[发明专利]分布式工业过程仿真系统中实时求解压强流动参数的方法

说明书

技术领域

本发明大体涉及仿真发电厂、工业制造工厂、炼油厂和其他过程工厂的操作，尤其涉及一种在分布式过程网络仿真系统中，用于实时求解压强/流动参数的系统和方法。

背景技术

分布式过程控制系统，像那些在发电、化学品制造、石油加工、工业制造或其他类型的工厂中典型用到的系统，典型地包括一个或多个控制器，控制器通过模拟总线、数字总线、组合的模拟/数字总线或无线总线通信耦合至多个现场设备。现场设备，其可以是，例如阀、阀定位器、开关、变送器(譬如温度、压强、液位和流速传感器)，燃烧器、热交换机、熔炉等，它们位于工厂环境内，并响应控制器产生并发送的控制信号，以执行过程功能，譬如打开或关闭阀门，测量过程参数等。智能现场设备，譬如符合任何公知的现场总线协议的现场设备，也可以执行控制计算、报警的功能以及其他的往往在工厂控制器内部实现，或由工厂控制器实现的功能。工厂控制器，其典型地位于工厂环境内，接收由现场设备发出的指示过程测量的信号和/或其他关于现场设备的信息，并执行一个控制应用，该控制应用执行不同的控制模块，该些控制模块基于收到的信息产生过程控制决策、生成过程控制信号，并配合在现场设备中执行的控制模块或快，譬如和现场总线的现场设备。控制器内的控制模块通过通信线路或网络发送过程控制信号至现场设备，以控制过程操作。

来自现场设备和控制器的信息经常通过高速数据通路提供给一个或多个其他计算机设备，譬如操作员工作站、个人电脑、数据历史记录、报告生成器、集中式数据库等等，典型地，它们被设在控制室或其他远离恶劣的工厂环境的地方。这些计算机设备也可以运行应用，例如，该些应用可以使操作员能够执行关于过程的功能，譬如改变过程控制例程的设置、修改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警报，保持并更新配置数据库等等。

作为一个例子，由艾默生过程控制公司销售的控制系统包括多个应用，该些多个应用由位于过程工厂不同地方的不同设备存储并执行。位于一个或多个操作员工作站的配置应用使用户能够创建或改变过程控制模块，并通过高速数据通路下载这些过程控制模块至专用的分布式控制器。典型的，这些控制模块由内部通信连接的功能块组成，这些功能块是面向对象编程协议中的对象，根据输入执行在控制方式内的功能，并提供输出至控制方式的其他功能块。配置应用也可以允许设计者创建或改变操作员界面，该操作界面被查看应用使用，以向操作员显示数据，并使操作员能够改变在过程控制例程内的设置，譬如设定点。每个专用的控制器，以及某些情况下的现场设备，存储并执行控制器应用，该控制器应用运行指定并下载至该控制器应用的控制模块，以实施实际的过程控制功能。查看应用可以在一个或多个操作员工作站上运行，通过高速数据通路接收来自控制器应用的数据，并将这数据显示给过程控制系统设计者、操作员、或正在使用用户界面的用户。数据历史记录典型地在数据历史记录设备中存储并执行，存储数据历史记录设备搜集并存储一部分或全部的通过数据高速通路提供的数据，同时，配置数据库应用可以在一个连接到数据高速通路的更远的计算机执行，从而存储当前的过程控制例程配置和与该例程配置相关的数据。可选地，该配置数据库可以和配置应用位于同一个工作站中。

在很多的工业中，实施用于仿真工厂(包括在工厂内相连的不同的工厂设备和控制网络)的操作的系统是很值得的。这样的仿真系统可以用来测试工厂的操作，以响应新的或不同的控制变量，譬如设定点，从而测试新的控制例程，执行最优化，执行训练活动等等。结果，很多不同种类的工厂仿真系统已被提出并使用在过程工厂中。但是，由于实施的复杂的过程，工厂内不断变化的条件，包括工厂内的设备随着时间的磨损和无法解释的干扰变量的出现，只有最复杂的仿真系统才能够执行高保真的过程工厂的仿真。

当对商业的工业过程设备进行仿真时，常见并公知的是用第一原理物理法则或者方程去实施仿真模型。在这种情况下，开发复杂的第一原理方程集以仿真不同的工厂设备，而且在任何特定的仿真周期中，仿真器同时处理全部或大部分的模型方程。牛顿-拉普森法 (Newton-Raphson)是关于仿真技术很出名的例子，它同时处理多个第一原理方程，以进行仿真。实际上，在很多情况下，这种解决机制的方程类型被认为是高保真度仿真的一个要求。然而，这种仿真方法的主要缺点是物理模型复杂并且计算量很大，尤其是当仿真的系统是高度非线性和交互的适合。结果就是，这些仿真系统必须使用集中的非线性方程求解程序来进行仿真，以便能够同时解决所有的耦合非线性方程。不幸的是，这种技术经常很慢，计算效率很低，而且数值也不可靠。