一种液体管道仿真系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种液体管道仿真系统及方法，该系统由一台PC机、若干台PLC与触摸屏、路由器、网线及串口线构成，PLC与触摸屏通过串口线相连构成操作单元，PC机通过局域网络与各操作单元相连，实现数据传输，PC机运行管道仿真程序，计算虚拟管道系统的压力、流量值；虚拟管道系统的每一个站点对应一个操作单元，在操作单元内可完成与站点相关的实时曲线分析、手动操作、实时物理信号输入输出操作。仿真系统的实时物理信号接口使仿真系统功能更加丰富，同过设置与站点相对应的操作单元的方式使各种仿真操作直观易行，仿真效果更加逼真，其灵活性强，适用范围宽。
【专利说明】一种液体管道仿真系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种管道仿真领域，特别涉及一种具有实时物理信号输入输出功能， 并按管道系统站点分别设置信号接口与操作界面的液体管道仿真系统及方法。
【背景技术】
[0002] 目前，液体管道仿真系统及方法主要采用两种方法实现。一种是依据相似理论构 建管道及相关设备的实体模型，通过真实的物理实验模拟管道的各种动态过程，得到相关 的流量、压力信号。这种方法涉及的管道及相关设备的建设及维护费用较高，设备的占地面 积较大，而且由于管道、设备及实验流体性质的局限性，仿真系统能够有效模拟的实际工况 范围受到很大限制。另一种是使用管道系统的数学模型，通过仿真程序实现对管道系统各 种工况的仿真，这种方法不需要真实的管道、流体及相关设备，可以在较大范围内设置各种 相关性能参数，灵活性强，适用范围宽，但是这种方法缺少有效的物理信号接口，其仿真结 果以数字信号的形式存储于仿真计算机，在仿真过程中也不能接收物理信号输入。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种液体管道仿真系统及 方法，该系统不仅灵活性强，适用范围宽，而且设置了与虚拟管道系统站点相对应的仿真操 作单元，每各操作单元都配有实时物理信号接口及操作界面，具有参数设置功能、实时曲线 显示功能、模拟站点手动操作功能、实时物理信号输入输出功能，能够模拟压力、流量测量 仪表输出仿真系统的实时压力、流量信号，并能接收真实的控制信号。
[0004] 本发明提到的一种液体管道仿真系统，包括虚拟管道系统和仿真操作系统，所述 的虚拟管道系统由管道（1)、首站（2 )、中间站（3 )及末站（4 )构成，首站（2 )的设备包括首站 储罐（5)、首站离心泵（6)及首站调节阀（7)，首站调节阀（7)的出口设有首站出站信号检测 点（8)，中间站（3)的设备包括中间站离心泵（11)、中间站阀门A (10)、中间站阀门B (12) 及中间站阀门C (13)，中间站（3)的两端分别安装中间站进站信号检测点（9)和中间站出站 信号检测点（14)，开启中间站阀门A (10)及中间站阀门B (12)，关闭中间站阀门C (13)， 可通过中间站离心泵（11)增压；关闭中间站阀门A (10)及中间站阀门B (12)，开启中间站 阀门C (13)，可实现压力越站；末站（4)的设备包括末站阀门（16)及末站储罐（17)，末站 (4)的进站口设有末站进站信号检测点（15); 所述的仿真操作系统包括一台PC机（18)、若干台PLC与触摸屏、路由器（19)、网线 (20)及串口线（21)构成，PLC与触摸屏通过串口线相连构成仿真操作单元，PC机（18)通 过局域网络与各个仿真操作单元相连，实现数据传输，PC机（18)运行管道仿真程序，计算 虚拟管道系统的压力、流量值；虚拟管道系统的首站（2)、中间站（3)及末站（4)分别对应一 个仿真操作单元，在仿真过程中，通过特征线仿真算法计算首站出站信号检测点（8)、中间 站进站信号检测点（9)、中间站出站信号检测点（14)及末站进站信号检测点（15)处的压力 与流量值。
[0005] 优选的，本发明的仿真操作单元包括首站PLC (22)和首站触摸屏（23)组成的首站 仿真操作单元，中间站PLC (24)、中间站触摸屏（25)组成的中间站仿真操作单元，末站PLC (26)、末站触摸屏（27)组成的末站仿真操作单元。
