为过程控制系统检验和操作员训练自动生成仿真的系统和方法

专利名称：为过程控制系统检验和操作员训练自动生成仿真的系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及可编程/可配置的计算机化分布式控制系统的领域。更特别地， 本发明涉及用来在上线之前在分布式控制系统的特定配置上检验和/或训练操作员的仿真器。
背景技术：
新的或翻新的制炼厂(发电厂、化工厂、炼油厂等等)的设计和建设惊人复杂和昂 贵，涉及来自许多不同的公司和学科的设计师、工程师，以及施工队，大家都试图并行地执 行他们的工作，以在尽可能最短的时间内建成工厂并使它投入运行。通常，有一个负责工厂 的设计、建设，以及向最终客户“交钥匙”的实体工程总承包(EPC)承包商。EPC转包并管 理单个供应商，包括控制系统和操作员训练仿真器提供商。工厂越快地投入运行，最终客户就越快地开始在他们的生产上赚取收入，对于大 型工厂，有时每天总额容易地就达到数百万美元。如此，使用项目奖励和处罚来刺激供应商 加快进度。对于控制系统(及其他)提供商，这样做的负面的方面是，工厂设计会是“反复 的”，因为多个团队争着完成他们的工作，导致主要系统设计修改，这些修改会潜在地迫使 返工。取决于合同结构，这些返工成本并不总是可补偿的。除工厂控制系统之外，有时，完整合同需要工厂操作员训练仿真器(OTS)。OTS是 与最后的控制系统连接的过程模型，其具有长的开发交付周期，常常必须等待工厂物理设 计和控制系统完成，它本身才能完成。然而，OTS常常需要比工厂运转大大地提前，以允许有 足够的时间来进行训练，因此，严重地受制于其他项目约束。虽然相对于建造工厂的总成本 而言微不足道，但是，控制系统和OTS对于工厂拥有者来说常常是非常高的风险因素。如果 它们不能准时完成或质量差，则在解决问题的同时可能会造成数千万美元的收入损失。对 完全高保真OTS执行控制系统检验已经被证实能大大地提高质量和性能。实现制炼厂(例如，发电厂、化工厂、炼油厂等等)的新控制系统(例如，控制、安 全、烟火等等)潜在地会非常复杂。然而，新控制系统的正确设计对于制炼厂的安全和有效 的操作非常关键。实现过程的一部分涉及验证控制系统设计。然而，在将系统上线之前很 难实现对设计的验证，因为验证取决于向/从控制系统正在作用的物理过程发送和接收有 效刺激的过程控制元件。另外，分布式控制系统的控制系统软件通常包括好几千个控制块 和到工厂的接口(I/O)点。因此，在检验期间检验已配置的控制系统软件的配置和操作是 非常费时的。
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图1示出了工厂控制系统的典型的硬件布局。为描述说明性实施例，控制系统潜 在地包括，除分布式控制系统之外，安全仪表系统、紧急停机系统，烟火系统或其任何组合。 控制系统使用控制块来执行逻辑和数学函数以控制工厂中的物理过程。这些是由系统的控 制处理器(参见图1，控制处理器)来处理的可配置软件块。图2中提供了一组控制块的说 明性描绘。图2示出了 手动/自动站，当处于手动状态时，该手动/自动站允许控制系统 操作员输入所需过程值；开关块，取决于输入模式在两个输入之间进行选择；以及遵循/保 持块，取决于输入模式，该块遵循输入或“保持”原样。说明性控制块对来自工厂中的过程 仪表的反馈刺激/值(F3)作出响应，并且这些控制块将它们的输出(Fl)发送到工厂中的 物理控制设备(致动器、泵、马达等等)。去往/来自工厂仪表和致动器的通信是经由输入 /输出模块(I/O模块)进行的，如图1所示。控制系统的正确操作取决于控制块的设计和布局——一般分配给控制系统应用 工程师的任务。尽管控制块可以根据设计最佳实践被创建或作为基础，但是，在没有适当的 测试技术的情况下，测试正确功能的过程控制逻辑是困难的或者甚至不可能的，直到系统 安装在工厂中。