基于SIMIT平臺的數字化虛擬調試技術探討

呂馨

(上海寶信軟件股份有限公司，上海 201203)

關鍵字： 數字化虛擬調試平臺；虛擬調試；操作員培訓；仿真

虛擬調試是虛擬現實技術在工業領域的應用。在真實工廠調試之前，在一個軟件環境里模擬一種或多種硬件系統的性能，以實現虛擬世界到真實世界的無縫轉化。數字化虛擬調試平臺(SIMIT)是用于實現虛擬調試以及操作員培訓的軟件系統，提供了一個圖形化的用戶接口，可滿足自動化領域的各種實時仿真要求。和以往傳統的調試工作顯著不同，該平臺具有多方面的特點，可以幫助用戶更好更快地完成組態調試工作。

虛擬調試提供了一種解決方案，可將大部分調試任務移至項目的早期階段，遠離關鍵路徑，避免了工程安裝對調試進度的影響，大幅度縮短調試時間，并且避免了調試中對硬件可能造成損害的風險。同時通過定制開發，實現對操作人員的培訓。

1 數字化虛擬調試平臺的功能及優點

1.1 數字化虛擬調試平臺的優點

SIMIT平臺融入了多年的仿真項目經驗，內置多種運算、邏輯和工藝組件，可實現方便、高效和快速的仿真設計；無需具備專業的仿真知識，適合自動化工程師使用；友好的圖形化用戶界面，易于學習和操作。該平臺結構清晰，導航直觀，支持以下各種通信接口和數據交換： PROFIBUS和PROFINET I/O用于現場總線仿真；PRODAVE用于與實際控制器通信；PLCSIM接口用于仿真控制器通信；通過OPC或共享存儲器進行數據交換，比如使用第三方軟件或設備。

1.2 西門子工業系列軟件之間的關系

西門子的工業軟件自成一個整體，從數字化設計、交付及一體化運營的平臺軟件COMOS[2]到數字化虛擬調試軟件SIMIT，再到西門子DCS控制系統PCS7，涵蓋了工程的各個階段，并且互相之間設有數據接口，可以無障礙地進行數據交換。

SIMIT可以通過簡單配置后與PCS7的工程師站關聯使用，使用實際的人機界面(HMI)和操作員站進行虛擬調試，而不需要修改自動化項目，這是其他很多仿真軟件不具備的優點。由于SIMIT與PCS7具有良好的集成性能，可以大幅簡化組態工作量，進行操作員培訓(OTS)時，不但能幫助操作人員熟悉工藝裝置的特性及實際的操作員站，同時該平臺具有完整的自動化OTS功能。

2 數字化虛擬調試平臺在項目中的應用

在某炭材“智能制造新模式的運用”項目中，選取針狀焦單元成相工藝段進行數字化虛擬調試。首先在PCS7系統的工程師站中根據實際項目要求進行組態編程，然后使用SIMIT和系統工程師站聯用做虛擬調試，該工程師站就是后續現場控制室實際使用的工程師站。

SIMIT中提供各種實用的虛擬調試工具，可以幫助用戶又快又好地完成虛擬調試工作。該平臺界面的菜單中有虛擬時間管理功能，在使用時，可以選擇不同的時間快慢模式，正常時間模式是100%，如果想要減緩或者加快虛擬調試進度，可以選擇時間模式為50%，200%，300%等。使用該平臺界面中工具欄的“Snapshot快照”功能，隨時存儲階段性調試的結果，可以大幅減輕工作量。在該項目中，裝置的開車程序十分復雜，開車前有十幾個聯鎖，使用“快照”功能以后，就不必在每次打開項目虛擬調試時，都重復有多個聯鎖的開車步驟，在調試期間改動的各種參數，也都可以通過“快照”的方式保留在SIMIT的項目中，當調試全部結束以后，直接運行保存的“快照”就可以了。

SIMIT數字化虛擬化調試技術分三個層次的建模和仿真技術應用，可以對項目進行不同層級的測試；滿足自動化領域的各種實時仿真要求。在該項目實施過程中，工作內容如下： 通過現場調試前的虛擬調試，減少今后現場調試時間；通過定制開發，實現對操作人員的培訓。