[0006] 优选的，本发明的首站PLC (22 )、首站触摸屏（23 )与虚拟管道系统的首站（2 )相对 应，其中，首站PLC (22)接收首站出站信号检测点（8)压力、流量仿真信号并通过信号输出 端口输出实时物理信号，同时，通过信号输入端口可输入首站离心泵（6)转速控制信号及首 站调节阀（7)开度控制信号；首站触摸屏（23)可显示首站出站压力、流量信号的实时曲线， 设置首站储罐（5)的液位高度、首站离心泵（6)H-Q特性曲线的回归系数，首站调节阀（7)的 阻力系数等参数，并能在线手动调整首站调节阀（7)的开度。
[0007] 优选的，本发明的中间站PLC (24)、中间站触摸屏（25)与虚拟管道系统的中间站 (3)相对应，其中，中间站PLC (24)接收中间进站信号检测点（9)及中间站出站信号检测点 (14)的压力、流量仿真信号，并通过信号输出端口输出实时物理信号，同时，通过信号输入 端口可输入中间站离心泵（11)转速控制信号；中间站触摸屏（25)可显示中间站进出站压 力、流量信号的实时曲线，设置中间站离心泵（11) H-Q特性曲线的回归系数，中间站各阀门 的阻力系数等参数，并能在线手动开启或关闭中间站各阀门。
[0008] 优选的，本发明的末站PLC (26)、末站触摸屏（27)与虚拟管道系统的末站（4)相 对应，其中末站PLC (26)接收末站进站信号检测点（15)的压力、流量仿真信号并通过信 号输出端口输出实时物理信号；末站触摸屏（27)可显示末站进站压力、流量信号的实时曲 线，设置末站储罐（17)液位高度，末站阀门（16)的阻力系数等参数，并能在线调整末站阀 门（16)开度。
[0009] 本发明提到的一种液体管道仿真系统的仿真方法，包括以下步骤： 在仿真开始前进行参数设置，分为两步进行，首先，在PC机（18)仿真程序中进行基本 参数设置，然后通过各触摸屏设置相对应的站点参数，具体是在首站触摸屏（23)设置首站 离心泵（6) H-Q特性曲线的回归系数首站参数，在中间站触摸屏（25)设置中间站离心泵 (11) H-Q特性曲线的回归系数中间站参数； 完成参数设置后即可开始仿真，运行PC机（18)中的仿真程序，仿真程序根据各个参 数、手动操作输入、控制信号输入计算各信号检测点的压力、流量信号，并将计算结果以数 字信号形式发送至各相关PLC，在仿真过程中可进行四种基本操作，即分析实时曲线、站点 手动操作、读取输出信号及输入控制信号，分析实时曲线是指基于触摸屏实时曲线显示功 能，分析各站点压力、流量信号的取值及变化规律；站点手动操作是指使用触摸屏在线调整 各站点相关设备的装态以模拟实际站点中对设备的手动操作，具体是手动调整首站调节阀 (7)的开度，开启或关闭中间站各阀门；读取输出信号与输入控制信号是指基于仿真系统的 标准物理信号输入、输出功能，将实际的信号采集设备及过程控制设备与仿真系统直接相 连，实现实时物理信号的输入输出，以模拟真实管道系统中信号采集与控制输入； 在仿真过程中基于以上四种基本操作可进一步分析管道系统或测试相关系统，分析管 道系统是指分析管道系统的运行规律，特别是在各种手动操作及控制输入条件下管道动态 过程的变化规律，具体是分析首站调节阀（7)开度变化后或首站离心泵（6)转速调整后各 站点压力、流量的动态变化规律；测试相关系统是指检验、调试与管道系统相关的各种自动 化系统，包括控制方案、算法及硬件设备，在所有分析与测试工作完成后可停止运行PC机 (18)中的仿真程序，结束仿真。
[0010] 本发明的有益效果是： 1、 该仿真系统具有实时物理信号输入输出功能；输出信号可模拟压力、流量测量仪表 的标准信号形式，输入信号可模拟各种控制输入在线改变仿真工况。因此，有效扩展了传统 仿真系统的功能，不仅可以仿真管道系统的工作过程，而且可与各种管道自动化系统直接 相连，为相关软件、硬件系统提供测试平台； 2、 该仿真系统采用与真实管道系统相一致的构成形式。