一种工业过程控制系统的测试装置及测试方法与流程

技术领域：

本发明属于自动控制设备技术领域，具体涉及一种工业过程控制系统的测试装置及测试方法。

背景技术：
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各种控制技术应用非常广泛，从航天、高铁列车、电厂、石化、生活居住无处不在，有一种控制领域我们常常称作过程控制，其主要特征是被控对象有物质交换、进行质量和能量的转移，如制药厂、石化厂的反应釜，它在工作时，其内部可能既有物理变化又有化学变化，反应釜内的温度、压力、液位等参数在不停地变化；再如常规热电厂的发电过程由蒸汽锅炉产生蒸汽，蒸汽输出推动汽轮机带发电机发电，而做功后的蒸汽又被冷凝成水，再被锅炉加热成蒸汽再次推动汽轮机，形成了物质的物理状态往复变换、物质的转移循环；通过介质水将燃料的化学能转变成电能，实现了能量的搬运。这些物理或化学过程的自动控制，被人们习惯地称作工业过程控制。

作为实现工业过程控制的过程控制系统，一般是由控制台、控制机柜、现场的传感器、变送器、调节阀及其执行器等硬件设备组成，其核心部分为控制器，一般布置在控制机柜或控制台中，同时整个控制系统会有一套监控软件协调整个控制系统的运行，实现工业过程按预期的工艺流程运转。

过程控制的控制对象往往是由一系列的压力容器罐体设备组成，靠各种管路将它们有机地、按照工作关系连接起来，管道上配置各种调节阀；调节阀由电动、气动或液动执行器直接驱动控制，阀门的开度大小最终是由过程控制系统中的控制器程序控制，使被控制对象过程系统有序地按照预期的要求进行物质与能量的转移。

而过程控制系统本身从整体构成上讲，它主要由两部分设备组构成，一部分为放置于控制室或控制设备间的设备，如控制台、控制机柜，过程控制系统的核心设备控制器就置于控制机柜或控制台中，控制台面板上会布置显示仪表、用于指示操控之目的计算机和操纵按钮开关等操控或指示元件。另一部分为安装于现场与被控对象设备处于同一场所的传感器、变送器和调节阀执行器等现场设备，这些设备通常是具体安装在相关的被控对象设备的机体上或附属管道上。在这类过程控制系统中，调节阀及其执行器设备的使用占比很大。

当一套新的过程控制系统样机研制出来后，应首先在静态条件下，对控制系统自身的软硬件进行调试，确认控制系统自身的硬件信号关系传递正确，软件控制逻辑正确，符合设计预期。在确认过程控制系统于静态下测试没有问题后，也希望能以某种方式在试验室环境下，对过程控制系统的动态特性进行调试和测试，以降低过程控制系统在首次应用于实际工业过程控制可能存在的风险，同时可缩短在实际应用现场的调试时间，能达到降低项目成本之目的。

只有通过动态测试，才可检测确认控制程序是否合理可行。实际上，现在一般的新研的过程控制系统，都是在首套系统加工好后，在试验室或制造厂进行简单的静态调试，然后直接安装在应用现场，再进行现场的静态调试，然后在现场直接作用于被控对象进行动态调试，往往是边摸索被控对象的工作规律边调试，这样势必加大项目的现场调试时间，增加项目成本，且存在一定的技术风险

目前，对于新研的重要的过程控制系统的监控软件在实际应用之前，工程监管方往往向工程项目实施方提出进行“软件第三方测试”要求，由具有软件认证资格的企业测试合格后方可用于实际系统。但由于过程控制系统的软件运行特点与通常意义上的软件系统的运行有很大的不同，在实践中很少见到有谁对这样的监控软件进行第三方测试，存在着监管盲区。具体原因是：象通常意义上的软件系统，如数据库软件系统，通常组成个计算机网络环境就可实现整个软件系统的功能与性能的测试。而过程控制系统的监控软件的运行严重依赖于构成控制系统的硬件环境和被控对象过程系统的实际运行，为了实现“软件第三方测试”这一行为，总不至于造一套能实际工作运行的过程系统。

新研的过程监控系统软件在实际应用之前，可能存在这样或那样的潜在问题，且设计者无法意识到，从而去消除；只能在实际应用时去发现和解决，导致的后果就是：项目的后期调试工作量过大、调试周期长，项目的技术风险加大，上级管理机关或工程监管方对项目的能否可靠按期完成心存疑虑。

即使经过使用已定型的过程控制系统，一套新制造的同样的过程控制系统，出厂时也应进行出厂检验。在进行出厂检验时，如测试检测手段丰富齐全，检测点深入覆盖面广，留到现场的问题就会少；反之，测试检测手段有限单一，留到现场问题就可能多，现场调试时间会较长。

