用于供能管网系统仿真的半实物仿真系统及其控制方法与流程

文档序号：16462935发布日期：2019-01-02 22:39阅读：197来源：国知局

本发明涉及一种半实物仿真系统及其控制方法，特别是涉及一种用于供能管网系统仿真的半实物仿真系统及其控制方法。

背景技术：

在供能管网系统调试过程中，仿真装置可以在实际的系统调试之前，验证控制方案的控制效果。由于供能系统的迟滞性及管网长度的较长的、流量较大的原因，在现场，一次调试控制方案的时间很长，如果完全依靠现场调试，则需要很长的调试周期，从而极大提高了调试的难度与成本。通过半实物仿真装置，可以减轻现场调试的难度及便于优化控制方案。

在工业控制现场，有多种硬件设备，包括各种传感器、调节阀等，为了存取现场设备的数据信息，每个应用软件开发商都需要编写专用的接口程序，由于现场设备众多，且产品不断升级，从而给用户和软件开发商造成了巨大的负担。opc(objectlinkingandembeddingforprocesscontrol)是一中数据交换的工业标准，可以为基于windows的应用程序和现场过程应用建立桥梁，基于客户端/服务器模式，为现场设备和应用软件之间数据交换提供支持。

过程控制中的主要控制对象为生产过程中的温度、压力、流量等变量，pid（比例、积分、微分）控制方法被广泛的运用在过程控制中，pid控制具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便的优点而成为过程控制的主要方法之一。西门子公司的s7-300系列plc内部集成了pid调节功能模块，能够根据输入的温度、压力等参数，输出一个阀门开度值控制管道中的调节阀，实现控制管道中流量、温度、压力等变量的控制目标。通过opc接口，控制柜中的plc模块连接到matlab中的供能系统管网模型，形成半实物仿真装置。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于供能管网系统仿真的半实物仿真系统及其控制方法，其能够建立符合实际供能管网系统的模型，为管网系统调试人员提供了良好的模拟实验平台，也为无法接触真实供能管网系统的在校学生研究供能系统提供了良好的支持。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种用于供能管网系统仿真的半实物仿真系统，其特征在于，其包括被控对象、控制柜、控制主机，被控对象、控制柜、控制主机三者之间相互连接，被控对象为基于matlab/simulink搭建的模型系统，调节阀组用于控制多段管道组内水流量大小，控制柜主要包括plc模块及相关的电气设备，控制柜对被控对象中的压力、流量、温度进行控制，控制主机主要用来搭建matlab管网组及与控制柜进行通讯。

优选地，所述控制柜包括plc模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、交换机模块、人机交互模块、外围电路器件模块、电源模块、电源指示模块：plc模块由315型处理器组成，用于实现与执行控制策略，plc模块接收到温度、压差信号后，按照控制策略，经处理器逻辑处理，给出阀门开度信号，经过通信接口模块发送至阀门开度控制模块，控制阀门模块的开度；交换机模块通过网线将plc模块、人机交互模块与控制主机连接到交换机不同的接口上，三者之间便可建立通信；人机交互模块由触摸屏组成，通过该模块可以设置总管供、回水压差、换热器一次侧回水温度与二次侧供水温度目标值；电源模块为西门子系列plc专用供电模块，将220v交流电转变为24v5a直流电，用于plc模块供电；被控对象包括通信接口模块、阀门开度反馈模块、阀门开度控制模块、温度反馈模块、压力反馈模块、管网模块、压差反馈模块、阀门模块：通信接口模块用于实现被控对象与控制柜之间的通信；阀门开度反馈模块用于测量阀门模块中阀门开度信号，并经过通信接口模块反馈阀门开度信号至plc模块；阀门开度控制模块用于传递plc模块阀门控制信号至阀门模块，用于控制阀门开度；温度反馈模块用于测量管网模块中温度信号，并经过通信接口模块反馈温度信号至plc模块；压力反馈模块用于测量管网模块中压力信号，并经过通信接口模块反馈压力信号至plc模块；压差反馈模块用于接收压力反馈模块压力反馈值，并根供水管道压力与回水管道压力，计算总管供、回水压差，经通信接口模块将压差信号反馈至plc模块；阀门模块接收阀门开度控制模块的输出信号，以改变阀门开度，用于控制管网模块的流量。

优选地，所述控制主机包括一台计算机、matlab平台装置、opc接口平台装置、plc开发平台装置，matlab平台装置、opc接口平台装置、plc开发平台装置均与计算机相连，控制主机通过一个以太网通信模块与控制柜相连。

优选地，所述以太网通信模块将多个多段管道组中的温度信号、压差信号、阀门开度信号传送至plc模块，获得阀门开度控制信号，并传送至多段管道组，以调节阀门的开度。

优选地，所述多段管道组用于根据获得的阀门开度值，产生流量、温度、压差、阀门开度等过程变量值，供plc模块处理使用。

优选地，所述被控对象应用于多种控制实验，多种控制实验包括基于matlab的pid控制实验、基于s7-300型plc控制器与matlab的半实物pid控制实验。

优选地，所述plc模块用于实现控制策略，根据模型中反馈的阀门开度、温度、压力、压差等信号与设定值得误差，输出阀门开度调节信号，控制模型中换热器一次侧回水、二次侧供水温度及总管供、回水压差。

