高 強，李 航，高 翔，趙洪業(yè)，吳 楠

（天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室 天津理工大學(xué) 自動化學(xué)院，天津300384）

伴隨著流程工業(yè)綜合自動化技術(shù)要求以及被控過程復(fù)雜程度的不斷提升，先進過程控制的研究、開發(fā)、應(yīng)用與推廣成為當今過程控制領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。然而受到真實工業(yè)生產(chǎn)過程規(guī)模龐大，生產(chǎn)過程中含有高溫、高壓等危險信號存在的不利影響使得許多研究機構(gòu)與高校針對先進過程控制僅僅停留在理論與仿真的研究階段。

本文提出的一種用于先進過程控制研究的半實物仿真系統(tǒng)將真實硬件控制系統(tǒng)與虛擬計算機生產(chǎn)仿真模型相結(jié)合。利用PCS7開發(fā)的集散控制系統(tǒng)（DCS）作為過程控制實施環(huán)境；采用Profit Design Studio（PDS）作為先進過程控制研究實驗室；UniSim流程模擬開發(fā)平臺與計算機模擬系統(tǒng)作為底層被控對象。該半實物仿真系統(tǒng)具有從常規(guī)工業(yè)過程控制到先進過程控制的多方面研究功能，為模型預(yù)測控制、控制系統(tǒng)性能評價以及故障診斷等方面的先進過程控制研究提供實施環(huán)境與驗證平臺。

1 半實物仿真技術(shù)

對于控制工程領(lǐng)域，半實物仿真技術(shù)作為一項重要的研究方法而使用。利用真實硬件控制系統(tǒng)與虛擬計算機仿真模型相結(jié)合，將控制器參與到仿真回路的控制中，從而達到各類控制算法的研究。

文獻[2]中提出半實物仿真系統(tǒng)在過程控制中的實施過程。文獻[3]作為本文的前期研究工作，重點介紹用于常規(guī)過程控制的半實物仿真系統(tǒng)。本文在此基礎(chǔ)上闡述針對流程工業(yè)先進過程控制研究的半實物仿真系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)與功能[4]。

2 半實物仿真系統(tǒng)功能

用于先進過程控制研究的半實物仿真系統(tǒng)，通過不同功能站點實現(xiàn)DCS系統(tǒng)開發(fā)、常規(guī)過程控制研究以及先進過程控制研究工作。該系統(tǒng)全部控制功能主要由PCS7與PDS實現(xiàn)，PCS7承擔半實物仿真系統(tǒng)DCS系統(tǒng)開發(fā)，具體包括：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通訊、監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)、常規(guī)過程控制策略編程、過程報警管理等任務(wù)。PDS在該半實物仿真系統(tǒng)中主要作為先進過程控制研究實驗室，用于提供系統(tǒng)辨識、魯棒多變量模型預(yù)測控制（RMPCT）、經(jīng)濟優(yōu)化、控制回路優(yōu)化等先進過程控制研究。此外，其他功能站點可實現(xiàn)先進過程控制中控制系統(tǒng)性能評價與故障診斷研究[1-2]。

2.1 半實物仿真系統(tǒng)功能站點

利用半實物仿真系統(tǒng)進行先進過程控制的研究與操作都是通過該系統(tǒng)的各個功能站點而實現(xiàn)的。各功能站分別是：工程師站、操作員站、先進控制站、故障診斷分析平臺、控制系統(tǒng)性能評價分析室以及用于存儲、管理計算機模擬系統(tǒng)中過程數(shù)據(jù)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL-Server與實時數(shù)據(jù)庫PHD。

2.1.1 工程師站

半實物仿真系統(tǒng)工程師站主要負責集散控制系統(tǒng)的開發(fā)與管理工作，其中包括：硬件組態(tài)、監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)、常規(guī)過程控制算法編程、過程數(shù)據(jù)地址分配、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通訊、故障報警、數(shù)據(jù)歸檔管理以及后期系統(tǒng)擴展等工作。

2.1.2 操作員站

半實物仿真系統(tǒng)操作員站可以作為初級實驗人員的功能站點使用，其主要包括：過程控制操作、過程數(shù)據(jù)采集、上位機監(jiān)控管理、報警記錄歸檔等操作。

2.1.3 先進控制站

半實物仿真系統(tǒng)提供先進控制站的主要目的就是進行工業(yè)過程先進控制技術(shù)研究、開發(fā)與實施工作。先進控制站作為該半實物仿真系統(tǒng)的核心站點，既可直接利用UniSim參與工業(yè)過程工藝設(shè)計與研究，同時也可直接利用PDS進行先進過程控制算法研究，通過UniSim與PDS的配合，可對DCS層中的常規(guī)過程控制回路進行優(yōu)化、指導(dǎo)，從而達到先進過程控制研究、開發(fā)與實施的目的。

