一种分布式协同优化控制试验平台的制作方法

一种分布式协同优化控制试验平台，属于同步控制仿真技术领域。

背景技术

目前在化工领域，大部分反应的控制均采用集中式控制方式，即一台控制器（如计算机）对多个对象或设备进行控制和管理，集中式控制属于较低级的控制方式，因此集中式只适合于结构简单的系统，易发生单点故障且难以横向扩展。

分布式控制系统（distributedcontrolsystem，dcs）也称集散控制系统，是对生产过程进行集中管理和分散控制的计算机控制系统，是随着现代大型工业生产自动化水平的不断提高和过程控制要求日益复杂应运而生的综合控制系统，它融合了计算机技术、网络技术、通信技术和自动控制技术，是一种把危险分散，控制集中优化的新型控制系统。系统采用分散控制和集中管理的设计思想，分而自治和综合协调的设计原则，具有层次化的体系结构。现在dcs已在石油、化工、电力、冶金以及智能建筑等现代自动化控制系统中得到了广泛应用。

然而，将较为先进的分布式控制系统直接应用到化工领域的各种反应的控制中，也存在有较大的技术难度，其主要原因在于将现有的控制算法直接应用到具体工业现场时很难得到预期的效果，因此涉及一种针对化工领域进行控制算法的仿真试验平台成为亟待解决的问题。

在现有技术中存在有如下类似的技术方案，但是均存在各自的缺陷：

（1）申请号为201210302972.7的专利申请公开了一种合成气化工及石油化工生产过程动态模拟仿真培训系统，在该技术方案中包含有用hysys建立动态模型虚拟工厂模型并作为动态仿真系统的后台计算平台和具有仿dcs图形用户界面软件的若干个模拟操作终端，所述后台计算平台具有一hysysactivex接口与所述若干个模拟操作终端联接实现数据互换；所述若干个模拟操作终端通过局域网与后台计算平台联接。本发明对合成氨装置和甲醇精馏装置的设计、培训和生产都具有辅助作用。

该申请所设计的仿真培训系统主要是针对现有动态模拟所存在的问题而提供一种仿dcs模型，可以将hysys动态模拟软件按照一般操作习惯给化工操作人员提供技术模拟支持。但没有涉及到分布式过程网络的概念。

（2）申请号为：201611107613.0的专利申请公开了一种分布式控制系统及其动态调度资源的方法，包括现场总线；就地控制模板，其包括多个就地控制器，其用于采集测量控制对象地测量数据，并将测量数据运算处理得到地控制数据传输至测量控制对象；管理总线，其与所有就地控制器相连；运行管理装置，其包括检测报警模块、数据存储模块和资源动态调度模块，数据存储模块用于存储测量数据和控制数据，监测报警模块用于检测分布式控制系统地运行状态和故障报警地数据传输至数据存储模块，资源动态调度模块可动态调度分布式控制系统地资源，并调整就地控制器之间地任务分配。

该申请的分布式控制系统在不增加硬件复杂度的情况下，能够提升分布式控制系统的资源利用率和系统可靠性。也就是对系统从整体结构上进行节能优化，并没有实际化学反应模拟而且没用涉及到分布式控制器的设计。

（3）申请号为201610554534.8的专利申请公开了一种分布式自动化控制系统及其控制方法、一种组态装置，在该申请中包括：网络组态模块和映像组态模块；该网络组态模块中包括：基于从主控设备中获取的现场控制设备信息在本地预存的描述文档中进行匹配的匹配单元；基于匹配结果生成可视化的连续过程映像的过程映像生成单元。该映像组态模块中包括：将从网络组态模块中读取的连续过程映像进行格式转换的格式转换单元；将格式转换后的连续过程映像下发至主控设备的下发单元。基于该组态装置，系统在进行实时通信之前或建立通信任务之后，无需手动对各控制变量进行配置，节约了工作人员时间成本的同时提高了系统的智能化程度。