本发明还提供一种用于供能管网系统仿真的半实物仿真系统的控制方法，其包括以下步骤：

步骤一，多段管道组根据一次侧总管供水温度、总管流量、总管供水压力、总阀开度、分阀开度、换热器二次侧回水温度、二次侧流量及二次侧回水压力值，产生一次侧总管回水温度、一次侧总管回水压力、换热器二次侧供水温度过程变量信号；

步骤二，压力反馈模块组根据总管供水压力与回水压力，产生总管压差信号；

步骤三，压力反馈模块组采集总管供、回水压力与压差信号，并将上述信号值传递至kepserver软件；

步骤四，通过kepserver软件，将步骤三中的变量信号发送至plc模块，plc模块根据控制策略及压差设定值与反馈值的误差，输出阀门开度信号；

步骤五，plc模块通过kepserver软件将阀开度信号输送至多段管道组，调节总阀的开度；

步骤六，压力反馈模块组采集总管压差信号，并通过kepserver软件发送至plc模块；

步骤七，判读总管压差反馈值与实际值是否相同，是则转步骤八，否则转步骤二；

步骤八，总管压差控制结束；

步骤九，温度反馈模块采集换热器二次侧供水温度信号，并将上述信号值传递至kepserver软件；

步骤十，通过kepserver软件，将步骤九中的变量信号发送至plc模块，控制器根据控制策略及二次侧供水温度设定值与反馈值的误差，输出阀门开度信号；

步骤十一，plc模块通过kepserver软件将阀开度信号输送至多段管道组，调节分阀的开度；

步骤十二，温度反馈模块采集二次侧供水温度信号，并通过kepserver软件发送至plc模块；

步骤十三，判读二次侧供水温度是否符合要求，是则转步骤十四，否则转步骤九；

步骤十四，二次侧供水温度控制结束；

步骤十五，温度反馈模块采集换热器一次侧回水温度信号，并将上述信号值传递至kepserver软件；

步骤十六，通过kepserver软件，将步骤十五中的变量信号发送至plc模块，控制器根据控制策略及换热器一次侧回水温度设定值与反馈值的误差，输出阀门开度信号；

步骤十七，plc模块通过kepserver软件将阀开度信号输送至多段管道组，调节分阀的开度；

步骤十八，温度反馈模块采集换热器一次侧回水温度信号，并通过kepserver软件发送至plc模块；

步骤十九，判读二次侧供水温度是否符合要求，是则转步骤二十，否则转步骤十五；

步骤二十，一次侧回水温度控制结束。

本发明的积极进步效果在于：本发明用于供能管网系统仿真的半实物仿真系统能够建立符合实际供能管网系统的模型，为管网系统调试人员提供了良好的模拟实验平台，也为无法接触真实供能管网系统的在校学生研究供能系统提供了良好的支持。

附图说明

图1为本发明用于供能管网系统仿真的半实物仿真系统的系统模块图。

图2为本发明中控制柜的系统模块图。

图3为本发明中被控对象的系统模块图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1至图3所示，本发明用于供能管网系统仿真的半实物仿真系统包括被控对象、控制柜、控制主机，被控对象、控制柜、控制主机三者之间相互连接，被控对象为基于matlab/simulink（美国matlab公司出品的商业数学软件）搭建的模型系统，调节阀组用于控制多段管道组内水流量大小，控制柜主要包括plc模块及相关的电气设备，控制柜对被控对象中的压力、流量、温度进行控制，控制主机主要用来搭建matlab管网组及与控制柜进行通讯。

控制柜包括plc模块1、模拟量输入模块2、模拟量输出模块3、交换机模块4、人机交互模块5、外围电路器件模块6、电源模块7、电源指示模块8：plc模块由315型处理器组成，用于实现与执行控制策略，plc模块接收到温度、压差信号后，按照控制策略，经处理器逻辑处理，给出阀门开度信号，经过通信接口模块9发送至阀门开度控制模块11，控制阀门模块16的开度；交换机模块4通过网线将plc模块1、人机交互模块5与控制主机连接到交换机不同的接口上，三者之间便可建立通信；人机交互模块5由触摸屏组成，通过该模块可以设置总管供、回水压差、换热器一次侧回水温度与二次侧供水温度目标值；电源模块7为西门子系列plc专用供电模块，将220v交流电转变为24v5a直流电，用于plc模块1供电；被控对象包括通信接口模块9、阀门开度反馈模块10、阀门开度控制模块11、温度反馈模块12、压力反馈模块13、管网模块14、压差反馈模块15、阀门模块16：通信接口模块9用于实现被控对象与控制柜之间的通信；阀门开度反馈模块10用于测量阀门模块16中阀门开度信号，并经过通信接口模块9反馈阀门开度信号至plc模块1；阀门开度控制模块11用于传递plc模块1阀门控制信号至阀门模块16，用于控制阀门开度；温度反馈模块12用于测量管网模块14中温度信号，并经过通信接口模块9反馈温度信号至plc模块1；压力反馈模块13用于测量管网模块14中压力信号，并经过通信接口模块9反馈压力信号至plc模块1；压差反馈模块15用于接收压力反馈模块13压力反馈值，并根供水管道压力与回水管道压力，计算总管供、回水压差，经通信接口模块9将压差信号反馈至plc模块1；阀门模块16接收阀门开度控制模块11的输出信号，以改变阀门开度，用于控制管网模块14的流量。