2.1.4 故障診斷分析平臺

半實物仿真系統(tǒng)為實驗人員提供了故障診斷分析平臺，該平臺可直接從數(shù)據(jù)庫中獲取計算機模擬系統(tǒng)中各被控回路的實時過程數(shù)據(jù)用于故障診斷分析研究，監(jiān)控計算機模擬系統(tǒng)過程運行的安全性。

2.1.5 控制系統(tǒng)性能評價室

半實物仿真系統(tǒng)還提供了用于控制系統(tǒng)性能評價的研究環(huán)境，其數(shù)據(jù)獲取方面與故障診斷分析平臺類似，對控制系統(tǒng)性能進行量化分析。

2.1.6 數(shù)據(jù)服務(wù)器

半實物仿真系統(tǒng)采用功能強大的SQL-Server與PHD用于存儲、管理DCS控制器的控制數(shù)據(jù)與計算機模擬系統(tǒng)中各被控回路的過程數(shù)據(jù)。為先進控制站、故障診斷分析平臺以及控制系統(tǒng)性能評價室的研究提供強大的數(shù)據(jù)來源。

2.2 工業(yè)流程研究平臺

現(xiàn)代化流程工業(yè)，無論是從控制過程還是生產(chǎn)裝置角度來講，對自動化控制系統(tǒng)的要求越來越高。隨著DCS、先進過程控制與過程優(yōu)化技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，針對生產(chǎn)裝置與工藝過程實施有效的控制與操作，在施加的控制策略和操作步驟時需要全面考慮被控過程的工藝原理、動態(tài)特性以及被控變量之間的耦合程度等復(fù)雜情況。此外，對于復(fù)雜的先進控制策略，先進控制器的投用，并不能直接應(yīng)用于被控系統(tǒng)中。為此，一套功能完整的工藝流程研究平臺，對先進過程控制的研究、開發(fā)與實施是首要前提。

用于先進過程控制研究的半實物仿真系統(tǒng)采用Honeywell公司的UniSim工業(yè)流程模擬系統(tǒng)作為研究平臺使用。工業(yè)流程研究平臺集流程設(shè)計、靜態(tài)模擬、動態(tài)仿真、過程優(yōu)化于一體，可獲得精確的熱動力學(xué)方程和傳質(zhì)動力學(xué)模型，幫助實驗人員對工藝過程、工況研究、工藝瓶頸分析、需找最佳操作點、先進過程控制策略研究、故障分析與控制系統(tǒng)性能評價等多方面過程控制研究提供重要幫助。

2.3 先進過程控制研究平臺

作為半實物仿真系統(tǒng)的一大核心功能，先進控制站的引入為先進過程控制的研究提供重要的環(huán)境基礎(chǔ)。先進控制站采用Honeywell公司的PDS作為先進過程控制研究、開發(fā)與實施環(huán)境?？衫貌煌瑧?yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)過程建模與先進控制策略設(shè)計。

2.4 DCS層

半實物仿真系統(tǒng)的DCS層主要采用西門子PCS7系統(tǒng)開發(fā)的，其中包括DCS的硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)配置、過程控制算法開發(fā)、報警管理等多種功能。DCS層負責計算機模擬系統(tǒng)全部常規(guī)控制回路定值控制任務(wù)。先進控制站的模型預(yù)測控制策略可指導(dǎo)DCS層常規(guī)控制算法，實現(xiàn)對計算機模擬系統(tǒng)的先進過程控制策略實施。此外，操作員站可利用DCS層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時獲取計算機模擬系統(tǒng)被控回路的過程數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)用于故障診斷與控制系統(tǒng)性能評價的研究工作中。

2.5 計算機模擬系統(tǒng)

計算機模擬系統(tǒng)作為半實物仿真平臺中的被控對象，起到至關(guān)重要的作用。無論是常規(guī)控制算法還是先進控制算法，最終的算法實施與驗證的對象都是由計算機模擬系統(tǒng)提供的。半實物仿真系統(tǒng)中的計算機模擬系統(tǒng)分別以甲醇生產(chǎn)工藝與浮式儲油卸油裝置（FPSO）的生產(chǎn)工藝為背景，采用PISP過程工業(yè)仿真平臺，利用數(shù)據(jù)擬合技術(shù)開發(fā)。