该申请所提供的组态装置、分布式自动化控制系统及其控制方法能解决之前需要手动配置/调整的问题。同样没有实际化学反应模拟和分布式控制器的设计。

（4）徐雅斌，王秀敏，仲伟和。分布式化工生产过程仿真控制系统[j]。辽宁工程技术大学学报，2005，24(4)：584-587。针对现代化的大型化工生产必须对员工进行岗前培训要求，采用流体网络建模技术、序贯模块法和联立方程法相结合的数学模型求解方法设计了化工生产过程的整个仿真控制流程，并采用了dcom技术和多线程处理方式在网络环境下予以编程实现。该系统可以模拟实际装置生产过程中的各种可能的工况以及不允许产生的各种故障。结果表明，该系统不仅可以缩短培训周期，而且有利于培养操作人员的快速应变能力。同时，实际操作考核的结果还可以作为上岗依据。

刘东红，牛军涛。一种分布式控制系统的设计与应用[j]。微计算机信息，2007，23(25)：8-9。论述了基于experiontmpks的dcs拓扑结构和分层的系统网络模型，并以某大型化工企业粉煤气化自动控制系统为例，阐述了dcs的具体实现。

郭沛俊，董文葆。化工过程计算机集成生产系统(cims)实例开发与研究[j]。信息与控制，1994(4)：247-252。针对某化工厂的实际情况，经过深入仔细的现场调查，按系统集成的观点完成了该厂计算机集成生产系统（cim)s的总体设计方案，并实例开发了生产调度系统和异丁醛加氢反应器优化控制系统，取得了明显的经济效益。

然而上述文献主要是从理论上设计了一套化工仿真控制系统或者针对工业应用进行整体优化，对分布式化工网络没有实际的思考和设计。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种针对不同的化学反应通过控制系统简历不同的模型，然后通过设置分布式控制器，实现了对原料罐以及反应釜中搅拌器的分布式控制，实现了对化学反应模型的验证的分布式协同优化控制试验平台。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该分布式协同优化控制试验平台，其特征在于：包括间隔设置的两个试验区，在两个试验区内分别设置有多个反应釜，在两个试验区反应釜的外侧分别设置有多个气动阀，在其中一个试验区的多个气动阀的外侧设置有多个原料罐，在另一个试验区的多个气动阀的外侧设置有产品罐；

原料罐的输出端通过管路连接反应釜，反应釜的输出端通过管路连接产品罐或另外的反应釜，在原料罐和反应釜内设置有搅拌器，同时设置有若干分别接入原料罐和反应釜内的变送器；

还设置有控制系统，控制系统包括多个分布式控制器，分布式控制器分别驱动各个原料罐和反应釜内的搅拌器转动，原料罐以及反应釜内变送器的输出端分别接入控制系统内。

优选的，所述的反应釜包括反应釜釜体以及固定在反应釜釜体上端口处的反应釜上盖，在反应釜上盖上开设有反应釜进料口、反应釜压力表接口以及反应釜放空口，在反应釜上盖的顶部开设有反应釜搅拌电机接口，用于安装驱动搅拌器转动的驱动电机；

在反应釜釜体的下部径向开设有用于安装温度计的反应釜温度计接口，在反应釜釜体的底部设置有反应釜出料口以及用于安装温度变送器的反应釜温度变送器接口，温度变送器的输出端接入所述控制系统内；

在反应釜釜体的上下两侧还分别径向引出与反应釜釜体内连通的液位检测管路，在液位检测管路的端部为反应釜液位口，在液位检测管路的侧部引出有垂直管路，在垂直管路的端口处设置有用于安装压力变送器的反应釜压力变送器接口，压力变送器的输出端接入所述控制系统内。

优选的，在所述反应釜釜体下部的外圈套设有反应釜外壳，反应釜外壳与反应釜釜体的外壁之间间隔形成反应釜夹层，在反应釜夹层的上端设置有反应釜进水口，下端设置有反应釜出水口。

