基于LabVIEW與Matlab的TE過程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

衷路生 解冬東

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，南昌 330013)

基于LabVIEW與Matlab的TE過程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

衷路生 解冬東

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，南昌 330013)

針對(duì)TE模型可視化效果不佳的問題，基于LabVIEW、Matlab與MySQL開發(fā)了TE過程仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)采用LabVIEW設(shè)計(jì)搭建了復(fù)雜、友好的系統(tǒng)圖形界面；Simulink作為后臺(tái)引擎，運(yùn)用Matlab平臺(tái)設(shè)計(jì)TE過程的故障監(jiān)控算法，MySQL作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)現(xiàn)了TE過程的實(shí)時(shí)趨勢(shì)顯示、故障報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)記錄及故障報(bào)警等功能模塊。通過該仿真完成TE基本工況、內(nèi)置故障、添加擾動(dòng)及多工況等模式的仿真測(cè)試和故障診斷。該仿真平臺(tái)已進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用階段，為研究化工過程控制等復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷提供了良好的應(yīng)用平臺(tái)。

監(jiān)控系統(tǒng) 過程控制 虛擬儀器 故障診斷

過程控制以工業(yè)過程生產(chǎn)為主要研究對(duì)象，這類過程具有復(fù)雜性、多樣性及系統(tǒng)性等特點(diǎn)。如何在一個(gè)通用性的平臺(tái)上設(shè)計(jì)并測(cè)試控制策略和優(yōu)化算法具有一定的意義。此外，開發(fā)出一套成熟的監(jiān)控系統(tǒng)之前就在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)行是不可能的，所以搭建一套模擬仿真平臺(tái)對(duì)算法研究應(yīng)用具有基礎(chǔ)性的作用。

TE過程是一個(gè)用來研究和開發(fā)流程工業(yè)故障診斷的典型平臺(tái)。最初是由美國Tennessee Eastman化工公司的Downs J J和Vogel E F以FORTRAN源代碼形式提出并發(fā)展起來的一個(gè)大型化工仿真模型[1]。后來被Bathelt A等在Matlab平臺(tái)上進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)，但是該Simulink仿真模塊僅能夠?qū)崿F(xiàn)基本的模型仿真，并不能直觀反映整個(gè)化工生產(chǎn)的工藝流程和完成整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控功能[2]。后來也有學(xué)者進(jìn)行了一定的拓展應(yīng)用工作，如采用三維力控組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)TE平臺(tái)的可視化[3]。但國產(chǎn)三維力控監(jiān)控軟件在穩(wěn)定性上存在一定的問題，其次TE平臺(tái)一次仿真結(jié)束后不便于保存歷史數(shù)據(jù)。為了充分利用TE仿真模型，并方便對(duì)控制算法進(jìn)一步測(cè)試，如采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)來存儲(chǔ)大規(guī)模結(jié)構(gòu)化仿真大數(shù)據(jù)是最好的選擇。為此，筆者提出采用虛擬儀器技術(shù)，通過LabVIEW軟件與Matlab軟件的混合編程搭建TE仿真系統(tǒng)并擴(kuò)展TE模型仿真功能。系統(tǒng)采用LabVIEW設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能的控制界面,其中系統(tǒng)的仿真過程數(shù)據(jù)與結(jié)果采用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，以便進(jìn)一步開發(fā)故障診斷的算法應(yīng)用。

TE平臺(tái)是以實(shí)際的化工生產(chǎn)流程為背景,應(yīng)用于各種控制算法的測(cè)試平臺(tái)。整個(gè)生產(chǎn)過程共有4個(gè)反應(yīng)步驟,其中有4種氣體反應(yīng)物分別為A、C、D、E，生成物有G、H兩種產(chǎn)品，此外在進(jìn)料中摻雜有少量的惰性氣體組分B和副產(chǎn)品F。TE過程包括5個(gè)主要操作單元：反應(yīng)釜、冷凝器、離心式壓縮機(jī)、氣液分離塔和汽提塔。整個(gè)化工過程的流程如圖1所示。圖中實(shí)線部分為TE過程模型的流程，該過程共有12個(gè)控制變量、41個(gè)測(cè)量變量(其中22個(gè)連續(xù)過程變量，19個(gè)成分測(cè)量變量)、20種已知擾動(dòng)和6種運(yùn)行模式[4]。

