技术更新:过程控制仿真适应日益增长的复杂性

尽管仿真技术已经在过程控制行业中使用了多年，但在当今的工程桌面中可用的计算机处理能力正在帮助工程师构建更好的系统，同时降低其总体设计成本。从其他行业(如汽车和航空航天)中学习，在各种验证和测试任务中使用仿真，过程自动化工程师开始在其应用程序中使用相同的硬件在环(HIL)仿真技术，以解决下一代系统日益复杂的问题。举例说明了HIL仿真如何用于过程控制，并解释了工程师在实施过程控制仿真时应考虑的问题。

实现挑战

近年来，过程控制工程师已经感受到其他工程领域典型的竞争压力。需要在更少的资源和更短的时间内实现具有更高级功能的控制器，这为这个应用程序领域带来了创新的方法。石油和天然气等过程控制行业通常不愿意采用更成熟的解决方案来采用新技术，但不断增长的市场压力和计算技术的进步促使工程师们寻找创新的方法来提高过程控制的效率。

例如，全球油气行业的领先供应商国民油井华高公司(NOV)正在研究一种避免粘滑的新算法。粘滑是旋转钻机的一种功能障碍，其特征是驱动扭矩和旋转钻头速度的大周期变化。这些变化是问题的主要来源，可能导致钻头过度磨损、工具过早失效和钻井速度下降。

在寻找在可编程逻辑控制器(PLC)上测试新算法的方法时，NOV主要关注两个问题。首先，在调试期间无法对控制算法进行全面测试，因为并非钻头的所有物理部件都存在。其次，现场测试既耗时又昂贵，因为偶尔会发生粘滑情况，导致在测试现场等待的时间过长。

虽然没有一个简单的解决方案来应对这些挑战，但研究其他行业如何优化流程已被证明是一个极好的新想法来源。其中最有希望的是模拟的广泛使用，以提供更有效的验证和测试功能。NOV将泵送系统的实时计算机模拟连接到通过Profibus工业网络通信的顶部驱动控制PLC。这种设置允许模拟不同的操作条件，因此该算法可以在实验室中安全且按需地在广泛的条件下进行测试。此外，他们能够轻松地重复测试，以比较和微调PLC代码，而无需离开实验室。

循环中的硬件

您可能会问，“为什么一般的仿真(特别是HIL仿真)适用于过程控制行业?”这个问题的答案是应用程序需求是相同的，例如:确定性、实时执行、硬件I/O通信、数据记录服务、刺激生成、模型执行等。

HIL已被证明是一种有价值的技术，能够解决不同的挑战。在汽车和航空航天等行业，它也是一项成熟的技术，几十年来一直在成功地使用它。HIL测试是一种技术，其中使用被控制的工厂系统的实时模拟，以便对实施的控制系统进行更稳健、更可重复和更有效的测试。它允许工程师在现场安装之前模拟不同的操作条件，以及传感器和网络故障，成本低得多，并且对设备或人员没有风险。这为工业环境中的工厂操作提供了一个有价值的工具，在工业环境中，现场测试可能非常昂贵，并且在创建测试条件的能力方面可能有很大的限制，甚至更多的是重复这些条件来验证控制系统的修复。

Solix生物燃料公司成立之初的目标是提供一种可扩展且具有成本效益的方法来从藻类中生产生物燃料。其藻类生长系统(AGS)的目标是获取数据并提供控制来管理生长过程。它需要一个既能支持研发实验又能支持工业操作的技术平台，从而加速这项新技术从实验室向示范工厂的过渡。Solix首先建立了一个生长过程的模拟系统，以便在系统完成之前开发控制系统。一旦控制算法通过仿真彻底测试和验证，就将其部署到NI可编程自动化控制器(PAC)上。无需修改代码即可创建实时模拟并部署到实时硬件的能力使Solix能够在创纪录的时间内完成项目。

有不同类型的HIL系统，但它们中的大多数都具有以下共同的组件:实时处理器、I/O接口和操作员接口。实时处理器是HIL测试系统的核心。它提供了大多数HIL测试系统任务的确定性执行，例如硬件I/O通信、数据记录、刺激生成和模型执行。尽管过程控制系统的变化率通常较慢，但仍然建议使用实时系统进行HIL仿真，以提供仿真组件的准确表示。模拟、数字和总线协议信号用于将工厂模拟连接到部署的控制系统。

您可以使用它们来处理刺激信号，获取用于记录和分析的数据，并提供正在测试的PLC与模型模拟的虚拟环境之间的传感器/执行器交互。操作界面与实时处理器通信，提供测试命令和可视化。通常，这些组件也证明了配置管理、测试自动化、分析和报告任务。

挑战:HIL用于过程控制

在过程工业中实施HIL测试系统的挑战之一是对PLC或PAC将要控制的工厂进行建模。有几种方法，每种方法都有自己的优点和缺点。第一种方法是使用第一性原理数学来分析控制受控过程动态的不同方程。这种方法需要对流程有详细的了解，并且需要时间用实际数据验证模型的准确性。第二种选择是测量进入系统的数据和结果，或者它提供的响应。使用类似于曲线拟合的技术，可以根据从过程中记录的刺激和反应数据推导出数学模型。需要注意的是，这两种方法并不是相互排斥的，因为它们可以结合在一起以加快模型开发和保真度。

另一个挑战是系统中涉及的I/O通道的数量。实现和维护高通道数系统的布线可能会带来昂贵和耗时的挑战。这些系统可能需要在控制器和HIL测试系统之间连接数百到数千个信号，通常跨越许多米以补偿空间要求。

幸运的是，确定性分布式I/O技术可以帮助解决这些布线的复杂性，并提供到控制系统的模块化连接，从而允许有效的系统配置修改。与将所有连接路由回包含一个或多个实时模拟器和I/O接口的单个机架不同，您可以使用确定性的分布式I/O来提供位于每个控制系统附近的I/O接口，而不会牺牲精确模拟系统虚拟部分所需的高速确定性。

调试沙箱

HIL在过程控制中的应用可以帮助节省成本，因为它提供了一个沙箱，工程师可以在安装之前调试和测试PLC运行的代码。它还允许您评估不同的控制策略，并为调优过程提供一个起点。现在你要问自己的问题是:“HIL模拟对你有意义吗?”

Javier Gutierrez是美国国家仪器公司LabVIEW仿真和控制设计工具的高级产品经理。www.ni.com/simulation

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