魏易松 葛铭 魏江 郑小青(杭州电子科技大学自动化学院， 浙江 杭州 310018)

仿真系统在石油化工领域中的设计与实现

魏易松 葛铭 魏江 郑小青(杭州电子科技大学自动化学院， 浙江 杭州 310018)

仿真培训系统借助因特网的力量已经取得很好的发展。由于石油化工企业本身具有高危型的特点，所以其安全生产问题日益严峻。仿真系统的研究变得尤为重要，本次研究是基于 B/S 结构，利用.NET平台和现在主流的web开发技术，在浏览器上实现仿真与实际机组完全一致的操作界面，提供动态仿真模型图形化组态平台和运行平台，旨在解决企业培训与实际生产脱节，学校教育也无法真正动手操作的问题，可有效提高化工仿真培训质量并缓解目前频频发生的化工生产安全问题。与传统的系统相比，本系统解决了培训不受地域的限制；仿真模型可动态还原实际生产工艺全貌和工况细节，逼真再现装置各类动态特性；降低培训费用，减少事故的发生。该系统已在延长石油集团得到实践应用，取得良好的仿真培训效果。

石油化工;仿真系统;.NET平台，浏览器/服务器(B/S)结构，仿真模型图

1 系统背景

传统的仿真系统是基于C/S(客户机/服务器)模式,由于这种架构的系统结构复杂，从开发、装配、调试都需要大量的人力物力，而且系统需要有专门的机房，员工的培训时间和地域的限制，而且由于投入有限,同时受训的人员数量都受到机器数量的限制,无法高效的发挥系统的作用。在互联网发展的今日，我们将互联网引入到仿真培训系统中来,让互联网的优势帮助仿真培训系统发挥它的作用。结合当前仿真设计领域出现的新技术,建立一套基于B/S(浏览器/WEB服务器)模式,以.NET为平台的仿真培训系统。新建系统将在易用、易维护性、高效性、安全性和友善性方面得到更大的改善。

2 系统目标

化工仿真培训系统最基本的要求就是能够很好的实现工程操作培训的目的,实现这样的功能就需要系统具备如下特点:

(1)易用。训人员不必再为培训而先接受系统应用培训,只要有过浏览一般网页的经历就可以顺利地参与到培训中。

(2)易维护性。系统软件安装的绝大部分工作在服务器端完成,系统更新升级只在服务器端操作,不需要客户的重新设置。

(3)高效性。借助互联网的力量,突破了地域,时间的限制,使培训可以随时随地的进行,避免了因为机房、时段等原因造成的培训延误,可以让受训人员自由的安排学习时间,更有效的提高受训效率。同时避免了传统DCS仿真培训系统因为教练站和学员站分离造成的反馈延误。

(4)培训功能完善。能够覆盖工程过程中的操作过程细节、操作失误导致的故障处理以及再现工程过程整体的联动细节等,人机界面采用仿DCS操作界面，用户可更加生动形象地进行正常运行，冷态开车，正常停车，故障排除等岗位操作培训。

(5)安全性。学员和教师只有输入正确的用户名及相应的密码后才能进入培训系统，教师可以对学员进行实时监控，下发故障，分发题目给学员。

3 系统结构设计

3.1 仿真系统的架构

根据以上系统目标,结合.NET技术的特点，设计了化工仿真培训系统,本系统是基于三层分布式架构,清晰的将应用分为三个层次，分别是客户层,Web层和数据库层。如图1所示。

客户层通过发送Ajax请求，通过HTTP协议与WEB层传递消息，系统代码在服务器端，更易于维护，客户层主要用于反馈信息和展示信息。在WEB层以IIS控制逻辑，负责处理HTTP请求，通过C#语言实现业务逻辑，访问数据库。以Asp.Net实现表示功能。数据库层基于WCF技术架构，它把WEB服务与远程技术结合起来，使用.NET技术进行跨平台系统开发，SQL Server2008作为后台数据库。使数据传输模型达到高效、安全及支持跨平台的要求,数据转换以JSON的格式传给WEB层。

3.2 仿真系统的硬件架构

系统硬件架构基于公司级局域网的B/S结构的网络，在此基础上需添加WEB服务器、应用服务器、数据库服务器后就可以应用系统了。如果想要在企业外面连接本系统,只要将局域网联入互联网即可。为了保护关键数据的安全性,同时保留远程的连接可以为企业单独架设VPN或采取相应的网络安全措施。为了极大地节约硬件成本,将有限的资源用于系统的开发,图2为系统网络架构的布局图。

另外,为保证安全性应当配置两台服务器,其中一台作为运行中,另一台作为备用服务器,运行中服务器出现故障的时候启动备用服务器,这样可以有效避免数据的丢失和因服务器故障造成的培训受阻。对于客户端用户可以直接通过浏览器就可访问系统了,突破了地域,时间的限制,培训可以随时随地的进行。

3.3 模型设计器

工艺模拟涵盖实际生产过程的工艺流程和岗位操作规程，利用AutoCAD强大的绘图技术，绘制出动态的集散控制系统(DCS)界面，集散控制系统(DCS)是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制系统，本系统相比于以往的培训系统的优势可以实时仿DCS系统进行工艺模拟操作，涵盖了实际生产过程中的工艺流程和岗位操作规程，真实的化工厂情景，可以正常运行冷态开车，正常停车，故障排除等岗位操作培训，可对生产系统温度、压力、流量、液位进行检测、显示控制。学员进行仿DCS页面操作时，系统利用WCF服务的数据通信的功能，与OTS数据接口对接，进行数据联动，当有需求时，设备使用数据路径向服务器发送读取请求，服务器接受请求后，在服务器中根据数据路径读取OTS数据，通过服务器返回并作DCS页面动态变化展示，通过读取OTS数据，较好的解决了传统的仿真系统数据不够精准的问题，避免因学员在化工厂对数据不够精确造成不可挽回的损失。图3是学员进行净化停车的操作。

图1 仿真系统架构

图2 系统网络架构布局

图3 净化DCS图

4 结语

经过一年多的与企业联合开发，并在延长石油集团得到了应用，取得了较好的仿真效果，我们开发出了适合石油化工企业的仿真系统，解决了因为企业生产实际过程中，不方便依靠生产装置进行培训，导致企业培训与实际生产的脱节，学校在教育上也以书面化为主，在难得的工厂实训中也无法真正动手操作的问题。本系统学员通过设置下发不同的事故、故障等，在DCS界面对接OTS系统可完成各种培训，实现从工艺原理到现场控制的全方位互动式模拟。值得注意的是，由于开发时间较短，我们在紧急预案的多样性上还存在着不足。我们将进一步开发多样性的紧急预案，以此满足企业需求。同时，我们将不断优化系统性能，使得操作更为简便。

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①魏易松，杭州电子科技大学自动化学院，在读研究生。②葛铭，杭州电子科技大学自动化学院，导师(教授)。