：typedef structBYTE ptype;WORD offset;char *p;unionPOINTADDR a;float f; long l; short i; WORD w; char b; data;DATA;2.2 组态文件的读写XDPS的组态文件信息有三层:(1)DPU信息。主要是Version、Drop、Description、Project、LastUpdate。这类信息对组态文件的翻译无关紧要。(2)页面信息 XDPS的组态文件是以文本格式保存的，页是DPU组态软件的一个基本对象。功能块必须存在于页中。页的实例中包含页号(名称)、执行序号、页状态、执行周期、最后修改日期时间和页的描述等属性，还包含了功能块对象实例。(3)功能块信息典型功能块信息如下：Func, XAI, 1:20, (295,2523), 0, 1528In= B14-0, 80f, 0f,Para=4096,0,0,0,0,0,3000,0,0,0,06PdT05A,1,0,0,0,0,0,0,0,5,0,5,0,5,0,5,0,0,5,0,0,0,Out= 0, Func End功能块信息包含了模块位置、块号等信息，同时也包含了输入、输出、参数等含义，输入、输出、参数的释义必须依据.Fuc文件。块的输入输出决定了数据的整体流向。2.3 组态文件的编译将读取的组态文件编译成仿真系统的运行文件，通常是可执行文件。组态文件读取后实际会形成两个功能。（1）在仿真文件上生成一个与源文件一致的可视化文件。（2）建立功能块的数据流和调用时序。编译后的文件实质就是功能块的调用时序以及数据流通讯。图2 XDPS虚拟DPU数据流与通讯Fig.2 XDPS virtual DPU data flow and communication2.4 虚拟DPU与HMI文件的数据交互如图2所示，为了实现DPU文件间的数据交换以及与HMI文件的数据交互，虚拟DPU功能必须包含对共享数据的读取与修改。采用OPC服务器接口实现的虚拟 DPU通讯接口。OPC是 Microsoft公司设计的一个完整通信协议，它能使两个或多个应用程序之间相互传送数据和指令。一个应用程序想从另一个应用程序得到数据时，它们之间必须建立 Client-Server关系，即 OPC连接，提供数据的一方称为Server，接收数据的一方称为 Client。将VDPU软件作为服务器程序，仿真端HMI作为客户端程序。客户程序可以和服务程序建立“热链路”，即在规定的特定数据值发生变化时则立刻发生通信，将数据值发送给客户是数据交换的强有力手段。链路一直工作直至被客户或服务程序终止。OPC作为过程控制领域的开放互联标准已是现代工控软件的程控制领域的开放互联标准已是现代工控软件的标准配置。OPC为动态数据模型软件与仿真操作界面间的通讯提供了方便实用的透明接口。3 仿真功能在纸厂仿真工艺平台上可以实现：(1) 纸厂工艺组态的在线参数设置与调整。(2) 纸厂工艺组态的离线修改与设计。(3) 纸厂的启、停、运行与事故演练。(4) 利用原始的XDPS的Netwin软件进行组态离线设计与开发生成离线文件，离线文件可进行编译和运行。3课题研究进度或调研计划安排序号研究阶段（起止时间）阶段成果名称成果形式承担人12010年6月8月资料收集资料报告张海燕22010年8月9月仿真范围计划和技术方案计划计划书梁云岳32010年9月10月技术决策和设计书设计书梁云岳42010年10月2010年12月技术筹备和基础研究开发软件组件严方52011年1月3月基础素材准备和模件开发软件组件和图形模件严方62011年1月4月软件组装软件成品严方72011年5月软件试运行严方完成时间最终成果名称成果形式参加人2011年6月纸厂工艺流程仿真软件软件全体项目组2011年6月纸厂工艺流程仿真软件使用说明书软件使用说明书李次春、周丽琴4（1）预期的研究成果，成果形式、预计去向、使用范围及其水平 （2）预期成果的应用前景，要达到的技术、经济指标，成果的经济、社会效益分析 研究成果：软件；论文 成果形式：软件专利； 预计去向：纸厂；培训机构；职业院校； 使用范围及水平：行业内；国内首套虚拟DPU技术的纸厂仿真； 应用前景 ：符合行业发展需求； 成果经济、社会效益分析：以培训为主，全面提高行业技术员水平，提高软件使用学校方的纸厂方向就业竞争力，为纸厂技术改造提供逼真的实验环境。五、项目研究基础1与本项目有关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩 由项目组主要成员严方开发的基于虚拟DPU技术的脱硫仿真项目； 已结题。 由项目组负责人梁云岳以及核心成员严方、张海燕组成的纸厂仿真技术团队已经申请了纸厂仿真院级项目资助，并且得到了南宁西研教育咨询有限责任公司的8万元资金资助。2已具备的实验条件或资料准备情况，尚缺少的实验条件或资料，拟解决的途径；拟利用国家和广西重点实验室或部门开放实验室、研究基地的计划与落实情况缺少条件： 仿真建模平台； 纸厂工艺数据。解决方案： 联合纸厂共同开发。3申请者和项目组主要成员的学历和研究工作简历，近5年与本项目有关的主要科研成果及在本课题中的工作分工申请者学历： 梁云岳，高级工程师，1992年毕业于华中理工大学，机械制造专业，工学士学位。技术专长：自动控制系统开发应用、DCS控制系统设计组态、设备安装调试及应用培训工作简历1、1992年-1994年在广西机械设计院工作，主要从事工业设计及非标设备的设计工作。2、1994-1996年在广西南宁开特电脑设备公司工作，主要从事水泥厂自动控制设备的应用推广工作。任工程主任，面对水泥厂进行自动控制设备安装调试及培训。3、1997 -2004年在广西机械工业研究院工作，从事CAD技术推广工作，参加新产品开发研究及推广工作，并承担政府部门下达的制造业信息化科技项目。其中CAD应用工程技术开发与应用示范项目获广西科学技术进步二等奖。4、2004-2006年在广西通用机械产品质量监督检测站工作，参与筹备及组建工作，担任站长助理及测量检测室主任。获特种设备检测检验人员射线检测（RT）II级证书、特种设备检测检验人员超声波检测（UT）II级证书。5、2006-2008年在广西宏智科技有限公司工作,，作为技术主要负责人之一，积极参与研发、设计、安装、调试、培训等工作；为公司研发新的自控系统。近5年与本项目有关的主要科研成果：序号项目名称来源年限本人所起作用效果1云南勐糯糖厂锅炉DCS控制系统云南勐糯糖厂2008年9月技术开发好2广西永鑫雷平糖业公司压车间自动控制系统广西永鑫雷平糖业公司2007年2月技术开发、安装调试、应用培训好3广西永鑫雷平糖业公司澄清蒸发DCS控制系统广西永鑫雷平糖业公司2007年2月技术开发、安装调试、应用培训好4广西永鑫小平阳糖业公司压榨控制系统广西永鑫小平阳糖业公司2008年2月技术开发、安装调试、应用培训好5广西农垦集团金光糖业公司蒸发DCS控制系统广西农垦集团金光糖业公司2008年9月技术开发、安装调试好主要成员：严方，工程师，在读博士。技术专长：仿真技术开发；自动控制技术开发。相关项目：基于虚拟DPU技术的脱硫仿真项目；院级，已结题。主要工作：仿真开发与调试。主要成员：张海燕，副教授，动力工程系主任。技术专长：火电机组仿真运行，热工自动化技术/火电仿真技术应用与开发工作简历：2004年4月至今，在广西电力职业技术学院动力工程系担任系主任，兼热自专业教学工作及生产过程自动化技术专业