一种虚实结合污水处理厂测试床及其构建方法技术

本发明专利技术涉及一种虚实结合污水处理厂测试床及其构建方法。其中，测试床包括物理层、控制层和监控层；物理层包括污水处理过程工艺仿真的虚拟部分与半实物模拟部分，污水处理过程工艺仿真计算机对污水处理过程进行数值仿真，并将仿真得到的工艺参数传送给所述半实物模拟系统。控制层包括GE公司RX3i型PLC，监控层包括监控计算机、网络设备和测试设备。本发明专利技术在污水处理过程的工艺模拟与展示上具有更好的直观特性和动态感，更好地融合了物理模型与数字仿真模拟系统，且可以显示污水处理控制系统受到攻击后的效果。采用过程自动化的对象链接与嵌入技术OPC技术实现了两者之间的数据交换，具有灵活性高和无硬件接线的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种虚实结合污水处理厂测试床及其构建方法
本专利技术属于工业控制模拟与仿真领域，主要地，涉及一种虚实结合污水处理厂测试床及其构建方法。
技术介绍
在工业控制系统信息安全研究中广泛使用测试床。目前常用的测试床构建方案包括软件模拟仿真、实物或半实物模拟以及模拟与仿真相结合(虚实结合)等三种方案。软件模拟采用软件仿真方式，有较高的灵活性，但展示性较差，不够直观。实物半实物模拟虽然较为直观和真实，但成本高，柔性较差。而虚实结合方法在一定程度上集中了上述两种方法的优点，克服了各自的不足。现有的虚实结合测试床在实物模拟部分功能存在明显不足，多数采用沙盘模型，以静态实物模型及闪烁指示灯来实现一定程度的动态显示。该类测试床不能显示大量的工业过程工艺参数，且该沙盘模型与模拟仿真部分交互少，存在明显割裂，不能充分展示实物模拟的优点。
技术实现思路
鉴于以上问题，本专利技术提供一种虚实结合污水处理厂测试床构建方法。本专利技术在实物模拟部分采用了沙盘模型与实物动态模拟相结合的方式，在污水处理过程的工艺模拟中，除了采用静态沙盘外，还对污水处理的核心工艺过程设备采用实物模拟，设备中以水代替污水来模拟实际的介质流动，从而使得该半实物模拟在真实性上超过纯粹沙盘模型。为了提高模拟仿真进度，本专利技术测试床还包括对污水处理过程进行数值仿真的虚拟部分。同时，数值仿真部分的工艺参数通过输出模块送至实物模型上安装的LED显示屏，动态显示工艺模拟结果，从而同时实现了灯光显示及工艺参数显示，具有更加直观和动态性好的优点，同时把实物模拟与仿真(虚拟)模拟有机融合。为了实现对实际污水处理厂不同工况的模拟，开发了污水处理过程模拟仿真管理软件，可以在软件上修改工艺参数。在污水处理过程模拟与工控系统的交互上，采用用于过程自动化的对象链接与嵌入技术OPC(ObjectLinkingandEmbeddedforProcessControl)来实现两者的交互，具有很高的灵活性，克服了常规模拟仿真中大量采用硬接线实现信号输入和输出功能的不足。本专利技术的技术构思如下：对污水处理关键过程建模和依托Matlab软件平台进行污水处理核心工艺过程数值仿真的虚拟模拟部分；对污水处理过程进行沙盘模拟的半实物模型部分；对污水处理过程实现控制器硬件在环控制的工业控制系统部分，以及采用用于过程自动化的对象链接与嵌入技术实现虚拟部分、半实物模型和控制系统数据交换的系统集成部分。本专利技术提供构建虚实结合污水处理厂测试床的相关技术和方法，能够更加直观、准确和动态地模拟污水处理过程及其工控系统，并可以实时修改污水处理工程工艺参数和控制参数。该测试床对于工控信息安全研究起到了较好的支撑作用。