筆者以Bathelt A等在Simulink下搭建的仿真模型[2]為基礎(chǔ)建立TE監(jiān)控系統(tǒng)，主要思路是以LabVIEW為主程序調(diào)用Simulink仿真的模塊作為后臺(tái)引擎，運(yùn)用LabVIEW的Simulation Inter-face Toolkit(SIT)包來實(shí)現(xiàn)與Simulink仿真模塊的實(shí)時(shí)連接，最終完成TE監(jiān)控系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)。

圖1 TE流程簡圖

2 軟件設(shè)計(jì)

Matlab是過程控制進(jìn)行建模仿真研究時(shí)常用的軟件之一，設(shè)計(jì)算法效率高，但是它在界面開發(fā)、信號(hào)采集及硬件控制等方面都不夠理想，而以LabVIEW為主流的虛擬儀器技術(shù)彌補(bǔ)了這方面的不足[5]。筆者主要解決Matlab與MySQL數(shù)據(jù)通信、MySQL與LabVIEW的數(shù)據(jù)交互及監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)等問題，主要的系統(tǒng)集成在LabVIEW中完成。

仿真系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境如下：

操作系統(tǒng) Windows7(32bit)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) MySQL6.2

開發(fā)工具 Matlab/Simulink(2010a)、LabVIEW2012

接口包 SIT、LabSQL、Connector to ODBC

系統(tǒng)環(huán)境的選擇需要考慮到軟件通用性，因此基于Windows操作系統(tǒng)完成平臺(tái)的搭建，由于SIT包的兼容性問題，應(yīng)首先選擇Matlab(2010a)的安裝版本，其次需要安裝32位版本LabVIEW2012，接著是接口包SIT的安裝，直到Matlab出現(xiàn)如下系統(tǒng)提示：

SIT: Added paths for Simulation Interface Toolkit Version 2012

Starting the SIT Server on port 6011

SIT Server started

說明監(jiān)控平臺(tái)已經(jīng)安裝成功。接下來是數(shù)據(jù)庫MySQL6.2的配置安裝，最后進(jìn)行Connector to ODBC的配置，同樣應(yīng)注意32bit的安裝包。

2.1LabVIEW界面設(shè)計(jì)

主要應(yīng)用LabVIEW優(yōu)秀的界面顯示作為TE化工反應(yīng)的監(jiān)控上位機(jī)，完成TE實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程的直觀展示。要實(shí)現(xiàn)LabVIEW與Simulink的通信，必須解決接口問題。筆者通過LabVIEW中的SIT實(shí)現(xiàn)與Simulink的結(jié)合編程，發(fā)揮Simulink的仿真功能和LabVIEW高效的界面顯示功能。仿真系統(tǒng)平臺(tái)搭建安裝順序?yàn)椋篗atlab2010→Simulink→LabVIEW2012→SIT包。在啟動(dòng)LabVIEW監(jiān)控軟件時(shí),Simulink作為仿真后臺(tái)運(yùn)行。

為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控算法開發(fā)過程，將Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和LabVIEW優(yōu)秀的圖形化界面相結(jié)合，就要解決好LabVIEW與Matlab的通信問題，通信接口的設(shè)計(jì)可以采用LabVIEW強(qiáng)大的ActiveX功能、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換DDE等接口方式或采用Mathscript[6]調(diào)用。

整個(gè)仿真系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)部分包括動(dòng)態(tài)流程圖畫面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)、故障報(bào)警、故障分類、歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)報(bào)表等功能。其中實(shí)時(shí)監(jiān)控界面如圖2所示。在TE的動(dòng)態(tài)流程圖界面生動(dòng)展示了化工過程的反應(yīng)狀態(tài)，同時(shí)可以在軟件畫面中實(shí)時(shí)更改控制系統(tǒng)的設(shè)定值并檢驗(yàn)控制效果。

圖2 TE平臺(tái)仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

2.2MySQL數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

隨著大數(shù)據(jù)的興起和各種以傳感器為支撐的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，通過大量積累的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷將成為研究熱點(diǎn)。數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)是現(xiàn)場故障監(jiān)控必不可少的部分，工業(yè)現(xiàn)場大量的數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)，主要利用數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，也方便于以后的算法開發(fā)和改進(jìn)使用。MySQL數(shù)據(jù)庫作為一種最流行的開源數(shù)據(jù)庫，被廣泛應(yīng)用于個(gè)人用戶和中小企業(yè)中。

