自動化專業(yè)全仿真實踐教學(xué)平臺建設(shè)

岳元龍 賈創(chuàng) 羅雄麟 徐寶昌 許亞嵐

摘要：實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是自動化專業(yè)本科生課程體系的重要組成部分，也是強化學(xué)生掌握專業(yè)理論、培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力的有效方法。目前，校內(nèi)現(xiàn)有的縮比實踐教學(xué)裝置和可操作范圍有限、甚至沒有實操環(huán)節(jié)的工廠實習(xí)，使學(xué)生無法通過實踐教學(xué)環(huán)節(jié)了解實際生產(chǎn)裝置對控制系統(tǒng)和操作人員的要求。本文給出全尺度仿真實踐教學(xué)平臺的建設(shè)方法，包括基于UniSim的全尺度仿真對象搭建和基于OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)接口開發(fā)，使學(xué)生可以通過OPC客戶端直接控制全仿真對象。

關(guān)鍵詞：自動化；實踐教學(xué)平臺；全仿真；OPC

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）24-0149-04

一、引言

獨立解決被控對象的狀態(tài)參數(shù)測量、控制方案設(shè)計和控制系統(tǒng)投用是自動化專業(yè)本科生重要的培養(yǎng)目標(biāo)。所以，自動化專業(yè)課程體系中設(shè)置了與培養(yǎng)目標(biāo)相對應(yīng)的（配套的）理論教學(xué)和實踐教學(xué)。目前，教師課堂講授是理論教學(xué)的主要方式。通過系統(tǒng)的理論教學(xué)，學(xué)生一般可以較好理解和掌握自動化專業(yè)的基礎(chǔ)理論。在實踐教學(xué)方面，由于不同學(xué)校依托的行業(yè)背景不同，所以實踐教學(xué)環(huán)節(jié)比較多樣化[1]。中國石油大學(xué)（北京）自動化專業(yè)的定位是“突出石油石化行業(yè)特點，強化專業(yè)技能訓(xùn)練”，本科實踐教學(xué)主要依托校內(nèi)的煉油化工領(lǐng)域典型生產(chǎn)單元的縮比仿真模型和校外的煉化企業(yè)。但是，縮比仿真模型不能完全復(fù)現(xiàn)實際的生產(chǎn)過程特性，特別是在時間尺度方面，不能進行全時間尺度的仿真與操作。受限于生產(chǎn)過程的高溫、高壓、有毒等危險因素的影響，學(xué)生在校外煉化企業(yè)開展實踐教學(xué)過程中無法進行實際操作，校外實踐效果甚微[2]。所以，目前的實踐教學(xué)條件導(dǎo)致畢業(yè)生整體呈現(xiàn)解決實際問題能力與理論基礎(chǔ)不匹配的現(xiàn)象，進而出現(xiàn)用人單位招聘不到可用技術(shù)人員和學(xué)生找不到合適工作的雙重問題[3]。為了提高自動化專業(yè)本科生的實踐教學(xué)水平，探討自動化專業(yè)全仿真實踐教學(xué)平臺建設(shè)方案。提供一個基于UniSim工業(yè)軟件開發(fā)煉油化工領(lǐng)域全尺度仿真對象及其與控制算法進行實時通訊的方法。通過該方法，學(xué)生可以編寫控制算法并通過通信接口控制全尺度仿真對象，以驗證算法的可行性。搭建仿真教學(xué)平臺的基本步驟包括：第一步，在UniSim工業(yè)軟件環(huán)境下建立全尺度動態(tài)仿真對象；第二步，采用VB軟件讀取仿真對象的物性參數(shù)，特別是讀取被控變量和操作變量；第三步，開發(fā)集成了仿真對象物性參數(shù)的OPC服務(wù)器，實現(xiàn)與具有OPC客戶端功能的控制算法進行通訊。

二、全尺度動態(tài)仿真對象的開發(fā)