优选的，在产品罐的后侧还设置有恒温罐，恒温罐的出口接入所述的反应釜夹层内。

优选的，所述的恒温罐包括恒温罐罐体，在恒温罐罐体的顶部开设有恒温罐进料口、恒温罐放空口以及用于安装压力表的恒温罐压力表接口；

在恒温罐罐体的上下两侧分别径向引出与恒温罐罐体内连通的液位检测管路，在液位检测管路的端部为恒温罐液位口，在液位检测管路的侧部引出有垂直管路，在垂直管路的端口处设置有用于安装压力变送器的恒温罐压力变送器接口，压力变送器的输出端接入所述控制系统内；

在恒温罐罐体的下部径向开设有用于安装温度计的恒温罐温度计接口，在恒温罐罐体的底部还设置有恒温罐出料口以及用于安装温度变送器的恒温罐温度变送器接口，温度变送器的输出端接入所述控制系统内。

优选的，所述的原料罐包括原料罐罐体以及原料罐罐体上端开口处的原料罐上盖，在原料罐上盖上开设有原料罐进料口、原料罐放空口以及用于安装压力表的原料罐压力表接口，在原料罐上盖的顶部还开设有原料罐搅拌电机接口，用于安装驱动搅拌器转动的驱动电机；

在原料罐罐体的下部径向开设有用于安装温度计的原料罐温度计接口，在原料罐罐体的底部还设置有原料罐出水口以及用于安装温度变送器的原料罐温度变送器接口，温度变送器的输出端接入所述控制系统内；

在原料罐罐体的上下两侧分别径向引出与原料罐罐体内连通的液位检测管路，在液位检测管路的端部为原料罐液位口，在液位检测管路的侧部引出有垂直管路，在垂直管路的端口处设置有用于安装压力变送器的原料罐压力变送器接口，压力变送器的输出端接入所述控制系统内。

优选的，所述的控制系统包括dspace平台、arm平台、多个分布式同步控制器以及上位机，上位机与dspace平台相连，dspace平台与arm平台相连，arm平台的输出端同时与多个分布式同步控制器的输入端相连，arm平台的输出端还直接与上位机相连；所述变送器的输出端连接arm平台的输入端；在所述反应釜中还分别设置有电导变送器，电导变送器的输出端同时连接arm平台；

分布式控制器与所述原料罐和反应釜一一对应，分布式控制器的输出端分别连接多台变频器的输入端，变频器与原料罐和反应釜一一对应，变频器的输出端分别连接原料罐和反应釜中搅拌器的驱动电机。

优选的，在所述原料罐和反应釜的输出口处安装有输出管路，在输出管路中安装有泵、气动阀以及流量变送器，还设置有分别与气动阀连接的分布式控制器，流量变送器接入所述的arm平台。

优选的，在所述的两个试验区之间设置有控制器，控制区内自前向后依次设置有工控柜、主机柜以及空压机，在空压机的后方还设置有热水器。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、通过本分布式协同优化控制试验平台，针对不同的化学反应通过控制系统简历不同的模型，然后通过设置分布式控制器，实现了对原料罐以及反应釜中搅拌器的分布式控制，实现了对化学反应模型的验证。

2、通过设置恒温罐，在进行反应时通过向反应釜的反应釜夹层中注入一定温度的热水或冷却液，可以改变反应釜内的反应温度，便于对不同温度下的反映情况进行观察。

3、在各个反应釜的入口处以及出口处分别设置有气动阀，根据所需要验证的化学反应的具体要求，通过控制气动阀的开关状态实现各个反应釜不同的连接关系，从而可以适用于各种不同的化学反应。

4、在上位机内安装有adams软件和matlab软件，使用adams软件根据具体的化学反应设计相应的数学模型，为用户提供模型参数设置窗口，用户可根据自身需要，对模型参数设计或修改。运用matlab软件中的gui模块和simulink模块，开发具体的化学反应的算法设计环境，提供复杂网络通讯拓扑结构图设计模块、同步控制算法设计模块，运用这些模块，用户能够自主开发化学反应的控制算法。在上位机内设置有matlab软件和adams软件的程序接口，能够用matlab软件所开发的同步控制算法对adams软件建立的系统进行仿真控制。