本专利技术的具体技术方案如下：一种虚实结合污水处理厂测试床，所述测试床包括物理层、控制层和监控层；其中，所述物理层包括污水处理过程工艺仿真计算机和半实物模拟系统，所述污水处理过程工艺仿真计算机对污水处理过程进行数值仿真，并将仿真得到的工艺参数传送给所述半实物模拟系统；工艺仿真管理系统可以修改污水处理过程工艺参数，模拟不同污水处理工况；所述控制层包括GE公司RX3i可编程控制器，所述GE公司RX3i可编程控制器对所述半实物模拟系统和污水处理过程仿真模型进行控制器硬件在环控制，以模拟污水处理过程控制功能；所述监控层包括监控计算机、网络设备和工控信息安全测试设备；所述监控计算机、工控信息安全测试设备、GE公司RX3i可编程控制器、污水处理过程工艺仿真计算机分别通过网络交换机连接到以太网。所述污水处理过程采用活性污泥工艺。主要设备包括进水泵房、格栅、沉砂池、厌氧池、缺氧池、好氧池、二沉池、初沉池、污泥池、脱水机房和空压机房。所述物理层采用虚实结合的混合模拟，即污水处理过程模型的数值仿真模拟与半实物模拟相结合，通过对污水处理Matlab模型进行数值仿真来模拟污水处理工艺过程，采用半实物模型来模拟污水处理工艺设备和管道。所述监控层采用KingScada组态软件。所述测试床还包括数据通信单元，所述数据通信单元包括Matlab仿真程序、人机界面和PLC，采用IGSOPC服务器。一种虚实结合污水处理厂测试床构建方法，其特征在于，所述构建方法基于上述任一测试床，包括如下步骤：(1)污水处理过程工艺仿真计算机对Matlab仿真的过程测量参数通过IGSOPC服务器和GE公司RX3i可编程控制器的比例积分微分控制功能模块测量输入关联，GE公司RX3i可编程控制器的输出通过IGSOPC服务器写入到仿真模型部分，构成对现场仿真过程的闭环控制；(2)人机界面从GE公司RX3i可编程控制器读写参数，实现对污水处理过程的监控。在污水处理过程工艺仿真计算机中插入研华模拟量输出模块，通过该模块把工艺参数送到半实物模拟系统中的显示模块进行显示。在Matlab仿真的m文件中首先建立溶解氧控制系统模型，然后在GE公司RX3i可编程控制器中开发控制回路及控制程序，对采集的数据进行处理；利用KingScada组态软件开发污水处理控制系统人机界面；人机界面中的相应控制对象以及控制变量的实时显示数据是从Matlab里面读取并输入给人机界面中的变量；在所述m文件里面，通过添加语句实现OPC数据的读取和输出。半实物模拟系统的半实物物理过程包括以实物模型及灯光来演示污水处理工艺及污水处理设备；对于污水处理的核心曝气工艺过程，以水代替污水来模拟真实的工艺，使得该半实物模拟在真实性上超过纯粹沙盘模型，同时在又费用上低于实物模拟。所述半实物物理过程中厌氧池、缺氧池、好氧池及二沉池中有水连续流动，其他部分没有工艺介质。所述厌氧池、缺氧池中设有搅拌器，该搅拌器受控制器控制，通过计算机控制所述搅拌器的运行状态，模拟实际工艺中的对污水的搅拌功能。好氧池中安装曝气设备。可以通过控制器调节鼓风曝气量。好氧池中的溶解氧浓度可以在KingScada人机界面上设定。对于污水厂的水泵、格栅、鼓风机等设备，用双色发光二极管来显示设备的运行或故障状态，其中红色灯表示设备故障，绿色表示设备正常运行；设置了16个数码显示装置分别显示进水水质参数、出水水质参数和污水处理中的关键工艺参数；其中，进水水质参数和出水水质参数包括：pH值、BOD(化学需氧量)、NH3-N(氨氮)、TP(总磷)、污泥浓度和化学需氧量等。工艺参数包括进出水流量、液位、溶解氧浓度、鼓风机电流、空气流量等。所有的设备状态(运行、停止、故障)和工艺参数可以在监控程序上实时显示。所开发的测试床可以满足工控信息安全对于测试床的要求。本专利技术在传统的污水处理厂沙盘模型基础上，提出了静态沙盘模型与实物模型相混合的方法，以提高模型的展示性。在沙盘模型灯光展示的基础上，增加了模拟量液晶显示。