一种大型氦低温系统实时仿真平台的制作方法

本发明涉及低温系统仿真平台领域，具体是一种大型氦低温系统实时仿真平台。

背景技术：

大型氦低温系统是具有超导设备的大科学实验装置必不可少的重要子系统之一，为实验装置提供稳定、可靠的低温运行环境，系统的效率和稳定性关系整个大科学装置的能耗和运行状态。大型低温系统本身能耗大，效率低，运行模式复杂。

由于大型低温系统的多变量、强耦合性，动态运行中涉及到的控制系统十分复杂，要想直观地进行流程优化，稳定分析难度较大。通过进行大型低温系统仿真技术研究可以有助于解决这一问题。动态仿真研究通过系统建模的方式，在计算机上搭建虚拟流程，利用部件模型代替实际设备，从而再现设备的运行状态。这样不但可以提高人们对系统的整体认知，而且无需设备实际运行，减少了不必要的能源、人力和物力的浪费。随着仿真技术在工业上的快速发展，研究人员逐渐将过程仿真技术应用到大中型氦低温系统上。动态仿真技术得以广泛应用于大型低温系统，旨在提高实际系统动态特性的认识，流程的动态过程优化设计，验证新的控制方法及策略，安全保护和故障诊断预测，系统虚拟过程调试和操作员培训等。

对于大科学装置氦低温系统的仿真，已经从单一的低温系统的模拟发展为大型制冷机及带负载用户的整个设备的模拟，主要集中于整个系统的温度场、压力场、控制策略方面的研究。目前的动态仿真仍然存在一些关键问题需要解决，首先，国际上的化工模拟软件hysys以及ecosimpro等包含了可以应用于大型低温系统中的单元模块，但是，通用软件的模拟精度、模型设置不能完全满足实际的低温系统模拟的需要。此外，大型低温系统的动态仿真集中于过程模型以及部分控制回路实现，缺少控制系统模拟平台。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种大型氦低温系统实时仿真平台，以解决现有技术在大型氦低温系统模拟中无法将流程模拟与控制系统模拟集成的问题，以及实时仿真过程中存在数据同步缺陷的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种大型氦低温系统实时仿真平台，其特征在于：包括在ecosimpro软件中根据机理建模和系统辨识方法建立的氦低温系统模型，所述氦低温系统模型包括压缩机模型、冷箱模型和负载模型；压缩机模型、冷箱模型和负载模型基于序贯方法连接构建成低温过程模型；在ecosimpro软件中还建立有基于机理建模的测量传感器模型，且测量传感器模型加入低温过程模型中；

还包括基于epics架构建立的控制系统模型，控制系统模型包括pid控制模块，模拟量信号模块，数字量信号模块，其中pid控制回路采用ioc作为虚拟控制器以处理数据和实现控制逻辑；

在ecosimpro软件中建立有opc服务器，在ioc虚拟控制器中建立有opc客户端，基于opc通讯协议实现低温过程模型和控制系统模型的实时通讯。

控制系统模型中，模拟量信号模块与pid控制模块连接，实现控制回路控制。模拟量信号模块和数字信号模块基于opc通讯协议通过opc客户端与低温过程模型通讯连接。

所述的一种大型氦低温系统实时仿真平台，其特征在于：所述压缩机模型包括但不限于螺杆压缩机、中压氦储气罐模型、高压和低压管道模型以及气动调节阀模型。

所述的一种大型氦低温系统实时仿真平台，其特征在于：所述冷箱模型包括但不限于透平膨胀机模型、多股流换热器、吸附器、管道和气动调节模型。

所述的一种大型氦低温系统实时仿真平台，其特征在于：所述负载模型包括但不限于相位分离器、冷压机和调节阀模型。

所述的一种大型氦低温系统实时仿真平台，其特征在于：所述测量传感器模型包括但不限于压力传感器，温度传感器，流量传感器和液位传感器。

所述的一种大型氦低温系统实时仿真平台，其特征在于：根据现有氦低温系统的流程和设计参数，分别在ecosimpro软件中输入压缩机模型、冷箱模型和负载模型的基本设计参数，ecosimpro软件中根据基本设计参数并基于机理建模和系统辨识方法建立氦低温系统模型。