不能“预先测试”过程控制逻辑潜在地对用于在工厂中安装新的/重新设 计的过程的项目引入了高风险元素。在没有预先测试/验证的情况下安装过程控制逻辑的 风险包括由项目延迟所引起的财务困难，对设备的损坏，以及对人员的伤害。应用工程师 通过简单地仿真工厂行为来对过程控制系统执行简单的测试，然而，在已知测试系统中，仿 真的质量一般较低，需要对过程控制系统逻辑进行修改，只是为能够进行测试，创建起来费 时。下面将概述已知的测试系统的说明性示例。用于分布式过程控制配置的回接型(tieback-type)测试(响应于由控制逻辑所 提供的控制输出，将输入反馈到过程控制逻辑)的已知方法需要实际各种过程控制系统硬 件(例如，控制处理器)的布置来实现测试。一种类型的回接仿真(参见，例如，图3A)涉 及将要组合的整个硬件和软件系统搭建起来，其中通过使用实际线路或信号发生器将输出 信号(表示来自被仿真的过程的信号值)回送到I/O模块上的输入信号。另一方法(参见，图3B和3C)涉及在实际控制系统软件内构建仿真型块，并将仿 真块连接到I/O软件块。图3B和3C中所描绘的方法不需要将控制逻辑的输入/输出参数 连接到实际(物理)I/O模块，然而，控制逻辑(包括仿真块)仍被加载并在现实的控制处理 器上运行。还有必要修改I/O软件块，以关闭到I/O硬件的连接(参见，图3B、A0UT和AIN I/O连接)，并重新配置打算连接到I/O硬件的每一个块，以接受来自仿真块的输入。用于仿真/测试的另一已知方法(参见，图3D)使用市场上可买到的仿真软件来 提供简单的过程仿真。类似于第二种方法，I/O控制块被修改，以关闭它们的到物理I/O模 块的连接。例如，在操作员的计算机系统上运行的外接的仿真软件，经由专用应用程序接口 (API)来读/写到I/O块。此软件潜在地包括快速配置器，以基于I/O块命名约定，将仿真 器算法连接到单一输入和输出块。对于如前所述的现有的回接仿真方法(1)所有都需要实际控制系统硬件，包括 网络接口(第一方法需要实际I/O模块)；(2)第二和第三方法要求修改控制系统配置，以 关闭到物理I/O的连接；以及(3)所有三种方法都没有用于将控制系统和模型状态设置/ 复位到所需初始条件的机制。动态过程仿真作为工具检验工厂控制或安全系统的性能，以及作为操作员训练仿
4真器，对于从验证制炼厂(发电厂、化工厂、炼油厂等等)的设计的一切，都是非常宝贵的 工具。然而，当提供动态过程仿真时，面临着几个挑战，包括开发时间长，需要高度熟练的 仿真领域专家，很可能在开发仿真器设计/配置的同时，工厂和/或控制系统设计也会演 变_这会导致返工仿真，实际工厂规模(以及相关联的控制系统)常常非常巨大_需要大 型开发团队来构建和配置过程模型；过程设计可以包括来自完全不同的数据源的描述，包 括设备数据表，示出了工厂过程的布局的管道及仪表图(P&ID)，以及仪表列表。许多过程控制系统，如在发电厂或炼油厂实现的那些过程控制系统，需要在部署 之前检查其正确的设计、配置以及连接。做不到这一点会导致工厂故障，潜在地导致性能效 率低下，对工厂设备造成损坏或对人员造成伤害。

发明内容
本文描述了用于生成用于在分布式控制系统配置的检验和操作员训练中使用的 仿真定义的仿真生成器和方法。描述了到控制系统的过程仿真接口。所产生的过程控制仿 真器支持仿真工厂的物理过程，以便向控制系统提供现实的刺激，以便可以验证其正确的 行为。为实现过程仿真的计算机自动化的构建，提供了基于规则的仿真生成器，该生成 器解释所提供的控制系统设计，并自动地创建所需的过程模型，并将它们连接到控制系统 接口点-如此，使得从配置的过程控制设计来创建控制系统检验仿真完全自动地进行。过 程控制系统的检验是在虚拟环境中进行的，例如，在个人计算机或其联网的装置中，如此， 消除了要求整套的控制系统硬件(例如，控制处理器)和软件。自动化工具从多个工厂设计资源(例如，P&ID)收集所需数据，并进行合成，以创 建、配置以及参数化动态过程仿真模型，以提供自动地创建的工厂过程仿真器，用于过程设 计分析、控制系统设计检验以及操作员训练和熟悉。还描述了包括过程参数之间的一组因果关系的过程仿真模型。在设计环境中作为 矩阵定义了这样的因果关系，其后，将该矩阵包括到连接到过程控制系统的一组I/O块的 建模的过程的动态仿真中。