与一般的虚实结合测试床相比，本专利技术在物理过程的模拟与展示上，具有更好的直观性和动态感，且更好地融合了物理模型与仿真模拟系统。在污水处理过程模拟与工控系统的结合上，采用OPC技术实现了两者之间的数据交换，具有灵活性高和无硬件接线的优点。根据本专利技术的方法构建的污水处理工控系统测试床，可以满足工控信息安全对于测试床的要求。本申请的测试床还可以显示污水处理过程控制系统受到攻击后的不同后果。附图说明图1是实施例1的污水处理厂测试床的结构示意图；图2是污水处理厂测试床信息流示意图；图3是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种虚实结合污水处理厂测试床，其特征在于，所述测试床包括物理层、控制层和监控层；其中，所述物理层包括污水处理过程工艺仿真计算机和半实物模拟系统，所述污水处理过程工艺仿真计算机对污水处理过程进行数值仿真，并将仿真得到的工艺参数传送给所述半实物模拟系统；所述控制层包括GE公司RX3i可编程控制器，所述GE公司RX3i可编程控制器对所述半实物模拟系统和污水处理过程仿真模型进行控制器硬件在环控制，以模拟污水处理过程控制功能；所述监控层包括监控计算机、网络设备和工控信息安全测试设备；所述监控计算机、工控信息安全测试设备、GE公司RX3i可编程控制器、污水处理过程工艺仿真计算机分别通过网络交换机连接到以太网；所述测试床还包括数据通信单元，所述数据通信单元包括所述污水处理过程工艺仿真计算机中的Matlab仿真程序、所述监控计算机中污水处理控制系统的人机界面和所述GE公司RX3i可编程控制器，其采用IGS OPC服务器。

【技术特征摘要】
1.一种虚实结合污水处理厂测试床，其特征在于，所述测试床包括物理层、控制层和监控层；其中，所述物理层包括污水处理过程工艺仿真计算机和半实物模拟系统，所述污水处理过程工艺仿真计算机对污水处理过程进行数值仿真，并将仿真得到的工艺参数传送给所述半实物模拟系统；所述控制层包括GE公司RX3i可编程控制器，所述GE公司RX3i可编程控制器对所述半实物模拟系统和污水处理过程仿真模型进行控制器硬件在环控制，以模拟污水处理过程控制功能；所述监控层包括监控计算机、网络设备和工控信息安全测试设备；所述监控计算机、工控信息安全测试设备、GE公司RX3i可编程控制器、污水处理过程工艺仿真计算机分别通过网络交换机连接到以太网；所述测试床还包括数据通信单元，所述数据通信单元包括所述污水处理过程工艺仿真计算机中的Matlab仿真程序、所述监控计算机中污水处理控制系统的人机界面和所述GE公司RX3i可编程控制器，其采用IGSOPC服务器。2.根据权利要求1所述的测试床，其特征在于，所述物理层采用虚实结合的混合模拟，即污水处理过程模型的数值仿真模拟与半实物模拟相结合，通过对污水处理Matlab模型进行数值仿真来模拟污水处理工艺过程，采用半实物模型来模拟污水处理工艺设备和管道。3.一种虚实结合污水处理厂测试床构建方法，其特征在于，所述构建方法基于权利要求1至2任一所述的测试床，包括如下步骤：(1)污水处理过程工艺仿真计算机对Matlab仿真的过程测量参数通过IGSOPC服务器和GE公司RX3i可编程控制器的比例积分微分控制功能模块测量输入关联，GE公司RX3i可编程控制器的输出通过IGSOPC服务器写入到仿真模型部分，构成对现场仿真过程的闭环控制；(2)人机界面从GE公司RX3i可编程控制器读写参数，实现对污水处理过程的监控。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：陈冬青，彭勇，谢丰，高洋，
申请(专利权)人：中国信息安全测评中心，
类型：发明
国别省市：北京,11