本文以原油常壓蒸餾工藝為例，在UniSim軟件平臺上通過設(shè)置流程的物性參數(shù)和時間尺度參數(shù)，搭建全仿真實踐教學(xué)平臺的動態(tài)仿真對象[4]，主要步驟包括選擇物性包、選擇基本組分、對原油劃分虛擬組分、安裝物流和操作單元、檢查最終結(jié)果等。工藝流程中的操作單元主要包括預(yù)閃蒸、加熱爐、混合器和常壓蒸餾塔等，產(chǎn)品包括汽油、柴油等。具體操作請參考UniSim軟件使用指南，本文不再贅述。

三、全仿真對象物性參數(shù)的讀取

本文以VB讀取預(yù)閃蒸操作單元的數(shù)據(jù)為例，給出全仿真對象物性參數(shù)讀取方法，為OPC服務(wù)器開發(fā)提供數(shù)據(jù)源。讀取數(shù)據(jù)的步驟為：

第一步：建立VB開發(fā)環(huán)境與常壓蒸餾工藝模型之間的連接

啟動UniSim程序，打開常壓蒸餾工藝主流程圖。然后，在VB的菜單“工具”下“引用”中，選中“UniSim Type Library”，引入UniSim的類庫，然后聲明自動化對象，語法格式為：

Public unisimApp As UniSimDesign.Application

Public unisimCases As SimulationCases

Public unisimCase As SimulationCase

其中，Application對象代表了UniSim程序本身。SimulationCases代表了一個正在運行的UniSim程序中的所有模型案例，SimulationCase代表了其中的一個，后者是前者中的一個子案例。聲明自動化對象后，使用如下方法連接UniSim模型：

Set unisimApp = GetObject（，"UniSimdesign.Application"）或

Set unisimApp = CreateObject（"UniSimdesign.Application"，"192.168.1.1"）

Set unisimCases = unisimApp.SimulationCases

Set unisimCase = unisimCases.Item（0）

其中，GetObject和CreateObject語句均可成功連接到UniSim模型。UniSimdesign.Application在這里指向的就是當(dāng)前環(huán)境中正在運行的常壓蒸餾工藝主流程圖。若VB程序連接的流程圖在另外一臺計算機上，可以使用CreateObject語句，括號內(nèi)逗號后的IP地址代表了局域網(wǎng)內(nèi)運行了UniSim的計算機的地址。為了方便，將unisimCases聲明為程序中所有的案例集合，若只有一個運行的模擬案例，則該案例為集合中的第一個也是唯一一個，可用“.Item（0）”來指代和引用，若還有其他的案例則可依次類推進行聲明。

第二步：聲明預(yù)閃蒸操作單元

下面定義和聲明模型中的對象，包括模型的流程、物流集合、操作單元以及物流，語法格式為：

Public MainFlow As Flowsheet

Public SubFlow As Flowsheet

Public MainStream As Streams

Public SubStream As Streams

Set MainFlow = unisimCase.Flowsheet

Set SubFlow = MainFlow.Flowsheets（0）

Set MainStream = MainFlow.MaterialStreams

Set SubStream = SubFlow.MaterialStreams

本例中有兩個流程，MainFlow和SubFlow。MainFlow是主流程，定義為案例（SimulationCase）的Flowsheet，即流程；SubFlow為子流程，本例中為常壓塔的流程圖，可認為是主流程中的第一個子流程，用“.Flowsheets（0）”來聲明。主流程中的物流（MainStream）定義在主流程對象（MainFlow）中，子流程的物流（SubStream）定義在子流程對象（SubFlow）中，均用“.MaterialStreams”來聲明。在定義和聲明模型中對象的基礎(chǔ)上，下面定義預(yù)閃蒸操作單元。

Dim PreFlash As Object

Set PreFlash = MainFlow.Operations.Item（0）

預(yù)閃蒸（PreFlash）為主流程的Operations的第一個單元，用“.Item（0）”來聲明，類似的可以依次對第二個、第三個等單元進行對象聲明。

第三步：讀取預(yù)閃蒸操作單元的數(shù)據(jù)

基于第一步和第二步就可以讀取對象的數(shù)據(jù)了。由于每個對象所包含的屬性各不相同，有的包含有壓力、溫度數(shù)據(jù)，有的則是流量、壓降數(shù)據(jù)，所以在數(shù)據(jù)讀取的過程中需要進行區(qū)分，不同對象的不同參數(shù)值需要對應(yīng)定義不同的變量，但是每個數(shù)據(jù)的讀取方法卻都是相同的。讀取預(yù)閃蒸操作單元的數(shù)據(jù)方法如下：

