[发明专利]改善的分布式工业过程仿真系统

说明书

技术领域

本文呈现的发明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。 

背景技术

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。