尽管权利要求详细地阐述了本发明的特征，但是，通过下面的结合附图对本发明 进行的详细描述，可以更好地理解本发明以及其目的和优点，其中图1是描绘了工厂控制系统的典型的硬件布局的示例性网络图示；图2说明性地描绘了一组控制块；图3A-D说明性地描绘了过程控制的已知的仿真硬件/软件布置；图4A和4B说明性地描绘了根据说明性示例性实施例的仿真生成和执行布置；图5说明性地描绘了用于实现根据示例性实施例的仿真的替代硬件布置；图6说明性地描绘了示例性规则手册编辑器界面；图7描绘了使用正则表达式约定定义的示例性搜索/替换记号；图8说明性地描绘了管道和仪表示例的图形；图9是用于使用一组预定义的映射文件(规则)和转换函数来将来自智能P&ID
5图形(源)的数据对象转换为过程仿真模型对象(目标)的示例性工作流；图IOA说明性地描绘了转化过程(从P&ID图形形式到过程仿真模型对象图形) 的示例；图IOB说明性地描绘了示例性用户界面，该用户界面包括用于呈现来自容器过程 仿真模型的实时数据输出值的对话框；图IOC说明性地描绘了示例性模型配置拓扑(例如，过程流连接)，由“转化器”从 SP P&ID提供的，并呈现于示例性“拓扑”对话框中；图IlA示出了转化框架，其中，稳态分析输出和管道安装图与智能P&ID图形定义 相结合，以为管道提供完全参数化的过程仿真模型；图IlB提供示例性源对象的AABBCC设备码，以及P&ID到模型映射文件内容；图12概述了由本文所描述的自动化转化器框架实现的示例性工作流；图13描绘了示例性用户界面，该用户界面描绘了仪器映射表的内容；图14示出了在SmartPlant P&ID本机用户界面环境中可用的一些配置数据；图15提供了与过程仿真模型生成器的转化框架相关联的支持扫描定制AABBCC码 数据库的工具的示例性用户界面(对话框)；图16描绘了用于从SP P&ID对象生成过程仿真模型的示例性工作流；图17说明性地描绘了示例仪器映射文件和测量的单位映射文件的内容；图18是表示P&ID的小节的示意图；以及图19是与图18中所描绘的过程单元仿真模型相对应的因果矩阵。
具体实施例方式下面的描述基于本发明的各说明性实施例，不应该理解为关于本文没有明确描述 的替代实施例限制本发明。参考各种级别的测试/仿真细节来描述本文所描述的过程控制系统仿真生成器 和平台。下面的定义涉及本文所包含的示例性过程控制测试/仿真软件/系统的描述。使 用“回接”仿真来实现设备级别的仿真，“回接”仿真涉及单回路控制(在控制回路之间没 有交互)仿真。“设备级别”的仿真涉及对一个过程设备进行建模，并潜在地涉及多个回路 (交互)测试。再一种类型的仿真应用物理/化学原理来在工厂级别执行过程控制系统仿 真，其中，根据包括工厂设备和其中处理的材料的实际物理特征(例如，管道尺寸/连接/ 弯曲)的详细的仿真模型，来仿真整个过程/工厂的管理。本文所描述的对已知仿真生成器和平台系统的第一增强提供对测试控制的高度 自动化的回接模型构建器(低保真度仿真)。说明性系统利用已知的现有SIMSCI-ESSC0R FSIM/TRISIM/Dynsim产品性能来提供下面的功能自动构建仿真模型和交叉引用数据库表；提供使用控制块命名约定的用于生成仿真的用户定义的规则手册；以及提供用于并入自动地生成的仿真中的简单回接功能(锁存、时间延迟等等)的库。对已知仿真系统的第二增强使得用户能够为过程构建简化的、非第一原理仿真模 型，并允许这些非第一原理仿真模型被自动地生成。对已知仿真系统的第二增强支持下面 的功能