Text1.Text = PreFlash.VesselTemperature

Text2.Text = PreFlash.VesselPressure

Text3.Text = PreFlash.LiquidPercentLevelValue

讀取數(shù)據(jù)時在對象后用“.”加上所需要的屬性名即可，如上述的溫度（VesselTemperature）、壓力（VesselPressure）等。其他的操作單元和物流均與此相同，只是對應(yīng)的屬性不一樣而已。

四、OPC服務(wù)器的開發(fā)

OPC服務(wù)器開發(fā)包括兩部分內(nèi)容，分別是開發(fā)與預(yù)閃蒸操作單元數(shù)據(jù)連接的接口和開發(fā)OPC服務(wù)器標(biāo)準(zhǔn)接口。本文利用開發(fā)工具WtOPCServer.dll開發(fā)OPC服務(wù)器[5]。WtOPCServer.dll中封裝了COM和OPC規(guī)范等細節(jié)信息，只需要開發(fā)人員熟練地調(diào)用接口函數(shù)便可以完成OPC接口的開發(fā)。下面給出開發(fā)OPC服務(wù)器的步驟。

第一步：聲明函數(shù)

聲明開發(fā)工具中用于開發(fā)OPC服務(wù)器的函數(shù)，只有聲明成功后才可以在VB中使用這些函數(shù)。

（1）服務(wù)器初始化函數(shù)聲明

Declare Function InitWTOPCsvr Lib "WtOPCSvr" Alias "_InitWTOPCsvr@8" （ByRef CLSID_Svr As Byte，ByVal ServerRate As Long） As Long

實現(xiàn)DCOM的初始化并在計算機中創(chuàng)建OPC服務(wù)器對象。其中參數(shù)CLSID_Svr為OPC服務(wù)器的類標(biāo)識（CLSID），用于計算機和OPC客戶端識別和連接服務(wù)器；參數(shù)ServerRate定義服務(wù)器的數(shù)據(jù)刷新速率，單位為毫秒。若該函數(shù)調(diào)用成功返回值為TRUE，否則為FALSE。

（2）服務(wù)器注冊函數(shù)聲明

Declare Function UpdateRegistry Lib "WtOPCSvr" Alias "_UpdateRegistry@16" （ByRef CLSID_Svr As Byte，ByRef Name As Byte，ByRef Descr As Byte，ByRef ExePath As Byte） As Long

（3）服務(wù)器注銷函數(shù)聲明

Declare Function UnregisterServer Lib "WtOPCSvr" Alias "_UnregisterServer@8" （ByRef CLSID_Svr As Byte，ByRef Name As Byte） As Long。

（4）標(biāo)簽創(chuàng)建函數(shù)聲明

Declare Function CreateTag Lib "WtOPCSvr" Alias "_CreateTag@28" （ByRef Name As Byte，ByVal Value As Variant，ByVal InitialQuality As Integer，ByVal IsWritable As Long） As Long

作用是建立OPC服務(wù)器的過程標(biāo)簽，Name為字符串，表明了所建標(biāo)簽的名字，為服務(wù)器可接受的文本字符串；參數(shù)Value定義了標(biāo)簽的初始值，為Variant類型；參數(shù)InitialQuality定義標(biāo)簽的OPC品質(zhì)屬性；參數(shù)IsWritable定義標(biāo)簽是否可寫，可寫為TRUE，否則為FALSE。標(biāo)簽創(chuàng)建成功會返回一個長整型值，為創(chuàng)建標(biāo)簽的句柄值，是標(biāo)簽的唯一識別值，在對標(biāo)簽進行各種操作時起識別作用。

（4）標(biāo)簽刪除函數(shù)聲明

Declare Function RemoveTag Lib "WtOPCSvr" Alias "_RemoveTag@4" （ByVal TagHandle As Long） As Long：。作用就是在服務(wù)器結(jié)束進程時將所創(chuàng)建的過程標(biāo)簽刪除，TagHandle為創(chuàng)建標(biāo)簽時所生成的句柄。

