改善的分布式工业过程仿真系统技术方案

本发明专利技术涉及改善的分布式工业过程仿真系统。一种高逼真度的分布式工厂仿真技术包括多个分离的仿真模块，其可在不同的水滴或计算设备中分离地存储和执行。这些仿真模块相互直接通信来执行对工厂的精确仿真，而无需中央协调器来协调仿真系统的运行。至少一些仿真模块，当开始执行时，执行质量流量平衡，考虑与相邻的仿真模块相关联的过程变量，从而确保在整个仿真系统中压力、温度和流量的平衡（即质量流量守恒）。在动态情况下，瞬态海量存储中继技术用于解释经过由仿真模块所仿真的非存储式设备的质量流量中的瞬时变化。再者，位于不同的水滴中的相邻仿真模块使用后台处理任务来相互直接通信，这简化了相邻仿真模块之间的通信，无需中央协调器。

【技术实现步骤摘要】

本文呈现的专利技术一般地涉及对发电工厂、工业制造工厂、处理工厂和其它类型的 工厂的操作进行仿真，并且，更具体地，涉及执行包含物料流程的工厂操作的改善的仿真的 分布式仿真系统。
技术介绍
分布式过程控制系统，诸如通常用于发电、化工制造、石油加工、工业制造或其他 类型的工厂，通常包括一个或多个控制器，其通过模拟、数字、模拟/数字组合、或无线总线 通信地耦接到多个现场设备。现场设备，可能是，例如，阀、阀定位器、开关、变送器(例如温 度、压力、液位和流量传感器)、燃烧器、热交换器、锅炉等，都处在厂区环境内，并响应于由 控制器所形成和发送的控制信号而执行过程功能，诸如开启或关闭阀、测量过程参数等。智 能现场设备，诸如符合任意著名的现场总线协议的现场设备，还可以执行通常由工厂控制 器或在工厂控制器内实现的控制计算、报警功能以及其他常用功能。工厂控制器，通常也处 在工厂环境内，接收指示由现场设备所产生的过程测量的信号和/或与现场设备有关的其 他信息，并且执行控制应用程序，该应用程序例如运行控制不同的控制模块，这些控制模块 做出过程控制决定，基于所接收的信息生成过程控制信号，以及与在现场设备诸如HART 和FOUNDATION 现场总线现场设备中执行的控制模块或块进行协调。控制器内的控制模 块经由通信线路或网络将过程控制信号发送到现场设备，从而控制过程的操作。来自现场设备和控制器的信息通常是通过数据高速专线提供到一个或多个其他 电脑设备，诸如操作员工作站、个人计算机、数据历史记录、报表生成器、中央数据库等，通 常放在控制室或其他远离恶劣的厂区环境的位置。这些电脑设备还可以运行应用，其可 以，例如，使操作员能够执行过程方面的功能，诸如改变过程控制例程的设置、修改在控制 器或现场设备内的控制模块的操作、查看过程的当前状态、查看由现场设备和控制器产生 的报警、保存和更新配置数据库等。例如，由艾默生过程管理公司销售的Ovation 控制系统，包括存储于位于过程工 厂内的各种地方的不同设备之内并由其执行的多个应用。配置应用，其驻留于一个或多个 操作员工作站，使用户能够创建或更改过程控制模块并且通过数据高速专线下载这些过程 控制模块到专用的分布式控制器。通常，这些控制模块由通信地互连的功能块组成，这些功 能块是在面向对象程序设计协议中的对象，并且基于到其的输入执行控制方案内的功能并 向控制方案内的其它功能块提供输出。配置应用还可以允许设计师创建或更改操作员界 面，该操作员界面由查看应用使用以向操作员显示数据并且使操作员能够改变过程控制例 程中的设置，诸如设定点。各个专用控制器和，在某些情况下，现场设备，存储并执行控制器 应用，其运行被分配和下载到那儿的控制模块，从而实现实际过程控制功能。查看应用，其 可以在一个或多个操作员工作站上运行，经由数据高速专线接收来自控制器应用的数据和 向使用用户界面的过程控制系统的设计者、操作员或用户显示这些数据。数据历史记录应 用通常存储在数据历史记录设备中并由其执行，以收集和存储经数据高速专线提供的部分或全部数据，而配置数据库应用可以在另一台连接到高速数据专线上的计算机上执行，以 存储当前过程控制例程配置和与之相关联的数据。替代地，配置数据库可以位于与配置应 用程序相同的工作站中。许多工业希望实施仿真系统来仿真工厂的操作(包括各种工厂设备和在工厂内 连接的控制网络)。这样的仿真系统可用以测试工厂响应于新的或不同的控制变量诸如设 置点的操作、测试新的控制例程、执行优化、执行训练活动等。且作为结果，许多不同类型的 工厂仿真系统被提出并运用到过程工厂中。然而，通常只有最复杂的仿真系统能够执行过 程工厂的高逼真度的仿真，因为复杂的过程被实现，在工厂内不断变化的条件包括随着时 间推移设备的损耗和在工厂内出现的不明扰动变量。