技术实现要素：
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为了能实现新研制的过程控制系统的监控软件及其硬件在实际应用之前，能在合理成本控制下，对其功能与性能进行全面有效的测试检查，发现问题消除缺陷，尤其是能对其监控软件开展有效的“软件第三方测试”；并且可对企业定型生产的过程控制系统的成套设备进行有效的出厂检验。即对新研或定型制造的过程控制系统的软硬件质量状态进行有效的检查评估，本发明提出了“过程控制系统测试装置”这一产品概念，该装置不仅能静态地测试过程控制系统的软硬件，还能动态地测试过程控制系统的软件，使得卓有成效地开展过程控制系统的“软件第三方测试”成为可能。

本发明采用的技术方案为：一种工业过程控制系统的测试装置，主要由调节阀执行器增强型模拟器和仿真计算机构成，调节阀执行器增强型模拟器一方面要用电路模拟调节阀执行器的动作过程，对应地动态改变和记忆一个虚拟的调节阀的阀位值，还要用电路模拟过程控制系统中参数监测用的信号变送器、传感器的信号变化；仿真计算机用于仿真过程控制系统的控制对象（即工业设备或称过程装置）的运转过程，按照设备的工作数学模型仿真其工作过程，被仿真设备的状态参数会在计算机上不断变化。仿真计算机与调节阀执行器增强型模拟器通过总线网络或以太网络联网工作，在网络中仿真计算机为主站，调节阀执行器增强型模拟器为从站。仿真计算机从调节阀执行器增强型模拟器接收模拟的阀位信号，根据阀位信号的变化和其它相关信息计算出被仿真设备的新的运转状态，并将其新的状态参数回送给调节阀执行器增强型模拟器，作为其改变模拟的变送器/传感器输出信号大小的依据。

所述调节阀执行器增强型模拟器通过自身的调节阀执行器接口与控制系统中的控制机柜、或控制台、或控制箱中对应的执行器输入输出端子相连接，接收过程控制系统中控制器发出的执行器控制电流信号或是控制台发出的开阀、关阀和切换阀位控制方式的开关量信号，同时将模拟器模拟的执行器工作状态，主要是虚拟的阀位值和模拟的故障状态信号反馈给控制器。

所述调节阀执行器增强型模拟器的执行器接口具体有1个“开大阀位”开关量输入信号、1个“关小阀位”开关量输入信号、1个“阀位大小控制”模拟量输入信号、1个“阀位大小反馈”模拟量输出信号、1个阀位“用开关量信号控制/用模拟量信号控制选择”开关量输入信号、1个“故障状态”开关量输出信号、1个24v直流电源输出。

所述调节阀执行器增强型模拟器配有液晶或led显示组件，一方面可显示其输入的阀位模拟量控制信号的大小，另一方面又可实时显示模拟的当时实际阀位开度；模拟器外壳上设有一个开关，当开关处于关或开时模拟器发出执行器有故障信号，而当开关处于开或关时表示执行器处于正常工作状态，不发出故障信号。

所述调节阀执行器增强型模拟器通过自身的信号变送器、传感器模拟输出接口与控制系统中的控制机柜、或控制台、或控制箱中对应的输入端子相连接，将来自仿真计算机仿真的工业设备运转过程的数字化动态参数，用电路变成模拟量信号，反馈给过程控制系统中的控制器。

所述调节阀执行器增强型模拟器设有两线制4ma～20ma信号输出接口，用于模拟信号变送器输出信号（如压力、压差、温度、流量等参数）；设有mv信号输出接口用于直接模拟热电偶温度信号；设有可变电阻输出接口用于直接模拟热电阻温度信号；设有频率信号输出接口用于模拟转速信号；一台增强型执行器模拟器可以设有多种信号源输出接口，也可只设有一种信号源输出接口。

一种工业过程控制系统的测试装置所采用的测试方法为：被测试的过程控制系统按照其正常的工作方式将调节控制输出(即阀位控制信号)以开关量信号或电流信号形式发送给调节阀执行器增强型模拟器，模拟器接收阀位控制信号后，如是电流控制信号，首先改变模拟器上的液晶或led显示组件上显示的阀位控制信号的大小与接收值一致，如是开关量信号，用模拟器上对应的发光二极管进行指示，然后根据预设的阀门开大或关小的动作速度，增加或减小虚拟的阀位值，并改变阀位反馈输出信号与虚拟的阀位值一致，即将新的虚拟阀位值回送被测试的控制系统；仿真计算机以一定的间隔周期通过网络接口访问调节阀执行器增强型模拟器，将其仿真计算出的过程装置的运行参数如压力、温度、转速的最新值送给模拟器，并取回最新的虚拟的阀位值。