（5）標(biāo)簽刷新函數(shù)聲明

Declare Function UpdateTag Lib "WtOPCSvr" Alias "_UpdateTag@24" （ByVal TagHandle As Long，ByVal Value As Variant，ByVal Quality As Integer） As Long

其作用是刷新過程標(biāo)簽的數(shù)據(jù)值。參數(shù)TagHandle是句柄，由標(biāo)簽創(chuàng)建函數(shù)在創(chuàng)建標(biāo)簽時得到；參數(shù)Value為標(biāo)簽要更新的值；參數(shù)Quality為標(biāo)簽屬性條件。若函數(shù)調(diào)用成功返回值在為TRUE，否則返回FALSE。

（6）調(diào)用寫函數(shù)的函數(shù)聲明

Declare Function EnableWriteNotification Lib "WtOPCSvr" Alias "_EnableWriteNotification@8" （ByVal Callback As Long，ByVal ConvertToNative As Long） As Long

當(dāng)用戶對服務(wù)器中標(biāo)簽的數(shù)據(jù)進行寫操作時會觸發(fā)該函數(shù)，從而調(diào)用相應(yīng)的寫函數(shù)完成該操作。

第二步：注冊服務(wù)器

利用第一步聲明的UpdateRegistry在計算機中注冊O(shè)PC服務(wù)器，以便OPC客戶端與其進行連接。

UpdateRegistry GUID（0），SerName（0），Desc（0），ExePath（0）

注意，UpdateRegistry函數(shù)的輸入值的類型為Byte，故在使用前要把各數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Byte類型。

GUID為全局唯一標(biāo)示符，在Windows系統(tǒng)中稱為Class ID，即CLSID，是系統(tǒng)對不同應(yīng)用程序分配的唯一的表示該程序的ID代碼，通常為一個128位的隨機數(shù)，在創(chuàng)建OPC服務(wù)器時需要人為定義一個CLSID，可以是任意的。在注冊成功后系統(tǒng)會將相關(guān)信息注冊至注冊表中。SerNam為創(chuàng)建的服務(wù)器的名字，Desc為服務(wù)器描述，ExePath為服務(wù)器的路徑。

第三步：初始化服務(wù)器

創(chuàng)建了服務(wù)器后還需要進行初始化才可以進行數(shù)據(jù)通信，初始化的主要作用是完成有關(guān)COM/DCOM的初始化，并且創(chuàng)建OPC服務(wù)器接口對象，使OPC客戶可順利連接到服務(wù)器。

InitWTOPCsvr GUID（0），1000

初始化通過GUID來識別服務(wù)器，這里設(shè)置其數(shù)據(jù)刷新速率為1000毫秒，也可根據(jù)具體的需要進行設(shè)置。

第四步：創(chuàng)建標(biāo)簽

創(chuàng)建標(biāo)簽用到上文聲明的標(biāo)簽創(chuàng)建函數(shù)，語法格式為：

TagHandle（0） = CreateTag（TagName（0），Value，192，True）

TagHandle為當(dāng)前創(chuàng)建的標(biāo)簽的句柄，具有唯一性。TagName為標(biāo)簽的名字，由用戶自行定義，需要注意的是這里TagName的數(shù)據(jù)類型為Byte。若標(biāo)簽名定義為“##.%%”則函數(shù)會自動創(chuàng)建一個組，組名為“##”，組內(nèi)包含了一個標(biāo)簽，標(biāo)簽名為“%%”，若再創(chuàng)建一個標(biāo)簽為“##.$$”，則該標(biāo)簽就會和前一個分在同一組下，標(biāo)簽名為“$$”，這一性質(zhì)為創(chuàng)建具有相關(guān)性的一組標(biāo)簽提供了可行性，在UniSim模型中有許多標(biāo)簽的數(shù)據(jù)來自同一個對象，利用該方法可以很好地將不同對象的標(biāo)簽區(qū)別開，分組定義。Value為標(biāo)簽的數(shù)據(jù)值，192表示當(dāng)前標(biāo)簽屬性為GOOD，True表示標(biāo)簽可寫。