当仿真商用工业过程装置时，常见且众所周知的是使用物理定律的第一原理 (first principle)物理定律或方程式来实现仿真模型，在这种情况下，开发复杂的第一原 理方程组来仿真各种工厂装置，并且仿真器在任何特定的仿真周期中同时求解全部或大部 分的模型方程。牛顿迭代法是仿真技术中众所周知的例子，其同时求解许多第一原理方程 式以执行仿真。事实上，这类方程式求解机制，在很多情况下，被视为高逼真度仿真的必要 条件。然而，与这种仿真方法相关联的主要缺点是，物理模型复杂且计算成本高，尤其是当 要建模的系统是高度地非线性和交互性的。且作为结果，这些仿真系统必须使用集中式非 线性方程求解器来执行仿真，以便能够同时求解所有的耦合的非线性方程。不幸的是，这项 技术常常是缓慢、计算上效率不高、数值上不可靠的。大规模的、动态过程系统的分布式仿真被实施以试图克服与集中式仿真系统技术 相关联的一些问题。在分布式仿真系统中，各种仿真任务遍及许多不同的设备(如处理器) 被执行，并且这些仿真任务被彼此分离地或独立地实施(执行)。这样的分布式仿真系统 与集中式仿真系统相比提供了许多优势，包括空间去耦、时间去耦、积分去耦和并行处理。 特别是，分布式仿真系统通过将较大的仿真问题分解成一组较小的子问题而提供了空间去 耦，从而允许在不影响其它仿真模块下对一个模块进行改变、更新或增加。分布式仿真系统 还通过允许对不同的动态模块使用不同的积分步长而提供时间去耦，这意味着这些系统能 为难解的仿真问题提供更好的数值可靠性、更高的计算效率，而无需在各个仿真模块都实 施激进的积分步长。分布式仿真系统提供积分器去耦，因为分离的仿真模块可以使用在不 同的模块中相互间不同的特定的和定制的积分方法，从而使不同的数学技术能够用于求解 不同的过程模型。分布式仿真系统还使并行处理的使用成为可能，因为不同的仿真模块能 够同时在分布式计算机网络上被实施。此特征还允许容易的故障排除，因为问题通常能够 关于某一仿真模块局部地被识别。关于过程和动力系统的分布式仿真已经进行了许多研究，例如，Brosilow C、 Yin_Chang，“Simulation of Large Scale Dynamic Systems I”，Computers and Chemical Engineering,ll :241-253,1987，开发了使用直接替代、外推法和牛顿型迭代来执行仿真的 算法。然而，需要协调器保持仿真同步，因为需要协调器来为各个动态模块设定时间跨度 并且计算子系统之间的互连。尽管协调器允许各个模块具有不同的积分算法和步长，但是 仍需要协调器来管理仿真子系统。另一方面，Secchi AR、MorariM、Biscala Jr EC, "The Waveform Relaxation Method in ConcurrentDynamic Process Simulation，，、 Computer and Chemical Engineering，17 :683-704,1993，使用可高度并行化的波形松弛(waverelaxation, WR)方法研究了低指数微分方程(differential equations, DAE)的并行解。 实现了 DAh在并行的机器上使用WR方法的并行解。在这里，雅可比迭代法被使用，这意味 着在每次迭代的开始本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于对质量流过的一组物理工厂元素的操作进行仿真的分布式仿真系统，包括：计算机网络，其包含多个和通信地耦接所述多个水滴的通信网络，其中，所述多个水滴中的每一个包含处理器；以及多重由处理器实施的仿真模块，所述多重仿真模块中的每一个包括对所述物理工厂元素中的不同的一个物理工厂元素的操作建模的过程模型，其中所述仿真模块中的第一仿真模块和所述仿真模块中的第二仿真模块位于所述多个水滴中的不同的水滴中，其中，所述仿真模块中的所述第一仿真模块对所述一组物理工厂元素中的第一物理工厂元素的操作建模，以及所述仿真模块中的所述第二仿真模块对所述一组物理工厂元素中的第二物理工厂元素的操作建模，所述一组物理工厂元素中的所述第二物理工厂元素放置在所述一组物理工厂元素中的所述第一物理工厂元素的下游，其中所述第一仿真模块的过程模型使用由所述第二仿真模块计算的过程变量值以产生与由所述第一仿真模块所建模的所述物理工厂元素的操作相关联的输出，并且其中所述第一和第二仿真模块相互通信计算出的过程变量信息，以执行在所述第一个物理工厂元素和所述第二个物理工厂元素间的质量流量的仿真。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：X程，RW克法特，温成涛，BE伊德斯蒂，
申请(专利权)人：爱默生过程管理电力和水解决方案公司，
类型：发明
国别省市：US[]