对应每一个虚拟站点分别配 置相应的操作单元，与各站点相关的信号输入输出、参数设置、信号曲线显示、模拟站内手 动操作等功能分别由对应操作单元中的PLC与触摸屏实现，因此，该仿真系统操作直观、简 单，仿真效果更加逼真； 3、 该仿真系统采用PC机、PLC及触摸屏等工业自动化常用设备，具有性价比高、扩展性 强易于维护等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 附图1是本发明的虚拟管道系统的结构示意图； 附图2是本发明实施例的系统构成图； 附图3是本发明实施例的仿真过程图； 上图中：管道（1)、首站（2)、中间站（3)、末站（4)、首站储罐（5)、首站离心泵（6)、首站 调节阀（7)、首站出站信号检测点（8)、中间站进站信号检测点（9)、中间站阀门A (10)、中间 站离心泵（11)、中间站阀门B (12)、中间站阀门C (13)、中间站出站信号检测点（14)、末站 进站信号检测点（15)、末站阀门（16)、末站储罐（17)、PC机（18)、路由器（19)、网线（20)、 串口线（21)、首站PLC (22)、首站触摸屏（23)、中间站PLC (24)、中间站触摸屏（25)、末站 PLC (26)、末站触摸屏（27)。
【具体实施方式】
[0012] 本发明提到的一种液体管道仿真系统，包括虚拟管道系统和仿真操作系统，结合 附图1，所述的虚拟管道系统由管道（1)、首站（2)、中间站（3)及末站（4)构成，首站（2)的 设备包括首站储罐（5)、首站离心泵（6)及首站调节阀（7)，首站调节阀（7)的出口设有首站 出站信号检测点（8)，中间站（3)的设备包括中间站离心泵（11 )、中间站阀门A (10)、中间 站阀门B (12)及中间站阀门C (13)，中间站（3)的两端分别安装中间站进站信号检测点 (9)和中间站出站信号检测点（14)，开启中间站阀门A (10)及中间站阀门B (12)，关闭中 间站阀门C (13)，可通过中间站离心泵（11)增压；关闭中间站阀门A (10)及中间站阀门B (12)，开启中间站阀门C (13)，可实现压力越站；末站（4)的设备包括末站阀门（16)及末站 储罐（17)，末站（4)的进站口设有末站进站信号检测点（15); 所述的仿真操作系统包括一台PC机（18)、若干台PLC与触摸屏、路由器（19)、网线 (20)及串口线（21)构成，PLC与触摸屏通过串口线相连构成仿真操作单元，PC机（18)通 过局域网络与各个仿真操作单元相连，实现数据传输，PC机（18)运行管道仿真程序，计算 虚拟管道系统的压力、流量值；虚拟管道系统的首站（2)、中间站（3)及末站（4)分别对应一 个仿真操作单元，在仿真过程中，通过特征线仿真算法计算首站出站信号检测点（8)、中间 站进站信号检测点（9)、中间站出站信号检测点（14)及末站进站信号检测点（15)处的压力 与流量值。
[0013] 参照附图2,在PC机（18)中设置仿真的基本参数并运行仿真程序。基本参数包 括：管道长度、内径、材质、粗糙度、流体粘度、密度、初始稳态流量、仿真步长。仿真程序运 行时计算并通过局域网发送各站信号检测点处的压力、流量实时数字信号，同时接收各PLC 传送的控制输入信号。
[0014] 首站PLC(22)、首站触摸屏（23)与虚拟管道系统的首站（2)相对应，其中，首站PLC (22)接收首站出站信号检测点（8)压力、流量仿真信号并通过信号输出端口输出实时物理 信号，同时，通过信号输入端口可输入首站离心泵（6 )转速控制信号及首站调节阀（7 )开度 控制信号。首站触摸屏（23)可显示首站出站压力、流量信号的实时曲线，设置首站储罐（5) 的液位高度、首站离心泵（6)H-Q特性曲线的回归系数，首站调节阀（7)的阻力系数等参数， 并能在线手动调整首站调节阀（7)的开度。
[0015] 中间站PLC (24)、中间站触摸屏（25)与虚拟管道系统的中间站（3)相对应，其中， 中间站PLC (24)接收中间进站信号检测点（9)及中间站出站信号检测点（14)的压力、流量 仿真信号，并通过信号输出端口输出实时物理信号，同时，通过信号输入端口可输入中间站 离心泵（11)转速控制信号。中间站触摸屏（25)可显示中间站进出站压力、流量信号的实时 曲线，设置中间站离心泵（11) H-Q特性曲线的回归系数，中间站各阀门的阻力系数等参数， 并能在线手动开启或关闭中间站各阀门。