開發(fā)的重點(diǎn)是解決LabVIEW與MySQL數(shù)據(jù)庫的通信問題，實(shí)現(xiàn)的方式主要有3種[7]：方法一，可以通過LabVIEW強(qiáng)大的ActiveX功能；方法二，可以采用LabVIEW軟件本身附加的數(shù)據(jù)庫工具包；方法三，采用LabSQL包訪問數(shù)據(jù)庫[7]。由于LabSQL作為完全免費(fèi)的第三方工具包，具有開源、支持多數(shù)據(jù)庫及跨平臺(tái)等多種特性，所以筆者采用LabSQL完成與數(shù)據(jù)庫的連接。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)部分的安裝流程：MySQL6.2→Connector to ODBC→LabSQL包。首先配置好MySQL，然后在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中新建一個(gè)TE的數(shù)據(jù)庫,在該數(shù)據(jù)庫里建立名為Normaldata的表，結(jié)果如圖3所示。

圖3 TE過程的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)庫建立完成后,建立ODBC數(shù)據(jù)源,數(shù)據(jù)源名為TE。在LabVIEW的安裝目錄user.lib文件夾下創(chuàng)建一個(gè)名為LabSQL的文件夾，解壓下載的LabSQL包，運(yùn)行LabVIEW。設(shè)計(jì)LabVIEW的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)模塊程序。圖4為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的部分程序段。

圖4 插入記錄程序段

通過LabVIEW進(jìn)行系統(tǒng)仿真，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，方便進(jìn)一步的算法研究。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

利用搭建好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行相應(yīng)故障診斷算法的測(cè)試工作。對(duì)TE平臺(tái)調(diào)試整個(gè)反應(yīng)過程的工藝流程[8]。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先啟動(dòng)Matlab，然后啟動(dòng)LabVIEW的監(jiān)控界面，最后運(yùn)行監(jiān)控算法程序來完成實(shí)時(shí)監(jiān)控仿真。

3.1故障過程測(cè)試

整個(gè)TE平臺(tái)系統(tǒng)預(yù)設(shè)了20個(gè)故障[9]，其中有兩種典型的故障類型，一種是階躍型故障，另一種是隨機(jī)型故障。筆者選取故障1作為階躍型故障進(jìn)行詳細(xì)分析說明，此故障是A、C進(jìn)料比例發(fā)生變化引起的。進(jìn)料的變化引起系統(tǒng)很多變量發(fā)生了階躍擾動(dòng)。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 故障1過程仿真

圖5a表明，當(dāng)A、C進(jìn)料比例發(fā)生一個(gè)階躍響應(yīng)后，在20h后系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。圖5b反映了反應(yīng)釜由于給料發(fā)生變化使得被控過程反應(yīng)釜的液位輸出發(fā)生了先下降再上升后穩(wěn)定的情況，這是過程控制系統(tǒng)中典型的虛假水位的反向特性。

隨機(jī)型故障選取故障8做仿真分析(圖6)，故障8是由于進(jìn)料A、B、C成分發(fā)生隨機(jī)性波動(dòng)引起的系統(tǒng)故障。

圖6 故障8過程仿真

圖6a是氣液分離塔的出口流量變化情況，可以看出由于物料的隨機(jī)變化引起了反應(yīng)容器中產(chǎn)物量的波動(dòng)，對(duì)生成物影響較大。圖6b是最終產(chǎn)物G的組分含量值仿真情況，可以看出給料A、B、C隨機(jī)波動(dòng)對(duì)于最終產(chǎn)品有著較大的影響。

3.2擾動(dòng)過程測(cè)試

通過給原系統(tǒng)添加一個(gè)階躍響應(yīng)模塊，可以測(cè)試某個(gè)過程狀態(tài)擾動(dòng)下系統(tǒng)的運(yùn)行情況。這里以反應(yīng)釜的液位發(fā)生階躍擾動(dòng)為例說明，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 自定義擾動(dòng)仿真

通過圖7a可以看到，在40h時(shí)發(fā)生了反應(yīng)釜的液位百分比由65%下降到60%的擾動(dòng)過程。通過圖7b可以看出，對(duì)于下一個(gè)反應(yīng)過程，冷凝器的溫度也產(chǎn)生了一個(gè)較小的擾動(dòng)過程，然后恢復(fù)正常。