3 半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

用于先進過程控制研究的半實物仿真系統(tǒng)將真實硬件系統(tǒng)與虛擬計算機模擬系統(tǒng)相結(jié)合，并在其中通過不同功能站點實現(xiàn)整體運行與實驗研究。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hardware-in-the-loop simulation system

DCS系統(tǒng)開發(fā)與組態(tài)應(yīng)用程序、先進控制研究應(yīng)用程序、故障診斷及控制系統(tǒng)性能評價分析軟件全部植入到各個功能站點的目標計算機中，用于分析研究使用。DCS系統(tǒng)控制層、網(wǎng)絡(luò)層全部采用真實硬件控制系統(tǒng)組成，西門子S7-400控制器作為DCS系統(tǒng)核心控制器，下一級的子控制器分別采用S7-300來負責相應(yīng)計算機模型的回路控制任務(wù)。

3.2 數(shù)據(jù)交換

數(shù)據(jù)交換作為半實物仿真系統(tǒng)能否正常運行的一項關(guān)鍵問題，然而該半實物仿真系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸方面勢必與真實的自動化控制系統(tǒng)存在差別。這主要表現(xiàn)在，半實物仿真系統(tǒng)的整體被控對象采用虛擬計算機仿真模型，其中的過程數(shù)據(jù)全部是計算機提供的數(shù)字信號，而控制器在采集計算機模型中的過程數(shù)據(jù)過程中，可一方面通過物理信號采集，另一方面可直接將計算機模型中的過程數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破鞯臄?shù)據(jù)寄存器中[2]。

為此，在硬件控制器與計算機模型之間的數(shù)據(jù)交換方面，用于先進過程控制研究的半實物仿真系統(tǒng)提供了上述兩種數(shù)據(jù)交換方式，其示意圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)交換示意圖Fig.2 Schematic diagram of data exchange

半實物仿真系統(tǒng)功能站點通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)與自動化站之間數(shù)據(jù)交換；DCS層各控制器之間通過PROFIBUS現(xiàn)場總線完成數(shù)據(jù)間的互通；硬件控制器與計算機模擬系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換則通過以下兩種不同方式實現(xiàn)。

（1）OPCDA+MPI通訊方式

計算機模擬系統(tǒng)本身作為OPC客戶端使用，所有過程變量遵循OPC協(xié)議中的OPCDA規(guī)范，可同時將全部過程變量傳入OPC服務(wù)器中，OPC服務(wù)器利用MPI通訊方式連接硬件控制器，從而間接將計算機模型中的虛擬過程數(shù)據(jù)傳送至真實硬件控制器中。反之亦然，硬件控制器通過計算而得到的控制增量同樣通過OPC+MPI兩層通訊方式將數(shù)據(jù)傳送至虛擬計算機模型中參與控制。因此，計算機模型中的過程值與控制器中的控制量通過上述手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)在回路中的傳輸。

（2）物理信號通訊方式

在真實的自動化控制系統(tǒng)中，控制器參與過程控制任務(wù)，需要實時了解被控變量的過程值，從而計算出相應(yīng)的控制增量使被控變量保持穩(wěn)定。因此需要將控制裝置中的檢測儀表、執(zhí)行結(jié)構(gòu)與硬件控制器通過硬點接線的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。然而半實物仿真系統(tǒng)中被控對象采用計算機模型，并不存在真實的檢測儀表與執(zhí)行機構(gòu)。為此，一方面為最大程度模擬實際自動化控制系統(tǒng)，另一方面讓實驗人員能夠得到關(guān)于控制器物理信號接線的認識。針對FPSO的模擬控制系統(tǒng)，將計算機數(shù)字信號通過信號轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為電信號參與通訊[3]。

4 應(yīng)用實例

按照前面的闡述，該半實物仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)模型預(yù)測控制、故障診斷與控制系統(tǒng)性能評價等方面先進過程控制研究，開發(fā)與實施工作。

4.1 模型預(yù)測控制研究

本文以動態(tài)矩陣控制算法（DMC）為例，闡述利用該半實物仿真系統(tǒng)實現(xiàn)模型預(yù)測控制工作。

操作員站可通過DCS層采集計算機模型中被控回路的過程數(shù)據(jù)，先進控制站利用過程數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)辨識，得到其數(shù)據(jù)模型參與動態(tài)矩陣控制算法研究。工程師站利用開發(fā)后的動態(tài)矩陣控制算法用于指導(dǎo)常規(guī)控制層，實現(xiàn)模型預(yù)測控制實施工作[5-6]。