plc模块用于实现控制策略，根据模型中反馈的阀门开度、温度、压力、压差等信号与设定值得误差，输出阀门开度调节信号，控制模型中换热器一次侧回水、二次侧供水温度及总管供、回水压差。

控制主机包括一台计算机、matlab平台装置、opc接口平台装置、plc开发平台装置，matlab平台装置、opc接口平台装置、plc开发平台装置均与计算机相连，控制主机通过以太网通信模块与控制柜相连，控制柜通过控制主机组态各种监控换面，可以组态出与matlab模型中的管道相同的画面，从而实时的监控matlab模型中各个变量的数值。

以太网通信模块将多个多段管道组中的温度信号、压差信号、阀门开度信号传送至plc模块，获得阀门开度控制信号，并传送至多段管道组，以调节阀门的开度。

多段管道组用于根据获得的阀门开度值，产生流量、温度、压差、阀门开度等过程变量值，供plc模块处理使用。

温度反馈模块、压力反馈模块分别用于检测多段管道组中的温度、压差，这样方便使用。

温度反馈模块、压力反馈模块根据测量与反馈值来控制调节阀组的开度，根据不同的控制策略，实现对不同变量的单独控制或多个变量的联动控制。

被控对象应用于多种控制实验，多种控制实验包括基于matlab的pid控制实验、基于s7-300型plc控制器与matlab的半实物pid控制实验；其中matlab的pid控制实验是指使用matlab软件中提供的pid调节功能，s7-300型plc控制器与matlab的半实物pid控制实验是指使用s7-300型plc控制器内部提供的pid调节功能；所述的matlab软件能够方便的显示各个控制变量的数值，并且能以曲线图的方式显示阀门开度、水温、压力的变化趋势曲线，便于直观的观察变化趋势。

本发明用于供能管网系统仿真的半实物仿真系统将matlab/simulink强大的数学建模、数据计算、仿真能力应用到plc控制中，建立更加符合实际供能管网系统的模型，matlab软件模型与s7-300型plc通过opc软件连通并在半实物仿真装置中研究及分析plc控制方案的效果，其优点在于：模型系统可以根据各个地块的真实管网系统做出修改，便于增加或减少被控对象中的管道、换热器、阀门、传感器等现场仪器仪表设备模块数量；模型系统能够真实的再现实际使用的供能管网系统：能够将模型中的管道参数（长度、热损失特性）、流量、温度参数与实际管网中的参数保持一致。

本发明基于opc技术、plc控制器与matlab/simulink模型的半实物控制仿真装置，将matlab/simulink强大的建模、仿真能力，通过opc接口技术引入到工程实践中，能够方便的与工业控制领域常用的plc控制器相结合，从而为供能管网系统调试人员对控制方案进行分析验证提供了很好的支撑。实际中，各个不同的供能地块，其供能管网系统的构造也不同，根据matlab/simulink中的模型便于修改的特性，可以根据各个地块的实际构造，修改模型中管道、阀门、换热器、传感器等的位置、长度及工艺参数，从而使得管网模型与真实系统保持一致，更加符合调试工作的要求。本发明所述的实验装置包括被控对象、控制柜、控制主机，包含了实际调试工作中常用的plc控制器、换热器、温度传感器、压力反馈模块、调节阀等现场仪器仪表及控制装置，能够模拟实际工作环境，对压力、流量、温度、阀门开度等一系列过程变量进行有效的控制。该装置所配备的触摸屏，能够实时的显示matlab模型中压力、流量、温度、阀门开度等过程变量值，也可以通过触摸屏对上述的过程变量进行赋值。该装置所配备的温度、湿度传感器模块能够检测控制柜所处环境的温度与湿度，并通过温度以及湿度调节模块，控制柜体内温度以及湿度值。该装置可以用于模拟供能管网系统，进行控制方案的调试，也可用于学校以及科研单位，用于对过程控制系统的研究及教学工作。

本发明用于供能管网系统仿真的半实物仿真系统的控制方法包括以下步骤：

步骤一，多段管道组根据一次侧总管供水温度、总管流量、总管供水压力、总阀开度、分阀开度、换热器二次侧回水温度、二次侧流量及二次侧回水压力值，产生一次侧总管回水温度、一次侧总管回水压力、换热器二次侧供水温度等过程变量信号；