[0016] 末站PLC (26)、末站触摸屏（27)与虚拟管道系统的末站（4)相对应，其中末站PLC (26)接收末站进站信号检测点（15)的压力、流量仿真信号并通过信号输出端口输出实时物 理信号。末站触摸屏（27)可显示末站进站压力、流量信号的实时曲线，设置末站储罐（17) 液位高度，末站阀门（16)的阻力系数等参数，并能在线调整末站阀门（16)开度。
[0017] 上述各站触摸屏通过串口线（21)与相应PLC相连，并基于RS232协议实现数据传 输。各PLC的物理输入、输出信号均采用4-20mA电流信号，此外，各流量测量输出信号均增 加一路脉冲输出信号，脉冲信号的流量系数可通过触摸屏设置。
[0018] 参照附图3,本发明的仿真方法的工作过程如下： 在仿真开始前进行参数设置，也就是图3中的设置基本参数，分为两步进行，首先，在 PC机（18)仿真程序中进行基本参数设置，如管道长度、流体粘度、仿真步长等。然后通过各 触摸屏设置相对应的站点参数，也就是设置站点参数，如在首站触摸屏（23)设置首站离心 泵（6) H-Q特性曲线的回归系数等首站参数，在中间站触摸屏（25)设置中间站离心泵（11) H-Q特性曲线的回归系数等中间站参数。
[0019] 完成参数设置后即可开始仿真，运行PC机（18)中的仿真程序。仿真程序根据各 个参数、手动操作输入、控制信号输入计算各信号检测点的压力、流量信号，并将计算结果 以数字信号形式发送至各相关PLC。在仿真过程中可进行四种基本操作，即分析实时曲线、 站点手动操作、读取输出信号及输入控制信号。分析实时曲线是指基于触摸屏实时曲线显 示功能，分析各站点压力、流量信号的取值及变化规律；站点手动操作是指使用触摸屏在线 调整各站点相关设备的装态以模拟实际站点中对设备的手动操作，比如，手动调整首站调 节阀（7)的开度，开启或关闭中间站各阀门等；读取输出信号与输入控制信号是指基于仿 真系统的标准物理信号输入、输出功能，将实际的信号采集设备及过程控制设备与仿真系 统直接相连，实现实时物理信号的输入输出，以模拟真实管道系统中信号采集与控制输入。
[0020] 在仿真过程中基于以上四种基本操作可进一步分析管道系统或测试相关系统。分 析管道系统是指分析管道系统的运行规律，特别是在各种手动操作及控制输入条件下管道 动态过程的变化规律，比如分析首站调节阀（7)开度变化后或首站离心泵（6)转速调整后 各站点压力、流量的动态变化规律。测试相关系统是指检验、调试与管道系统相关的各种自 动化系统，包括控制方案、算法及硬件设备。在所有分析与测试工作完成后可停止运行PC 机（18)中的仿真程序，结束仿真。
【权利要求】
1. 一种液体管道仿真系统，其特征是：包括虚拟管道系统和仿真操作系统，所述的虚 拟管道系统由管道（1)、首站（2)、中间站（3)及末站（4)构成，首站（2)的设备包括首站储 罐（5)、首站离心泵（6)及首站调节阀（7)，首站调节阀（7)的出口设有首站出站信号检测点 (8)，中间站（3)的设备包括中间站离心泵（11)、中间站阀门A (10)、中间站阀门B (12)及 中间站阀门C (13)，中间站（3)的两端分别安装中间站进站信号检测点（9)和中间站出站 信号检测点（14)，开启中间站阀门A (10)及中间站阀门B (12)，关闭中间站阀门C (13)， 可通过中间站离心泵（11)增压；关闭中间站阀门A (10)及中间站阀门B (12)，开启中间站 阀门C (13)，可实现压力越站；末站（4)的设备包括末站阀门（16)及末站储罐（17)，末站 (4)的进站口设有末站进站信号检测点（15); 所述的仿真操作系统包括一台PC机（18)、若干台PLC与触摸屏、路由器（19)、网线 (20)及串口线（21)构成，PLC与触摸屏通过串口线相连构成仿真操作单元，PC机（18)通 过局域网络与各个仿真操作单元相连，实现数据传输，PC机（18)运行管道仿真程序，计算 虚拟管道系统的压力、流量值；虚拟管道系统的首站（2)、中间站（3)及末站（4)分别对应一 个仿真操作单元，在仿真过程中，通过特征线仿真算法计算首站出站信号检测点（8)、中间 站进站信号检测点（9)、中间站出站信号检测点（14)及末站进站信号检测点（15)处的压力 与流量值。