所述调节阀执行器增强型模拟器从仿真计算机接收到过程装置的最新仿真运行参数值后，根据其参数的类别相应地改变范围为4～20ma的变送器接口信号的输出值，或是热电偶温度接口信号的输出值，或是热电阻温度接口信号的输出值，或是转速频率接口信号的输出值，使它们与从仿真计算机接收的仿真运行参数的最新值相一致。

在仿真计算机上配置调节阀执行器增强型模拟器设置程序，用该程序通过网络接口为系统中的每台模拟器设置模拟器中虚拟调节阀动作的速度值，设定后该值被保存在模拟器中的非易失存储器中。

本发明的有益效果：本测试装置能在有效的成本控制下，不仅能实现重要的工业过程控制系统新研制的样机装备软硬件的有效确认测试，尤其是能有效地开展过程控制系统“控制软件的第三方测试”工作；还能用于后续制造的过程控制系统实际装备的有效出厂检验。

附图说明：

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明中调节阀执行器增强型模拟器的接口示意图。

图3是本发明的工作原理示意图。

具体实施方式：

参照图1，点画线左侧部分为一般的过程控制系统中通常布置在控制室端的设备，主要是控制台和控制机柜，控制台内部和显示操控面板再布置操控指示计算机、显示器、设备运行状态指示灯、报警光字牌、操控按钮和接线端子等元件；控制机柜再布置控制器及其i/o模件、信号转换元件和接线端子等元件；控制台中的操控指示计算机与控制机柜中的控制器一般是用系统内部的以太网络进行连接，实现数据交换；而控制台与控制机柜间其它信号的连接一般是用控制线缆进行连接；机柜中的控制器运行过程控制应用软件，而控制台上操控指示计算机运行人机界面应用软件用于进行操控和指示。以上这些设备总成加之运行其上的应用软件就构成了过程控制系统的半成品，因为它还未连接与被监控的过程装置或设备布置在一起的变送器、传感器和执行机构等元件，形成真正意义上的过程控制系统。这个过程控制系统的半成品需事先在工厂制造、调试和测试，确信没问题检验合格后，才在应用现场进行安装和实际调试应用。对于较小的过程控制系统，可能不设控制机柜，而是将控制机柜的功能也在控制台内实现。

参照图1，点画线右侧为本发明用于测试过程控制系统的测试装置，它由调节阀执行器增强型模拟器和仿真计算构成。调节阀执行器增强型模拟器一方面要用电路模拟调节阀执行器的动作过程，对应地动态改变和记忆一个虚拟的调节阀的阀位值，还要用电路模拟过程控制系统中参数监测用的信号变送器、传感器的信号变化；仿真计算机用于仿真过程控制系统的控制对象（即工业设备或称过程装置）的运转过程，按照设备的工作数学模型仿真其工作过程，被仿真设备的状态参数会在计算机上不断变化。

即用调节阀执行器增强型模拟器具有的调节阀执行器接口功能和信号变送器、传感器接口功能代替布置于工业过程现场的真实的调节阀执行器和真实的信号变送器、传感器的接口功能，再用仿真计算机仿真工业过程设备的实际运转，对在工厂制造出来的过程控制系统的半成品的软硬件功能和性能在其应用之前进行测试和调试。

在对某一过程控制系统进行实际测试时，可根据该过程控制系统实际调节控制回路的多少配置调节阀执行器增强型模拟器的数量。

仿真计算机与调节阀执行器增强型模拟器通过总线网络或以太网络联网工作，在网络中仿真计算机为主站，调节阀执行器增强型模拟器为从站。

图2所示为一台调节阀执行器增强型模拟器的接口图，它应具有现有调节阀执行器的接口功能和信号变送器、传感器的接口功能，以实现这些元件功能的工作逻辑仿真，以便能用于过程控制系统的测试。首先要按照真实的一台调节阀执行器的外部接口功能，用电路加单片机或加其它型式的计算机芯片方式，模拟调节阀执行器与控制系统中控制器间的相互作用信号接口，当它被连接到过程控制系统中机柜或控制台的端子上工作时，控制端的控制软件或人员操控时，感觉上会是一个真实的调节阀执行器在工作。同时，一台调节阀执行器增强型模拟器要用电路模拟仿真几路用于过程变量监测的信号变送器/传感器的外部接口。