SIMIT的三個層級的仿真相當于仿真了以下現場設備和信號： 信號層級仿真了來自現場的各種輸入輸出信號；設備層級仿真了現場的控制器、閥門、電機等電氣設備；在工藝層級，仿真了加熱爐、聯合塔等工藝裝置。

2.1 信號層級的虛擬調試

信號層級的仿真也稱為虛擬打點。信號按照來源不同，分為輸入信號和輸出信號兩大類；按照信號類型不同，分為模擬信號和數字信號兩大類，該項目中約有600個I/O信號，都在SIMIT中進行了仿真測試。

在信號層級的仿真階段，可以在信號表上對數字信號設置為“0”或“1”，通過設置DO信號測試開關閥，當和PCS7的工程師站聯用時，工程師站畫面上可直觀地看到開關閥的開關情況。

也可以測試模擬信號的大小。在SIMIT中，當仿真現場常用的4～20 mA模擬信號進入DCS之前，模擬信號會轉換成0～27 648內的數字，然后再被送入PCS7工程師站中，該范圍內的數字信號則會在SIMIT中轉換成相應的0～100%閥門開度信號，然后送至控制閥的仿真數學模型，因此在信號層級的仿真中就可以測試控制閥了。

當建好所有仿真模型后，就可以在SIMIT軟件中運行該項目，如果有錯誤，比如位號有重復，或者工藝裝置設計不合理等，只有當所有錯誤都消除以后，SIMIT才可以進入仿真狀態，且只有當SIMIT正常運行以后，才能和PCS7工程師站關聯使用。

2.2 SIMIT設備層級的調試

設備層級的仿真主要是仿真傳感器、執行器和電機，該項目中仿真了約200臺設備。通過設備層級虛擬仿真，實現在DCS畫面上模擬泵、風機、控制閥的啟動和停止。因此，設備層級的仿真，實現了從HMI—控制器—I/O卡件—執行器/傳感器的閉環，可以進行設備層面的回路測試，完成聯鎖邏輯和順控邏輯的測試。無需借助硬件，提前排查組態程序中的問題，加快現場調試工作。

在SIMIT中，當設備層級的仿真結束以后，就可以開始虛擬調試。在該平臺主菜單中對所有閥門、泵和電機等設備在手動狀態下進行開、關操作，因為SIMIT與PCS7工程師站是聯用的，設備開關狀態的變化可以在相應工程師站的畫面上看見，非常簡單直觀。

2.3 工藝層級的虛擬調試

工藝層級的仿真，比設備層級的仿真更深一層，實現了從HMI—控制器—IO卡件—執行器/傳感器—工藝過程的閉環。通過仿真平臺可以進行虛擬調試，發現工藝或自控設計中的一些問題，減少物質損失或人身傷害的風險。因此，通過工藝仿真，可以使調試時間更短，基于仿真的操作員培訓，可以增加工廠的安全性和提高工廠的生產效率。

該項目工藝層級的虛擬調試中，由于缺乏相關化學反應機理的數學模型，采用了同類化工裝置的經驗數據，通過SIMIT的FLOWNET庫、CHMICAL BALC基本化工庫等內部組件，主要包括運算組件、邏輯組件、變送器組件、電機組件、閥門組件等搭建了基于工藝平衡點的數學仿真經驗模型[3]，其中工藝平衡點參考了同類工廠在正常的生產操作過程中的工藝參數，該平衡點真實地反應了該套生產裝置的實際工藝參數。該仿真模型雖然無法實現化學反應和高精度仿真要求，但是能夠滿足用戶投資小、功能完整的需求，經過調節工藝裝置數學模型中的各種參數，主要包括增益、積分時間以及PID控制回路參數等，最終達到了工藝平衡點。該裝置的各個控制回路的測量值和設定值可以達到一致，并且控制閥開度與實際情況一致，當出現各種擾動時，各個控制回路中輸出值的變化趨勢與實際情況一致。當SIMIT和PCS7關聯使用時，數學模型在SIMIT軟件中運行，同時可以在PCS7工程師站畫面上操作，操作方法和真實的生產操作完全一致，并且也可以建立趨勢組，調整PID參數等。工藝仿真數學模型的搭建流程如圖1所示。