先進控制站可針對模型預(yù)測控制研究進行前期仿真，并與傳統(tǒng)PID控制算法進行比較，給出性能指標。如圖3所示。其性能指標比較如表1所示。

圖3 動態(tài)矩陣控制與PID控制仿真效果Fig.3 DMC and PID simulation results

表1 DMC與PID控制效果對比分析Tab.1 Analysis and comparison between DMC and PID

先進控制站提出的動態(tài)矩陣控制算法，通過工程師站進行CFC編程，下載至DCS層硬件控制器中實現(xiàn)動態(tài)矩陣控制，其中實際控制效果如圖4所示。

圖4 動態(tài)矩陣控制實際控制效果Fig.4 Actual control effect of DMC

4.2 控制系統(tǒng)性能評價研究

本文以最小方差（MVC）為例，闡述半實物仿真系統(tǒng)中控制系統(tǒng)性能評價研究過程?？刂葡到y(tǒng)性能評價最主要思想是提供控制系統(tǒng)性能是否達標的信息。以MVC算法的控制系統(tǒng)性能評價方法利用過程實施數(shù)據(jù)與少量先驗知識來估計控制系統(tǒng)性能，無需對控制系統(tǒng)進行擾動實驗，不影響系統(tǒng)正常運行。

利用操作員站監(jiān)測被控回路中的過程數(shù)據(jù)，利用得到的數(shù)據(jù)模型進行性能評價研究，最終得到當前性能定量值。控制系統(tǒng)性能評價室可選擇、設(shè)計性能評價基準，指定當前控制對象性能基準，測試當前控制系統(tǒng)性能與被選基準之間偏差，能夠確定從當前控制性能增強到基準的提升可能性。通過分析表明系統(tǒng)性能偏離最優(yōu)的程度。工程師站可根據(jù)分析結(jié)構(gòu)提出相應(yīng)改進措施，并使之通過重新整定、調(diào)節(jié)等方法來提高控制系統(tǒng)性能[7]。

控制系統(tǒng)性能評價室中提取被控回路的輸出數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，如圖5所示。

圖5 被控回路輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析Fig.5 Statistical analysis of controlled loop

對上述正在運行的DMC算法進行分析與性能評價，分析結(jié)果如圖6所示。評價指標趨近于1，證明控制效果良好。

圖6 動態(tài)矩陣控制系統(tǒng)性能評價指標Fig.6 Control system performance evaluation of DMC

4.3 故障診斷研究

利用半實物仿真系統(tǒng)，故障診斷研究平臺結(jié)合多元統(tǒng)計分析理論對流程工業(yè)故障檢測及辨識進行研究。

操作員站通過DCS系統(tǒng)采集計算機模擬系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)并生成樣本，通過KPCA方法建立系統(tǒng)的正常工況模型，計算出相應(yīng)的SPE和T2統(tǒng)計限值。

計算機模擬系統(tǒng)運行過程中，故障診斷研究平臺通過OPC技術(shù)實時獲取過程數(shù)據(jù)，計算出過程數(shù)據(jù)樣本的SPE統(tǒng)計量和T2統(tǒng)計量，并將之與統(tǒng)計限值進行比對，從而實現(xiàn)故障檢測。研究人員在第180個采樣點到第300個采樣點人為設(shè)定一個故障發(fā)生，圖7為其檢測效果。

檢測到系統(tǒng)發(fā)生故障之后，故障診斷研究平臺將對故障數(shù)據(jù)進行進一步的分析，進而對該故障進行進一步的辨識。

圖7 故障檢測效果圖Fig.7 Effect of fault detection

通過較為合理的算法（圖8以貢獻圖法為例），故障診斷研究平臺可以分析出各變量對該故障所造成的影響，從而鎖定故障源，實現(xiàn)對系統(tǒng)故障的辨識和診斷[8]。

圖8 基于貢獻圖法的故障辨識效果圖Fig.8 Effect of fault identification based on the contribution figure method

5 結(jié)語

用于先進過程控制研究的半實物仿真系統(tǒng)，無論在功能結(jié)構(gòu)還是研究范圍上都存在巨大的使用價值。針對流程工業(yè)，采用半實物仿真技術(shù)為先進過程控制的研究帶來新的思路。從模型預(yù)測控制、控制系統(tǒng)性能評價與故障診斷等方面實驗研究表明，該半實物仿真系統(tǒng)在開展先進過程控制研究中提供重要的實施與驗證環(huán)境。此外，利用該半實物仿真系統(tǒng)對流程工業(yè)一體化先進控制解決方案設(shè)計與先進控制軟件包的開發(fā)提供強大的支持。

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