新华NETPAC DCS仿真实训教学平台设计

新华NETPAC DCS仿真实训教学平台设计

许红兵 肖键 王亚青 闫蕾

保定电力职业技术学院新能源与自动化系 河北保定 071051

摘要：针对实训室DCS硬件设备少，学生不能得到充分训练的问题，研究开发了基于虚拟XCU的新华NETPAC DCS仿真实训教学平台。仿真教学平台仿真了实训室NETPAC DCS硬件系统和硬件过程对象，学生可在仿真平台上完成除硬件测试外所有DCS系统的组态与调试训练，大大提高了教学效果。文中对仿真实训教学平台系统结构、单机虚拟网络环境、校园网中仿真系统网络环境、仿真对象数学模型设计做了较为详尽介绍。

关键词：NETPAC DCS；虚拟XCU；仿真；虚拟网络；教学平台

中图分类号：TK323；TP273+.5  文献标识码：B

Xinhua NETPAC DCS simulation practical training teaching platform design 

XU Hongbing1，XIAO Jian1，YAN Lei1，WANG Yaqing1

（1. Department of Power Engineering,Baoding Technical College of Electric Power ,HebeiBaoding071051, China)

Abstract：Aiming at the problem that there are few DCS hardware devices in the training room, and students can't get full training, a simulation training teaching platform of Xinhua NETPAC DCS based on virtual XCU is developed.The simulation teaching platform simulates the NETPAC DCS hardware system and hardware process objects in the training room. Students can complete the configuration and debugging training of all DCS systems except hardware testing on the simulation platform, which greatly improves the teaching effect. In this paper, the system structure of simulation training teaching platform, single virtual network environment, network environment of simulation system in campus network and mathematical model design of simulation object are introduced in detail.

Keyword：NETPAC DCS；Virtual XCU；Simulation；Virtual network; Teaching platform

0引言

新华NetPAC DCS是融合了优化控制、智能预警、现场总线等先进技术的新一代大型过程控制系统。我校购置了一套新华NetPAC DCS，并配置了一套含水箱和电加热锅炉的高级过程对象。但是一套新华NetPAC DCS和高级过程对象组成的实训系统，一次只能由一组学生下装程序，进行调试，其他学生只能等待，大大影响了教学效果[1]。为此，设计了新华NETPAC DCS仿真实训教学平台，该平台可在每台计算机上实现，大大增加了学生的动手机会，为虚实结合开展教学打下了基础。

在本文中，介绍了仿真平台的结构、虚拟仿真环境的实现、仿真对象数学模型设计与实现。

1  仿真实训教学平台系统结构

基于虚拟XCU的NETPAC DCS仿真实训教学平台系统结构如图1所示[2]。

在此仿真系统中，用NETPAC DCS自带的虚拟控制器VXCU取代真实XCU硬件控制柜设备，VXCU在非DCS的计算机上实现，其功能和操作与真实XCU完全一致。

仿真对象程序也在VXCU中编程实现。NETPAC DCS可以建立多个VXCU，仿真对象程序和过程控制程序分别采用不同的VXCU运行，VXCU之间通过通讯方式传递数据。

2  仿真系统网络环境的设计与实现

2.1 实训室中单机实训平台系统虚拟网络环境的实现

为了保证仿真实训平台数量，可在实训室中每台计算机上都建立一套仿真实训系统，操作员站、工程师站、仿真DCS控制柜VXCU、仿真对象程序VXCU均运行在此计算机上。因为各台计算机不联网单独运行，VXCU软件和总控软件均会因无法连接到网络而报故障，故需在此计算机上建立虚拟网络通信环境，以满足DCS系统的通信需求。

虚拟网络环境的建立方法有两种。一种是通过添加硬件，添加虚拟网卡Microsoft Loopback Adapter，建立虚拟局域网环境。另一种是通过制作自环网头插在计算机网口，实现自环通信，从而建立相应虚拟网络环境。

2.2 校园网中仿真系统网络环境的实现

为了学生课后能通过校园网在宿舍远程运行仿真系统进行学习与练习，可建立远程仿真实训平台。首先需要一台远程仿真服务器，该服务器中运行多套仿真平台。即在该服务器中建立多个VXCU，部分VXCU仿真真实XCU硬件控制柜功能，部分VXCU运行仿真对象程序。仿真硬件控制柜的VXCU和运行仿真对象程序的VXCU一一对应，配套形成多套互相独立的仿真实训平台。学生分别连接不同的仿真控制柜进行运行练习，以免互相影响。学生自己的计算机中也需要安装NETPAC DCS总控软件，作为工程师站和操作员站。远程仿真服务器必须放置于和学生计算机网络地址相同的同一子网中。

为了防止DCS系统的VXCU软件向网络中发送的大量数据包影响校园网的稳定运行，将DCS计算机与校园网中其它计算机进行逻辑隔离。方法为将DCS计算机的IP地址与校园网中其它计算机的IP地址设在不同的网段，从而达到逻辑上进行隔离的目的[3]。具体实现可如下进行：在服务器和学生计算机中，一块适配器上不但配置校园网IP地址，还添加上DCS网络的IP地址。如图2所示，例仿真服务器的校园网IP地址为192.168.0.10，子网掩码为255.255.255.0，可通过网络设置的高级功能给该适配器再填上DCS网络IP地址222.222.221.1，子网掩码255.255.255.0。学生机同样设置，DCS网络的IP地址要与仿真服务器网络在同一子网上。