调节阀执行器增强型模拟器通过自身的调节阀执行器接口与控制系统中的控制机柜、或控制台、或控制箱中对应的执行器输入输出端子相连接，接收过程控制系统中控制器发出的执行器控制电流信号或是控制台发出的开阀、关阀和切换阀位控制方式的开关量信号，同时将模拟器模拟的执行器工作状态，主要是虚拟的阀位值和模拟的故障状态信号反馈给过程控制系统的控制器。

参见图2，调节阀执行器增强型模拟器的执行器接口设有有1个“开大阀位”开关量输入信号、1个“关小阀位”开关量输入信号、1个“阀位大小控制”模拟量输入信号、1个“阀位大小反馈”模拟量输出信号、1个阀位“用开关量信号控制/用模拟量信号控制选择”开关量输入信号、1个“故障状态”开关量输出信号、1个24v直流电源输出。

调节阀执行器增强型模拟器配有两组液晶或led显示组件，一组用于显示其输入的阀位模拟量控制信号的大小，另一组用于实时显示模拟的当时实际阀位开度；也可只配置一组液晶或led显示组件，再配置一个切换开关，用开关切换方式，在一组显示组件上分别显示输入的阀位模拟量控制信号的大小和模拟的当时实际阀位开度；模拟器外壳上设有一个双刀开关，当开关处于关或开时模拟器发出执行器有故障信号，而当开关处于开或关时表示执行器处于正常工作状态，不发出故障信号，同时也将该信号状态送给模拟器中的cpu。在模拟器上设置3只发光二极管指示灯，分别用于指示模拟器收到开阀、关阀信号和当前阀位控制方式的选择状态。

调节阀执行器增强型模拟器通过自身的信号变送器、传感器模拟输出接口与控制系统中的控制机柜、或控制台、或控制箱中对应的输入端子相连接，将来自仿真计算机仿真的工业设备运转过程的数字化动态参数，用电路变成模拟量信号，反馈给过程控制系统中的控制器。

参照图2，调节阀执行器增强型模拟器设有两线制4ma～20ma信号输出接口，用于模拟信号变送器输出信号（如压力、压差、温度、流量等参数）；设有mv信号输出接口用于直接模拟热电偶温度信号；设有可变电阻输出接口用于直接模拟热电阻温度信号；设有频率信号输出接口用于模拟转速信号，以方波或正弦波形式输出；一台增强型执行器模拟器可以设有多种信号源输出接口，也可只设有一种信号源输出接口。

参照图2，在本实施例中，热电偶温度信号输出接口的mv数范围为0～50mv，可模拟0℃～1100℃的设备工作温度范围；热电阻温度信号输出接口的电阻值范围为91ω～220ω，可模拟-23℃～322℃的设备工作温度范围；频率信号输出接口的频率范围为0～24khz，如果在实际过程系统中，与磁电式转速传感器配套工作安装于设备转轴上的齿盘的齿数为120个，那么该频率范围可模拟0～12000rpm的设备工作转速范围。

如图2所示，在本实施例中，调节阀执行器增强型模拟器配置485总线接口与上位仿真计算机进行通讯交换数据。仿真计算机从调节阀执行器增强型模拟器接收模拟的阀位信号，根据阀位信号的变化和其它相关信息计算出被仿真设备的新的运转状态，并将其新的状态参数回送给调节阀执行器增强型模拟器，作为其改变模拟的变送器/传感器输出信号大小的依据。

参照图3，画出了某一过程控制系统的一部分，即实现监控锅炉运行状态的部分和对其进行测试的测试装置的组成，用于说明本发明测试装置的测试方法。

锅炉运行过程的主要状态参数有锅筒汽包压力p、过热蒸汽温度t和锅筒汽包水位h，相应地过程控制系统至少设有锅筒汽包压力和锅筒汽包水位两个调节回路，在实际的控制系统中为了实现锅筒汽包压力和锅筒水位的调节需配置两台调节阀，每台调节阀由与其安装于一体的执行器直接驱动和控制，另外需配置锅筒汽包压力监测变送器、锅筒汽包水位压差监测变送器和过热蒸汽温度监测热电偶传感器。

过程控制系统的锅炉控制部分主要由锅炉控制机柜、锅炉控制台及其布置于台或柜内部或表面上的控制器及其i/o模件、操控指示计算机、按钮开关、接线端子等元件构成。

为了验证已设计制造出的过程控制系统的锅炉监控功能的软硬件设计正确，满足实际需要，需要对其进行测试和调试，为此选用两台调节阀执行器增强型模拟器，再加一台仿真计算机构成一个测试装置对锅炉监控功能的软硬件设计实现进行测试。其中模拟器与仿真计算机组成一个485总线网络在一起协同工作，其中仿真计算机为主站，而两台模拟器为从站。其中一台模拟器模拟仿真燃油流量调节阀执行器的动作过程，并用其接口电路模拟仿真锅筒汽包压力监测变送器的输出信号和过热蒸汽温度热电偶的输出信号，另一台模拟器模拟仿真锅筒汽包水位调节阀执行器的动作过程，并用其接口电路仿真锅筒汽包水位监测变送器的输出信号。