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使用 Intergraph SmartPlant (SP)数据库，以及，在必要时，Invensys Systems 公 司I/A过程控制配置的组合，自动构建仿真模型和交叉引用数据库表；基于在SmartPlant管道和Instruction Diagram(SP P&ID)上发现的对象和仪 器，自动创建SIMSCI-ESSCOR Dynsim模型对象。例如，用户可以查找仪器标签，并查看标签 被附加到的设备/元件(阀门、马达、容器)；提供与使用用户社区定义的模板库相结合地使用控制块命名约定的用户定义的 规则手册；支持使用标准SIMSCI-ESSCOR Dynsim图形用户界面来创建和修改仿真模型；支持单向的，一次性的模型创建(如果由于对IO配置的更改而重新创建模型，则 手动编辑丢失)；支持来自SmartPlant P&ID(SP P&ID)的单元操作级别的仿真；提供来自SP P&ID定义对象的设备级别的仿真模型；产生在单一 P&ID对象定义上表示的单元的操作的非物理过程模型；以固定边界条件的形式提供到其他工厂区域的接口 ；以及支持单个单元操作上的几个回路的测试交互；本文所描述的对增强的过程仿真器模型生成和平台系统的第三方面以下涉及提 供高度自动化的“因果”过程仿真模型构建器。所产生的过程仿真模型适合于操作员训练 仿真器和/或严格的控制配置测试/检验。对过程仿真器模型生成系统的第三增强支持下 面的功能使用 Intergraph SmartPlant (SP)数据库，以及，在必要时，Invensys Systems 公 司I/A控制配置的组合，自动构建过程仿真模型和交叉引用数据库表；在过程/动态仿真工程决窍中提供用户定义的规则手册构建；支持不以数字稳定的方式执行的模型，无需手动地应用以制作可使用工厂模型的 工程专业知识；支持单向的，一次性的模型创建(如果由于对IO配置的更改而重新创建模型，则 手动编辑丢失)；从SP P&ID创建整个过程仿真模型，包括将每一种类型的P&ID图形对象解释为合 适的类型仿真模型对象，并可能同时创建稳态过程流工程分析模型；通过经由SmartPlant Foundation链接过程流数据以初始化SIMSCI-ESSCOR Dynsim过程仿真模型，支持初始化来自稳态数据提供商(如Pro II)的模型。由 SIMSCI-ESSCOR所提供的ProII，是稳态仿真器，它使控制工程师能生成用于配置高保真度 过程仿真模型的设计数据(P&ID通常不带该功能)。在再进一步增强增强中，仿真器生成和平台系统支持仿真环境和仿真系统的数据 源之间的双向数据传输，同时保持数据完整性。完整性任务包括确保手动模型更改不被覆 盖，并捕捉手动更改并传播回SmartPlant Foundation (SPF) 0I.回接过程仿真模型的自动批量生成本文描述了基于计算机的仿真生成系统和方法，它们实现快速、准确，有成本效益 地生成用于验证过程控制系统逻辑设计的仿真模型。逻辑设计包括，例如，在运行时过程控 制环境中的一个或多个控制处理器内执行一组功能块。过程仿真模型和过程控制逻辑在例