所述的一种大型氦低温系统实时仿真平台，其特征在于：所述压缩机模型、冷箱模型和负载模型基于序贯方法连接的原则为：

（1）、两个存储设备之间通过热力部件连接；

（2）、一个存储设备与一个热动力设备之间通过一系列的热工部件连接。

所述的一种大型氦低温系统实时仿真平台，其特征在于：以一台pc机作为存储低温过程模型和测量传感器模型的系统模型服务器，以另一台pc机作为存储控制系统模型的工作站，工作站中还以开源软件css作为上位机监控软件，ioc虚拟控制器与上位机监控软件之间通过profibus总线连接，上位机监控软件中配置控制逻辑算法、数据库和监控界面，且系统模型服务器与工作站之间物理上通过以太网实现基于opc通讯协议的实时通讯。

本发明提供一种基于epics开放式的大型氦低温系统实时仿真平台，控制系统上位机软件采用开源软件css开发监控界面，opc通讯协议作为模拟模型数据与控制系统通讯的协议，实现过程模型与控制系统实时通讯，简化大型氦低温系统的模拟结构，易于实现整个模拟系统的集成。

本发明相对于其他低温系统模拟平台具有更好的集成性，特别针对于大型氦低温系统具有的典型的非线性、时变，多变量耦合特性，系统运行模式复杂等特点，传统的低温模拟系统主要基于数值模拟和流程模拟，与控制系统隔离，无法真实模拟低温系统的动态特性和控制算法。本发明采用开放式的控制结构实现过程与控制模拟的集成，基于部件建模模拟实际低温系统的动态特性，基于此平台可以高度仿真整个系统的稳定性和可靠性，同时满足操作员培训和虚拟运行的需求。

附图说明

图1是本发明的系统整体框图。

图2是opc服务器开发结构图。

具体实施方式

如图1所示，一种大型氦低温系统实时仿真平台，包括在ecosimpro软件中根据机理建模和系统辨识方法建立的氦低温系统模型，所述氦低温系统模型包括压缩机模型、冷箱模型和负载模型；压缩机模型、冷箱模型和负载模型基于序贯方法连接构建成低温过程模型；在ecosimpro软件中还建立有基于机理建模的测量传感器模型，且测量传感器模型加入低温过程模型中；

还包括基于epics架构建立的控制系统模型，控制系统模型包括pid控制模块，模拟量信号模块，数字量信号模块，其中pid控制回路采用ioc作为虚拟控制器以处理数据和实现控制逻辑；

本发明中，模拟信号模块需要与pid控制模块连接。模拟信号模块，数字信号模块基于opc通讯协议通过opc客户端与低温模型通讯连接。

本发明中，pid是控制模块，ioc是虚拟控制器，虚拟控制器是处理所有的控制回路和数据输入输出。pid控制模块只是用于pid控制回路中。

在ecosimpro软件中建立有opc服务器，在ioc虚拟控制器中建立有opc客户端，基于opc通讯协议实现低温过程模型和控制系统模型的实时通讯。

控制系统模型中，模拟量信号模块与pid控制模块连接，实现控制回路控制。模拟量信号模块和数字信号模块基于opc通讯协议通过opc客户端与低温过程模型通讯连接。

压缩机模型包括但不限于螺杆压缩机、中压氦储气罐模型、高压和低压管道模型以及气动调节阀模型。

冷箱模型包括但不限于透平膨胀机模型、多股流换热器、吸附器、管道和气动调节模型。

负载模型包括但不限于相位分离器、冷压机和调节阀模型。测量传感器模型包括但不限于压力传感器，温度传感器，流量传感器和液位传感器。

根据现有氦低温系统的流程和设计参数，分别在ecosimpro软件中输入压缩机模型、冷箱模型和负载模型的基本设计参数，ecosimpro软件中根据基本设计参数并基于机理建模和系统辨识方法建立氦低温系统模型。

压缩机模型、冷箱模型和负载模型基于序贯方法连接的原则为：

（1）、两个存储设备之间通过热力部件连接；

（2）、一个存储设备与一个热动力设备之间通过一系列的热工部件连接。

以一台pc机作为存储低温过程模型和测量传感器模型的系统模型服务器，以另一台pc机作为存储控制系统模型的工作站，工作站中还以开源软件css作为上位机监控软件，ioc虚拟控制器与上位机监控软件之间通过profibus总线连接，上位机监控软件中配置控制逻辑算法、数据库和监控界面，且系统模型服务器与工作站之间物理上通过以太网实现基于opc通讯协议的实时通讯。

如图2所示为opc服务器开发结构，首先在ecosimpro中建立低温模型，创立实验模拟获得实验结果。然后，在实验的基础上创建deck模型，配置与外部客户端需要交互的数据，deck模型创建成功后，建立opc服务器，配置opc服务器相关参数。注册opc服务器成功后，连接opc客户端进行实时通讯测试。