附图说明

图1为分布式协同优化控制试验平台俯视图。

图2为分布式协同优化控制试验平台原料罐正视图。

图3为分布式协同优化控制试验平台原料罐俯视图。

图4为分布式协同优化控制试验平台恒温罐正视图。

图5为分布式协同优化控制试验平台恒温罐俯视图。

图6为分布式协同优化控制试验平台反应釜正视图。

图7为分布式协同优化控制试验平台反应釜右视图。

图8为分布式协同优化控制试验平台控制系统原理方框图。

其中：1、产品罐2、储气罐3、恒温罐4、气动阀5、第一反应釜6、主框架7、工控柜8、第二反应釜9、主机柜10、第三反应釜11、空压机12、热水器13、第四反应釜14、第一原料罐15、第二原料罐16、原料罐进料口17、原料罐搅拌电机接口18、原料罐上盖19、原料罐压力表接口20、原料罐液位口21、原料罐压力变送器接口22、原料罐罐体23、原料罐温度计接口24、原料罐出水口25、原料罐温度变送器接口26、原料罐支架27、原料罐放空口28、恒温罐进料口29、恒温罐液位口30、恒温罐压力表接口31、恒温罐压力变送器接口32、恒温罐罐体33、恒温罐温度计接口34、恒温罐出料口35、恒温罐温度变送器接口36、恒温罐支架37、恒温罐放空口38、反应釜搅拌电机接口39、反应釜进料口40、反应釜上盖41、反应釜压力表接口42、反应釜进水口43、反应釜液位口44、反应釜压力变送器接口45、反应釜夹层46、反应釜釜体47、反应釜外壳48、反应釜温度计接口49、反应釜温度变送器接口50、反应釜出料口51、反应釜出水口52、反应釜支架。

具体实施方式

图1~8是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~8对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种分布式协同优化控制试验平台，包括位于两侧的试验区以及位于试验区之间的控制区。在控制区内自前向后依次设置有工控柜7、主机柜9以及空压机11，在空压机11的后方还设置有热水器12。在主机柜9内设置有本分布式协同优化控制试验平台的控制系统，控制系统还包括设置在两侧的试验区以及控制区的外侧的上位机（图中未画出）。

在控制区左侧试验区的内侧自前向后依次设置有第一反应釜5和第二反应釜8，在第一反应釜5和第二反应釜8的外侧设置有若干气动阀4，在气动阀4的外侧自前向后依次设置有产品罐1和恒温罐3，在恒温罐3后方外侧还设置有储气罐2。在控制区右侧试验区的内侧自前向后依次设置有第三反应釜10和第四反应釜13，在第三反应釜10和第四反应釜13的外侧同样设置有若干气动阀4，在气动阀4的外侧自前向后依次设置有两个原料罐：第一原料罐14和第二原料罐15。

在控制区左右两侧的试验区内，分别设置有主框架6，上述的产品罐1、储气罐2、恒温罐3、气动阀4、反应釜以及原料罐分别通过相应侧的主框架6实现固定。

在本分布式协同优化控制试验平台中，上述的原料罐连接反应釜，反应釜后续连接产品罐1。原料罐的物料输出端分别通过安装有泵、气动阀4以及流量变送器（图中未画出）的管路连接相应的反应釜；反应釜的物料输出端同时分别通过安装有泵、气动阀4以及流量变送器的管路连接其他反应釜或产品罐1，用于相反应釜中输送反应所需要的原料，通过原料在反应釜中浓度和进出料流量（反应釜中滞留时间）控制反应釜中反应速率和转化率。

反应釜设置有多个：第一反应釜5、第二反应釜8、第三反应釜10和第四反应釜13，在各个反应釜的入口处以及出口处分别设置有气动阀4，根据所需要验证的化学反应的具体要求，通过控制气动阀4的开关状态实现各个反应釜不同的连接关系，比如四哥反应釜依次串联、四个反应釜同时并联，二个反应釜串联后同时并联另外两个反应釜、一个反应釜同时并联另外三个反应釜等任意连接关系。