2. 根据权利要求1所述的液体管道仿真系统，其特征是：仿真操作单元包括首站PLC (22) 和首站触摸屏（23)组成的首站仿真操作单元，中间站PLC (24)、中间站触摸屏（25)组 成的中间站仿真操作单元，末站PLC (26)、末站触摸屏（27)组成的末站仿真操作单元。
3. 根据权利要求1所述的液体管道仿真系统，其特征是：首站PLC (22)、首站触摸屏 (23) 与虚拟管道系统的首站（2)相对应，其中，首站PLC (22)接收首站出站信号检测点（8) 压力、流量仿真信号并通过信号输出端口输出实时物理信号，同时，通过信号输入端口可输 入首站离心泵（6 )转速控制信号及首站调节阀（7 )开度控制信号；首站触摸屏（23 )可显示 首站出站压力、流量信号的实时曲线，设置首站储罐（5 )的液位高度、首站离心泵（6)H-Q特 性曲线的回归系数，首站调节阀（7)的阻力系数等参数，并能在线手动调整首站调节阀（7) 的开度。
4. 根据权利要求1所述的液体管道仿真系统，其特征是：中间站PLC(24)、中间站触摸 屏（25)与虚拟管道系统的中间站（3)相对应，其中，中间站PLC (24)接收中间进站信号检 测点（9)及中间站出站信号检测点（14)的压力、流量仿真信号，并通过信号输出端口输出 实时物理信号，同时，通过信号输入端口可输入中间站离心泵（11)转速控制信号；中间站 触摸屏（25)可显示中间站进出站压力、流量信号的实时曲线，设置中间站离心泵（11) H-Q 特性曲线的回归系数，中间站各阀门的阻力系数等参数，并能在线手动开启或关闭中间站 各阀门。
5. 根据权利要求1所述的液体管道仿真系统，其特征是：末站PLC (26)、末站触摸屏 (27 )与虚拟管道系统的末站（4 )相对应，其中末站PLC (26 )接收末站进站信号检测点（15 ) 的压力、流量仿真信号并通过信号输出端口输出实时物理信号；末站触摸屏（27)可显示末 站进站压力、流量信号的实时曲线，设置末站储罐（17)液位高度，末站阀门（16)的阻力系 数等参数，并能在线调整末站阀门（16)开度。
6. -种采用权利要求1-5中任一项所述的液体管道仿真系统的方法，其特征是包括以 下步骤： 在仿真开始前进行参数设置，分为两步进行，首先，在PC机（18)仿真程序中进行基本 参数设置，然后通过各触摸屏设置相对应的站点参数，具体是在首站触摸屏（23)设置首站 离心泵（6) H-Q特性曲线的回归系数首站参数，在中间站触摸屏（25)设置中间站离心泵 (11) H-Q特性曲线的回归系数中间站参数； 完成参数设置后即可开始仿真，运行PC机（18)中的仿真程序，仿真程序根据各个参 数、手动操作输入、控制信号输入计算各信号检测点的压力、流量信号，并将计算结果以数 字信号形式发送至各相关PLC，在仿真过程中可进行四种基本操作，即分析实时曲线、站点 手动操作、读取输出信号及输入控制信号，分析实时曲线是指基于触摸屏实时曲线显示功 能，分析各站点压力、流量信号的取值及变化规律；站点手动操作是指使用触摸屏在线调整 各站点相关设备的装态以模拟实际站点中对设备的手动操作，具体是手动调整首站调节阀 (7)的开度，开启或关闭中间站各阀门；读取输出信号与输入控制信号是指基于仿真系统的 标准物理信号输入、输出功能，将实际的信号采集设备及过程控制设备与仿真系统直接相 连，实现实时物理信号的输入输出，以模拟真实管道系统中信号采集与控制输入； 在仿真过程中基于以上四种基本操作可进一步分析管道系统或测试相关系统，分析管 道系统是指分析管道系统的运行规律，特别是在各种手动操作及控制输入条件下管道动态 过程的变化规律，具体是分析首站调节阀（7)开度变化后或首站离心泵（6)转速调整后各 站点压力、流量的动态变化规律；测试相关系统是指检验、调试与管道系统相关的各种自动 化系统，包括控制方案、算法及硬件设备，在所有分析与测试工作完成后可停止运行PC机 (18)中的仿真程序，结束仿真。
【文档编号】G05B17/02GK104122801SQ201410359095
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】石岗, 耿艳峰, 孙良, 常贵宁 申请人:中国石油大学(华东)