7如在单一独立个人计算机上运行的单一仿真平台上执行。仿真生成方法和仿真平台允许在 过程控制系统逻辑(例如，功能/过程控制块)安装在工厂过程控制硬件(例如，控制处理 器)上之前对控制逻辑进行验证。转向图4A，实现回接过程仿真的仿真生成器包括下列组件(1)虚拟过程控制系 统定义400 (例如，控制处理器和相关联的到过程的物理I/O接口)，(2)包含一组过程仿 真模型的仿真库402，以及(3)批量过程模型和I/O生成器406，它将来自库402的选定的 过程仿真模型的实例连接到虚拟过程控制系统400的1/0，以提供仿真模型408，仿真模型 408包括仿真模型实例以及将仿真模型实例绑到虚拟过程控制系统定义4001/0的交叉引 用表。在一示例性实施例中，过程仿真模型库402包括一组回接模型，这些回接模型包 括各种过程组件响应行为，用于仿真由虚拟过程控制系统定义所表示的控制系统配置。下 面所提供的表描述了过程仿真模型库402中所包含的示例性回接仿真模型块组合。
8要建模的系统动态仿真过程 库(402)实体备注累加器(积分器)，％PIDKP 和 KD = 0同上，但是，以工程单位制表示(即， lb/hr、psi 等等)PIDKP 和 KD 二 0对若干个输入进行AND运算，然 后，与另一组进行OR运算AND, OR作为一系列块或作为xref中 的公式来实现利用Equa丨Percent修整来确定阀门 的流量VALVES阀门对象具有可挑选的修整 类型利用线性修整来确定阀门的流量VALVES阀门对象具有可挑选的修整 类型一阶滞后LEADLAG滞后模式同上，但是，以工程单位表示(即， lb/hr. psi 等等)leadlag滞后模式将输入相加SUM将输入相力口同上，但是，以工程单位表示(即， lb/hr、psi 等等)SUMjI夺输入相加如果条件是FALSE，则设置输出= 输入SWITCH带有逻辑切换输入的双输入 开关，或带有IF的公式(test, true value, false value )如果条件是TRUE，则设置输出=输 入SWITCH带有逻辑切换输入的双输入 开关，或带有IF的公式(test, true value, false value)
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权利要求
一种用于为控制系统检验自动地提供回接仿真模型的方法，所述方法包括创建要被仿真的所述控制系统的至少一部分的虚拟表示；提供仿真模型库；将所述控制系统的所定义的元件应用到仿真库，以自动地提供过程仿真模型对象；以及将所述过程仿真模型对象连接到所述控制系统的所述虚拟表示的I/O组件，以提供所述回接仿真模型。
2.一种用于自动地从过程的管道及仪表图提供过程仿真模型的方法，所述方法包括 获取以电子形式表示过程的管道及仪表图的结构化数据对象，所述结构化数据对象包括到过程控制回路的接口 ；以及将表示所述管道及仪表图的所述结构化数据对象转化为过程仿真模型对象，所述转化 是使用预定义的映射定义和转换函数自动地执行的。
3.如权利要求2所述的方法，还包括电子形式的过程模型输入的附加的源，并且其中， 所述转化步骤将来自所述附加的源的过程模型输入数据包括到所述过程仿真模型对象中。
4.一种用于为过程提供潜在地包括所述过程内的控制点之间的复杂交互的过程仿真 模型的方法，所述方法包括提供管道及仪表图的电子表示，包括一组结构化数据对象；以及 将来自库的因果模型集成到过程仿真模型中，所述因果模型包括与相关过程参数之间 的单元变化关系相对应的传输常数。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述因果模型包括表示两个相关过程参数的因果 之间的滞后的时间常数参数。全文摘要
本文公开了用于自动地生成分布式控制系统的仿真的方法和系统。编程的过程模型生成器自动地将来自预定义模型库的各种过程模型数据包括到包括控制设备的过程设备的描述中，以提供各种保真度的仿真模型。
文档编号G09B9/00GK101978405SQ200980109308
公开日2011年2月16日 申请日期2009年2月17日 优先权日2008年2月15日
发明者G·麦金, P·卡布哈里 申请人:因文西斯系统公司