上述的第一原料罐14和第二原料罐15结构相同，其具体结构如图2~3所示，原料罐包括原料罐罐体22，在原料罐罐体22上端开口处固定有原料罐上盖18，在原料罐罐体22的下部外侧周圈固定有原料罐支架26，通过原料罐支架26使原料罐保持竖直状态。在原料罐上盖18的顶部开设有原料罐搅拌电机接口17，在原料罐罐体22内竖直设置有搅拌器（图中未画出），搅拌电机通过原料罐搅拌电机接口17与搅拌器连接，以驱动搅拌器转动。

在原料罐上盖18上还开设有原料罐进料口16、原料罐放空口27以及原料罐压力表接口19，通过原料罐压力表接口19实现压力表的安装。在原料罐罐体22的下部径向开设有用于安装温度计的原料罐温度计接口23，用于对原料罐内原料的温度进行检测。在原料罐罐体22的底部还设置有原料罐出水口24以及原料罐温度变送器接口25，通过原料罐温度变送器接口25用于安装对原料罐中原料进行温度检测的温度变送器并可以实现温度值的远传。

在原料罐罐体22的上下两侧分别径向引出与原料罐罐体22内连通的液位检测管路，在液位检测管路的端部为原料罐液位口20，在液位检测管路的侧部引出有垂直管路，在垂直管路的端口处设置有用于安装压力变送器的原料罐压力变送器接口21，通过原料罐压力变送器接口21实现对原料罐内原料压力的检测并实现压力值的远传。

如图4~5所示，恒温罐3包括恒温罐罐体32，在恒温罐罐体32下部的周圈固定有恒温罐支架36，通过恒温罐支架36使恒温罐罐体32保持竖直状态。在恒温罐罐体32的顶部开设有恒温罐进料口28、恒温罐放空口37以及恒温罐压力表接口30，其中恒温罐压力表接口30用于安装对恒温罐3内压力进行检测的压力计。

在恒温罐罐体32的上下两侧分别径向引出与恒温罐罐体32内连通的液位检测管路，在液位检测管路的端部为恒温罐液位口29，在液位检测管路的侧部引出有垂直管路，在垂直管路的端口处设置有用于安装压力变送器的恒温罐压力变送器接口31，通过恒温罐压力变送器接口31实现对恒温罐3内压力的检测并实现压力值的远传。

在恒温罐罐体32的下部径向开设有用于安装温度计的恒温罐温度计接口33，用于对恒温罐3内的温度进行检测。在恒温罐罐体32的底部还设置有恒温罐出料口34以及恒温罐温度变送器接口35，通过恒温罐温度变送器接口35用于安装对恒温罐3中进行温度检测的温度变送器并可以实现温度值的远传。

上述的第一反应釜5、第二反应釜8、第三反应釜10以及第四反应釜13结构相同，其具体结构如图6~7所示，反应釜包括反应釜釜体46以及固定在反应釜釜体46上端口处的反应釜上盖40，在反应釜釜体46的下部外侧周圈固定有反应釜支架52，通过反应釜支架52使反应釜保持竖直状态。在反应釜上盖40的顶部开设有反应釜搅拌电机接口38，在反应釜釜体46内竖直设置有搅拌器（图中未画出），搅拌电机通过反应釜搅拌电机接口38与搅拌器连接，以驱动搅拌器转动。

在反应釜上盖40上还开设有反应釜进料口39、反应釜压力表接口41以及反应釜放空口（图中未画出），通过反应釜压力表接口41实现压力表的安装。在反应釜釜体46的下部径向开设有用于安装温度计的反应釜温度计接口48，通过安装温度计实现对反应釜内温度的检测。在反应釜釜体46的底部还设置有反应釜出料口50以及反应釜温度变送器接口49，通过反应釜温度变送器接口49用于安装对反应釜中温度进行检测的温度变送器并可以实现温度值的远传。