参照图3，测试用的两台调节阀执行器增强型模拟器，象真实的调节阀执行器和变送器、传感器一样，其输入输出接口与锅炉控制台、控制机柜中对应的信号端子进行实际连接，仿真计算机仿真锅炉的实际运行过程，锅炉控制台与控制机柜通电，使安装其上的控制器和操控指示计算机中的应用软件运行，测试观察相关的软硬件功能运行是否正确，性能是否满足要求。

参照图3，对调节阀执行器的开阀、关阀、阀位控制方式选择信号均是由锅炉控制台上的开关按钮发出的，锅炉控制台也接收来自调节阀执行器的直流24v电源，该直流电源为上述的3个开关量信号提供电源激励；其它的调节阀执行器信号和变送器、传感器信号均接到锅炉控制机柜的接线端子上。

当仿真计算机仿真的锅炉运行状态达到能量与质量输入输出平衡时，运行参数会维持在一个稳定的工作状态。此时当需要提高锅筒汽包工作压力时，被测试的过程控制系统就会由控制机柜中的控制器发出被增大的模拟量阀位控制电流信号给燃油流量调节阀执行器增强型模拟器，或是通过控制台上的按钮由人工向燃油流量调节阀执行器增强型模拟器发出开大阀门开关量信号，两种阀位控制方式的选择是由控制台上的控制方式选择开关进行切换实现的，切换时由人工从控制台将开关量电平信号发到模拟器。模拟器按照当前阀位控制方式的选择状态，根据相应的控制信号实现虚拟的阀位值增大或减小的控制，两种阀位控制信号不同时起作用。

当燃油流量调节阀执行器增强型模拟器接收到开大阀门信号或具体的控制阀位值时，会根据预设的阀门开大的动作速度，逐步增加虚拟的燃油流量调节阀的阀位值，并改变燃油流量调节阀阀位反馈输出信号与虚拟的阀位值一致，即将新的虚拟阀位值回送被测试的过程控制系统；仿真计算机以一定的间隔周期通过485总线访问调节阀执行器增强型模拟器，当它从燃油流量调节阀执行器增强型模拟器取回最新的虚拟的阀位值，首先对虚拟的阀位值进行显示，并根据最新的燃油流量调节阀的阀位值和其它有关参数计算出最新的锅筒汽包压力、锅筒汽包水位和过热蒸汽温度参数值，此时锅筒汽包压力、过热蒸汽温度参数值应增大，而锅筒汽包水位应减小，仿真机会在下一个对模拟器的访问周期，将锅筒汽包压力和过热蒸汽温度参数的最新值回送给燃油流量调节阀执行器增强型模拟器，将锅筒汽包水位参数的最新值回送给锅筒水位调节阀执行器增强型模拟器。

对应地，燃油流量调节阀执行器增强型模拟器会根据从仿真机接收的锅筒汽包压力参数的最新值改变4～20ma的变送器接口信号的输出值，会根据从仿真机接收的过热蒸汽参数的最新值改变热电偶温度接口信号的输出值；锅筒水位调节阀执行器增强型模拟器会根据从仿真机接收的锅筒汽包水位参数的最新值改变4～20ma的变送器接口信号的输出值。

锅炉控制机柜中的控制器收到锅筒汽包水位减小的信号后，其控制软件应向锅筒水位调节阀执行器增强型模拟器发出增大水位调节阀阀位的控制信号。如此一来就会实现一个动态的周而复始的控制与被控制的循环往复过程。

利用在仿真计算机上配置的调节阀执行器增强型模拟器设置程序，通过485总线接口为系统中的每台模拟器设置模拟器中虚拟调节阀动作的速度值，设定后该值被保存在模拟器中的非易失存储器中，根据被模拟仿真的调节阀的实际动作速度值进行设置。

还可在仿真机的仿真程序中设置静态调试功能，即设置在仿真机的人机交互界面上对仿真的运行参数进行强置值功能，并将此值也送到调节阀执行器增强型模拟器，模拟器再相应地改变其仿真的信号变送器或传感器接口的输出值，达到静态测试或调试过程控制系统之目的。

综上所述，以这种方式就实现了对过程控制系统中锅炉控制部分软硬件功能与性能的测试。