通過該語句就可以在服務(wù)器中創(chuàng)建標(biāo)簽，對于一個UniSim模型，有大量的數(shù)據(jù)需要定義，本文在標(biāo)簽的創(chuàng)建中用了以下方法，仍然以主流程的預(yù)閃蒸為例，創(chuàng)建其第一個屬性標(biāo)簽。

Dim x As String

Dim y As Variant

Dim UniObj As Object

Set UniObj = MainFlow.Operations.Item（0）

x = "Main Flow." & UniObj & "." & "Vessel Temperature"

y = UniObj.VesselTemperature

TagHandle（0） = CreateTag（TagName（0），y，192，True）

程序定義了一個臨時對象UniObj，用來引用UniSim中的不同設(shè)備單元。x為字符串變量，通過上面的定義方法可以省去對每個對象一一定義的麻煩。

第五步：刷新標(biāo)簽

標(biāo)簽創(chuàng)建完成后需要對各個標(biāo)簽進行刷新，保持數(shù)據(jù)值的實時更新，通常在定時器中調(diào)用標(biāo)簽刷新函數(shù)來完成。

UpdateTag TagHandle（0），Value，192

TagHandle為標(biāo)簽句柄，作用是為了識別標(biāo)簽；Value為標(biāo)簽數(shù)據(jù)值的刷新值；192依然是表明當(dāng)前標(biāo)簽的屬性為GOOD。與創(chuàng)建標(biāo)簽時相同，刷新UniSim中的標(biāo)簽數(shù)量巨大，本文使用了如下的方式，通過定義一個臨時對象變量來完成賦值。

Set UniObj = MainFlow.Operations.Item（0）

y = UniObj.VesselTemperature

UpdateTag TagHandle（0），y，192

第六步：注銷服務(wù)器

利用服務(wù)器進行通信完成后，需要關(guān)閉和注銷服務(wù)器。首先要刪除服務(wù)器創(chuàng)建的所有標(biāo)簽，使用RemoveTag函數(shù)，其中的TagHandle為標(biāo)簽句柄，對于有多個標(biāo)簽的服務(wù)器來說可以使用循環(huán)語句刪除標(biāo)簽。注銷使用UnregisterServer函數(shù)，GUID和SerName分別為服務(wù)器標(biāo)示和名字。語法格式為：

RemoveTag TagHandle（0）

UnregisterServer GUID（0），SerName（0）

第七步：OPC服務(wù)器界面設(shè)計

服務(wù)器包括六個按鈕，在每個按鈕中通過調(diào)用函數(shù)實現(xiàn)相應(yīng)的功能，包括注冊服務(wù)器、初始化服務(wù)器、連接UniSim、創(chuàng)建標(biāo)簽、刷新標(biāo)簽、注銷服務(wù)器。

五、實驗結(jié)果

本文設(shè)計的OPC服務(wù)器將UniSim模型的仿真數(shù)據(jù)制作為符合OPC通信標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽，可由客戶端讀取。為了測試服務(wù)器運行情況，使用Matrikon OPC Explorer讀取服務(wù)器創(chuàng)建的數(shù)據(jù)標(biāo)簽，讀取OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)的結(jié)果。

六、結(jié)論

針對自動化專業(yè)本科生實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中現(xiàn)場實習(xí)缺少實操訓(xùn)練和實驗室實驗對象與工程設(shè)備不匹配的問題，探討了全尺度仿真實踐教學(xué)平臺的建設(shè)方法?；谠摲椒ǎ瑢W(xué)生可以根據(jù)實踐環(huán)節(jié)的具體需求，依托UniSim軟件搭建與工業(yè)實際生產(chǎn)裝置具有相同參數(shù)的仿真模型，用于產(chǎn)生全時間尺度的工藝數(shù)據(jù)。利用開發(fā)工具WtOPCServer.dll編寫OPC服務(wù)器程序，將仿真模型生成的工藝數(shù)據(jù)封裝為符合OPC通信標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽數(shù)據(jù)。學(xué)生設(shè)計的帶有OPC客戶端的監(jiān)控系統(tǒng)通過與OPC服務(wù)器通信，實現(xiàn)對生產(chǎn)裝置仿真模型的控制。本文給出實踐教學(xué)平臺建設(shè)方法極大地豐富了實踐教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生操作實際生產(chǎn)裝置的能力。

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