圖1 工藝仿真數學模型的搭建流程示意

在該項目的數學模型中，大量使用了積分及高階積分的運算組件，為了防止仿真過程中出現積分飽和現象，在數學模型中，專門設置了總的積分清零的開關。在工藝仿真模型運行之前，先對全部數學模型積分清零。

3 虛擬調試中的注意事項及存在問題

根據該項目調試階段的具體情況，在工藝層級虛擬調試時，最好在PCS7工程師站中將全部控制回路都投入自動模式，包括單回路、串級控制、分程控制等。各個回路的控制效果，不但受工藝數學仿真模型中各個組件及參數的影響，同時受PCS7工程師站中控制程序和PID參數的影響，而且因為某些控制回路互相之間有耦合作用，如果某個回路調試沒有達到平衡狀態，則可能與之相關的其他回路也無法調試好，所以在工程師站工藝裝置總圖畫面中，統一調試所有回路。在實際的工況中，同一裝置的各個控制回路，或者同一生產單元的各個生產裝置，互相之間都有或多或少的影響，比如在聯合塔中，一旦聯合塔進料量增加了，隨后所有工藝裝置的各個控制回路都會受到進料量變化引起的擾動，只不過是有些影響大一些，有些影響小一些。所以對于工藝層級的調試，不能僅僅是考慮單一的生產裝置，而要從工藝單元的整體上來考慮，這樣才能達到比較好的工藝仿真效果。只有當達到工藝平衡點以后，才可以進行進一步的工藝仿真場景的設計。

在SIMIT仿真平臺中，有專門用于工藝裝置仿真的幾個組件庫，而且這些組件的腳本加了密碼保護，用戶無法了解組件內部的機理數學模型，也不能修改腳本，所以使用工藝裝置組件庫中的組件進行虛擬調試時，有時很不方便。同時組件庫里面的組件也不夠豐富，很多無法自定義，通用的組件難以實現具體項目中多樣性的要求。

4 SIMIT技術的優越性

采用數字化虛擬調試技術，主要優勢如下：

1)調試速度更快。基于虛擬調試技術，可對工程組態進行早期測試。在現場調試之前，虛擬調試技術可檢測出幾乎所有設計錯誤和功能錯誤。因此，調試時間可減少約50%，確保系統及時甚至提前上線運行。

2)工程組態質量更高。 SIMIT的操作易用性，極大擴展了常規測試范圍。仿真可與工程組態設計同步進行，有效確保了工程組態質量。在運營商與合作伙伴共同制定技術規格的過程中，虛擬調試的優勢彰顯，有效避免了工程組態中的重復操作和設置沖突，進一步提高了用戶的最終滿意度。

3)成本更低。隨著重復性工程組態操作的減少和調試時間的減少，人員成本也大幅降低。同時進行的模塊化測試方法實現了工程組態“首次即正確”，確保了項目的順利實施。此外，虛擬調試技術顯著降低了因采用真實硬件進行測試時所需的就位時間、安裝時間及相應工作量，是數字化新時代的一種新型實用的技術。

4)風險更小。即使沒有機器、設備或相關工廠操作員，也可進行虛擬測試，消除了現場調試的固有風險。即使出現功能異常也不會導致嚴重后果，有效避免了代價高昂的工廠資產損壞和人員傷亡事故。在辦公室即可完成各種測試，縮短了項目延期時間，確保工廠及時上線運行。

5) 客戶收益。 在現場調試之前就可以創建系統的可視化，在辦公室進行故障早期排除，測試不同條件下系統響應，節省大量的時間和精力，將實際調試時間縮短。同時提前知道如何應對設備故障和其他緊急情況，早發現早糾正。培訓操作員和工程師可在異常情況下做出反應，以減少潛在事故，提高操作員的流程知識和信心，實現安全、高效的工廠運營，增加生產天數，確保提高利潤和業務績效。

6 結束語

數字化虛擬調試平臺有助于更好地培訓新一代操作人員，減少操作員培訓系統的實現成本，通過使用仿真模型，確保了工程組態、調試、工廠運行階段的正常可靠，縮短上線時間，調試更加簡化安全，有利于優化工廠操作，也有利于工廠操作安全，優化生產能源消耗并減少廢物，創造更多的經濟價值。