3.3多工況過程測(cè)試

通過添加選擇模塊[10]實(shí)現(xiàn)了TE平臺(tái)對(duì)多工況的仿真測(cè)試，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 多工況過程仿真

圖8a是G的產(chǎn)量變化情況，可以看出0～40h系統(tǒng)運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)工況下，產(chǎn)量也保持穩(wěn)定；之后系統(tǒng)切換到模式3(G、H的質(zhì)量比為90/10)，可以看出G的含量呈線性上升趨勢(shì)。圖8b是物料D的反應(yīng)情況，隨著G產(chǎn)量的增加D的需求量也在逐步增加，最終反應(yīng)在模式3下趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

通過LabVIEW技術(shù)實(shí)現(xiàn)了TE過程典型化工單元操作的界面設(shè)計(jì)。LabVIEW技術(shù)通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的軟硬件結(jié)合功能，以Matlab作為算法數(shù)值分析的有利工具，MySQL作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的優(yōu)秀平臺(tái)。這套系統(tǒng)開發(fā)充分發(fā)揮了Matlab、LabVIEW和MySQL三大軟件的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，完成了TE化工過程的系統(tǒng)集成工作，使得新設(shè)計(jì)的TE系統(tǒng)具有界面友好、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定及功能完善等特點(diǎn)，是進(jìn)行故障診斷、模型預(yù)測(cè)等過程監(jiān)控算法開發(fā)測(cè)試的一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該設(shè)計(jì)適用于化工平臺(tái)的生產(chǎn)故障診斷并且為算法實(shí)用化開辟了新的思路。

[1] Downs J J,Vogel E F.A Plant-wide Industrial Process Control Problem[J].Computer & Chemical Engineering,1993, 17(3):245～255.

[2] Bathelt A，Ricker L N,Jelali M.Revision of the Tennessee Eastman Process Mode[C].International Symposium on Advanced Control of Chemical Processes.British Columbia，Canada：IFAC，2015：309～314.

[3] 羅剛,張湜,牛彥杰.基于TE過程的仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005，27(3):77～80.

[4] Lee J M，Yoo C K，Lee I B.Statistical Process Monitoring with Independent Component Analysis[J].Journal of Process Control,2004,14(5):467～485.

[5] 彭宇寧,朱后,謝樹平.基于LabVIEW和Simulink的自適應(yīng)控制[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009，25(7):35～37.

[6] 陳瑩瑩,張曉光.基于LabVIEW與MATLAB的提升機(jī)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2011，32(7):251～253.

[7] 文皓,南金瑞,楊世文,等.LabVIEW與數(shù)據(jù)庫ADO連接方法的補(bǔ)充研究[J].化工自動(dòng)化及儀表，2011,38(10):1230～1231.

[8] Ricker N L.Decentralized Control of the Tennessee Eastman Challenge Process[J].Journal of Process Control,1996, 6(4):205～221.

[9] 王迎,王新明,趙小強(qiáng).基于小波去噪與KPCA的TE過程故障檢測(cè)研究[J].化工機(jī)械,2011,38(1):49～53.

[10] 李斌,張湜,王永華.基于Deltav、Excel和Matlab的DCS仿真系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2005,32(6):37～39.

DesignofTEProcessMonitoringSystemBasedonLabVIEWandMatlab

ZHONG Lu-sheng, XIE Dong-dong

(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China)

Considering the poor visual effects of TE model, the LabVIEW, Matlab and MySQL-based TE process simulation system was developed. In which, having LabVIEW technology adopted to build friendly and complex graphical interface and then having Simulink taken as the background engine and Matlab platform employed to design fault monitoring algorithm as well as MySQL taken as back database to store experimental results, including realization of function modules like real-time trend display, fault alarm and historical data record, and the simulation test and fault diagnosis of the TE working conditions, inner failure, disturbance and multi-working conditions. The experimental application of the simulation system provides the application platform for the research of complex system’s fault diagnosis in chemical process.

monitoring system, process control, virtual instrument, fault diagnosis

TH865

A

1000-3932(2016)06-0614-06

2016-04-28(修改稿)基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61263010，60904049)；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20114BAB211014)