在反应釜釜体46下部的外圈套设有反应釜外壳47，反应釜外壳47与反应釜釜体46的外壁之间间隔形成反应釜夹层45，在反应釜夹层45的上端设置有反应釜进水口42，下端设置有反应釜出水口51。在进行反应时通过向反应釜夹层45中注入一定温度的热水或冷却液，可以改变反应釜内的反应温度，便于对不同温度下的反映情况进行观察。

在反应釜釜体46的上下两侧还分别径向引出与反应釜釜体46内连通的液位检测管路，在液位检测管路的端部为反应釜液位口43，在液位检测管路的侧部引出有垂直管路，在垂直管路的端口处设置有用于安装压力变送器的反应釜压力变送器接口44，通过反应釜压力变送器接口44实现对反应釜内压力的检测并实现压力值的远传。反应釜液位口43以及垂直管路同时穿过反应釜外壳47设置，位于反应釜夹层45的外部。

如图8所示，在本分布式协同优化控制试验平台的控制系统中，包括dspace平台、arm平台、多个分布式同步控制器以及上述的上位机，分布式控制器由单片机实现。上位机与dspace平台相连，dspace平台与arm平台相连，arm平台的输出端同时与多个单片机的输入端相连，arm平台的输出端还直接与上位机相连。

单片机至少包括第一单片机~第六单片机，其中第一单片机~第六单片机的输出端分别连接第一变频器~第六变频器的输入端，其中第一变频器~第四变频器的输出端分别连接上述第一反应釜5、第二反应釜8、第三反应釜10和第四反应釜13中搅拌器的驱动电机，第五变频器~第六变频器的输出端分别连接上述第一原料罐14和第二原料罐15中搅拌器的驱动电机。至少还设置有第七单片机和第八单片机（图中未画出），arm平台的输出端同时与第七单片机机和第八单片机的输入端相连，第七单片机的输出端分别连接上述的设置在原料罐以及反应釜出口管路中的泵，第八单片机的输出端分别连接上述的多个气动阀4。

上位机可用常见的台式计算机或工控计算机实现，在上位机内安装有adams软件和matlab软件，使用adams软件根据具体的化学反应设计相应的数学模型，为用户提供模型参数设置窗口，用户可根据自身需要，对模型参数设计或修改。运用matlab软件中的gui模块和simulink模块，开发具体的化学反应的算法设计环境，提供复杂网络通讯拓扑结构图设计模块、同步控制算法设计模块，运用这些模块，用户能够自主开发化学反应的控制算法。在上位机内设置有matlab软件和adams软件的程序接口，能够用matlab软件所开发的同步控制算法对adams软件建立的系统进行仿真控制。

在上位机通过matlab软件完成对adams软件设计的模型的仿真之后，通过上位机将在matlab软件内完成的控制算法的代码下发至dspace平台。通过dspace平台可与matlab/simulink完全无缝连接，它的实时系统拥有具有高速计算能力的硬件系统，包括处理器、i/o，还拥有方便易用的实现代码生成/下载和试验/调试的软件环境。dspace平台系统能够接受matlab软件发送的控制算法代码，将之编译成arm平台可识别的汇编语言。通过dspace平台将编译成汇编语言的控制算法程序下发至arm平台。

在本发明中，arm平台为程序的调度平台。在仿真测试开始前，arm平台将上位机设计的同步控制算法经过处理变为控制程序分别下发至每一个单片机内。在仿真测试过程中，arm平台负责接收反应釜以及原料罐输出的压力（来自压力变送器）、温度（来自温度变送器）信号，同时接收来自反应釜内电导变送器输出的导电率信号，并通过导电率数据推算反应釜内反应的进行程度，arm平台根据各个反应釜以及原料罐送入的传感器信号，根据预设定的数学模型向相应的单片机发送控制信号，通过单片机以及变频器对反应釜中搅拌器的驱动电机进行控制，从而对反应进程的控制。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。