学生在学生机（工程师站）上连接虚拟控制柜VXCU时，填写的节点号为对应的VXCU节点号，所需连接的VXCU的IP地址均为仿真服务器DCS网络中的IP地址,例222.222.221.1。

3  仿真对象数学模型设计与实现

实训室中DCS配套对象采用的是某高级过程控制对象实验装置，含三容水箱、电加热锅炉、盘管、三相磁力驱动泵、调节阀、电磁阀等。

3.1 水箱对象的仿真模型建立

实验装置中三容水箱结构示意图如图3所示。

对于每一个水箱可用如下公式进行迭代计算仿真。

（1）水箱出口流量Q出：[4][5]

其中：α—常数，决定于阀门的阻力

      H0—前一采样时刻水箱水位的高度

（2）当前时刻相对于前一采样时刻的水箱水位变化量ΔH：

其中：Q进—水箱的进水流量

      A  —水箱底面积

      TK  —采样时间

（3）当前时刻水箱水位H：

3.2 电加热锅炉仿真模型建立

实验装置中电加热锅炉结构示意图如图4所示：

根据热力学第一定律，可推导出电加热锅炉的热平衡方程式如下[5][6][7][8]:

其中：Q—电热丝加热量，可由所加电压大小及采样时间计算得出。

C水—水的比热容，为常数。

K散热—容器热损失系数，即锅炉容器每秒单位温度差的热损失量J/(℃·s)，近似为常数。

m内胆—容器内胆质量，为常数。

C内胆—容器内胆比热容，为常数。

m总水—锅炉容器中加满水后总的水量。

m进水—前一采样时刻到当前时刻的进水量，由流量乘以采样时间获得。

m出水—前一采样时刻到当前时刻的出水量。实验时，首先将锅炉加满水，故m出水= m进水。

T—当前时刻锅炉中水的温度。

T’—前一采样时刻锅炉中水的温度。

T0—环境温度，设为常数。

TK—采样时间，为常数。

用当前时刻与前一采样时刻锅炉中水的温度差ΔT=T-T’代入上式，变换消去T，可求出ΔT。

则电加热锅炉仿真计算可采用如下公式迭代计算：

（1）当前时刻与前一采样时刻锅炉中水的温度差ΔT：

（2）当前时刻锅炉中水的温度T：

（3）电热丝加热量Q[8]：

其中：u—三相电加热管所加电压。

K—电热丝加热系数，为常数。

3.3 其它设备仿真模型的建立

系统中其它设备的仿真模型建立相对比较简单，例盘管可用延迟对象仿真，泵、调节阀、电磁阀等可用比例对象、开关对象仿真等，这里不再一一赘述。

对于模型中的各个参数可用试验法获得。例容器热损失系数K散热，可在加满水后关闭进出口水阀，将锅炉中水温加热到高于环境温度15℃以上，调节电加热丝功率使水温稳定，保持电加热器功率的波动不应超过±1%，水温波动不超过±0.5℃，持续时间不少于30分钟，则容器热损失系数K散热=Qe/(T-T0)，期中Qe为电加热器功率，T为标定温度，T0为环境温度。

4  控制设计组态

学生在学习NETPAC DCS时，其数据库组态、控制逻辑组态、画面组态、动画连接等与真实NETPAC DCS组态完全一致，唯一区别是其输入信号从运行仿真对象的VXCU获得，其输出控制信号发给运行仿真对象的VXCU。故在组态时，硬件模拟量和数字量输入输出模块需要用站间引用模拟量和开关量输入输出模块取代，以实现和运行仿真对象的VXCU通信，获得所需要的输入信号，发送输出信号至仿真对象VXCU。

在通过与仿真对象相连完成设计与调试后，连接真实硬件对象设备时，只需将输入输出驱动换成真实的硬件模拟量和数字量输入输出模块即可。

5  结束语

完全基于NETPAC DCS所带虚拟VXCU设计开发小型仿真实验室系统简单可行，大大降低了DCS实验室建设经费，解决了实验室设备少学生难以得到充分训练的难题。我校开发的NETPAC DCS仿真实训教学平台应用于专业DCS课程实训教学，取得了较好的教学效果。同时基于此仿真平台还设计了水箱液位串级控制、锅炉内胆水温与循环水流量串级控制等22项实验，供过程控制系统课程进行实验教学，也取得了较好的实验教学效果。

参考文献：

[1] 许红兵.浅析DCS实践教学系统在电力系统高职院校中的实现[J]. 中国电力教育，2006，管理论丛与教育研究专刊:327-329

[2] 李胜.新华DCS创建仿真系统的实现方法[J].自动化技术与应用,2013,32(6):69-71

[3] 林建华,甘欣.利用虚拟DPU组建DCS培训网络[J].广西电力,2005,28(6):71-72

[4] 陈来九.热工过程自动调节原理和应用[M].北京:水利电力出版社,1982.

[5] 陈国初,张琳,郝宁眉.恒温恒液位系统的动态机理建模与仿真[J].青岛大学学报,2003,18(2):46-50

[6] 刘学军.电加热滚塑工艺的模具表面和模内温度的仿真计算[J].中国塑料，2023,37(7):53-61

[7] 傅秦生.热工基础与应用（第3版）[M].北京:机械工业出版社,2016.

[8] 孙龙,杭柏林.油气电加热器数学模型的建立[J].油气地面工程,2011,30(9):14-16