一種工業過程控制系統的測試裝置及測試方法與流程

2023-04-23 01:02:40 1

技術領域：

本發明屬於自動控制設備技術領域，具體涉及一種工業過程控制系統的測試裝置及測試方法。

背景技術：
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各種控制技術應用非常廣泛，從航天、高鐵列車、電廠、石化、生活居住無處不在，有一種控制領域我們常常稱作過程控制，其主要特徵是被控對象有物質交換、進行質量和能量的轉移，如製藥廠、石化廠的反應釜，它在工作時，其內部可能既有物理變化又有化學變化，反應釜內的溫度、壓力、液位等參數在不停地變化；再如常規熱電廠的發電過程由蒸汽鍋爐產生蒸汽，蒸汽輸出推動汽輪機帶發電機發電，而做功後的蒸汽又被冷凝成水，再被鍋爐加熱成蒸汽再次推動汽輪機，形成了物質的物理狀態往復變換、物質的轉移循環；通過介質水將燃料的化學能轉變成電能，實現了能量的搬運。這些物理或化學過程的自動控制，被人們習慣地稱作工業過程控制。

作為實現工業過程控制的過程控制系統，一般是由控制臺、控制機櫃、現場的傳感器、變送器、調節閥及其執行器等硬體設備組成，其核心部分為控制器，一般布置在控制機櫃或控制臺中，同時整個控制系統會有一套監控軟體協調整個控制系統的運行，實現工業過程按預期的工藝流程運轉。

過程控制的控制對象往往是由一系列的壓力容器罐體設備組成，靠各種管路將它們有機地、按照工作關係連接起來，管道上配置各種調節閥；調節閥由電動、氣動或液動執行器直接驅動控制，閥門的開度大小最終是由過程控制系統中的控制器程序控制，使被控制對象過程系統有序地按照預期的要求進行物質與能量的轉移。

而過程控制系統本身從整體構成上講，它主要由兩部分設備組構成，一部分為放置於控制室或控制設備間的設備，如控制臺、控制機櫃，過程控制系統的核心設備控制器就置於控制機櫃或控制臺中，控制臺面板上會布置顯示儀表、用於指示操控之目的計算機和操縱按鈕開關等操控或指示元件。另一部分為安裝於現場與被控對象設備處於同一場所的傳感器、變送器和調節閥執行器等現場設備，這些設備通常是具體安裝在相關的被控對象設備的機體上或附屬管道上。在這類過程控制系統中，調節閥及其執行器設備的使用佔比很大。

當一套新的過程控制系統樣機研製出來後，應首先在靜態條件下，對控制系統自身的軟硬體進行調試，確認控制系統自身的硬體信號關係傳遞正確，軟體控制邏輯正確，符合設計預期。在確認過程控制系統於靜態下測試沒有問題後，也希望能以某種方式在試驗室環境下，對過程控制系統的動態特性進行調試和測試，以降低過程控制系統在首次應用於實際工業過程控制可能存在的風險，同時可縮短在實際應用現場的調試時間，能達到降低項目成本之目的。

只有通過動態測試，才可檢測確認控制程序是否合理可行。實際上，現在一般的新研的過程控制系統，都是在首套系統加工好後，在試驗室或製造廠進行簡單的靜態調試，然後直接安裝在應用現場，再進行現場的靜態調試，然後在現場直接作用於被控對象進行動態調試，往往是邊摸索被控對象的工作規律邊調試，這樣勢必加大項目的現場調試時間，增加項目成本，且存在一定的技術風險

目前，對於新研的重要的過程控制系統的監控軟體在實際應用之前，工程監管方往往向工程項目實施方提出進行「軟體第三方測試」要求，由具有軟體認證資格的企業測試合格後方可用於實際系統。但由於過程控制系統的軟體運行特點與通常意義上的軟體系統的運行有很大的不同，在實踐中很少見到有誰對這樣的監控軟體進行第三方測試，存在著監管盲區。具體原因是：象通常意義上的軟體系統，如資料庫軟體系統，通常組成個計算機網絡環境就可實現整個軟體系統的功能與性能的測試。而過程控制系統的監控軟體的運行嚴重依賴於構成控制系統的硬體環境和被控對象過程系統的實際運行，為了實現「軟體第三方測試」這一行為，總不至於造一套能實際工作運行的過程系統。

新研的過程監控系統軟體在實際應用之前，可能存在這樣或那樣的潛在問題，且設計者無法意識到，從而去消除；只能在實際應用時去發現和解決，導致的後果就是：項目的後期調試工作量過大、調試周期長，項目的技術風險加大，上級管理機關或工程監管方對項目的能否可靠按期完成心存疑慮。

即使經過使用已定型的過程控制系統，一套新製造的同樣的過程控制系統，出廠時也應進行出廠檢驗。在進行出廠檢驗時，如測試檢測手段豐富齊全，檢測點深入覆蓋面廣，留到現場的問題就會少；反之，測試檢測手段有限單一，留到現場問題就可能多，現場調試時間會較長。

技術實現要素：
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為了能實現新研製的過程控制系統的監控軟體及其硬體在實際應用之前，能在合理成本控制下，對其功能與性能進行全面有效的測試檢查，發現問題消除缺陷，尤其是能對其監控軟體開展有效的「軟體第三方測試」；並且可對企業定型生產的過程控制系統的成套設備進行有效的出廠檢驗。即對新研或定型製造的過程控制系統的軟硬體質量狀態進行有效的檢查評估，本發明提出了「過程控制系統測試裝置」這一產品概念，該裝置不僅能靜態地測試過程控制系統的軟硬體，還能動態地測試過程控制系統的軟體，使得卓有成效地開展過程控制系統的「軟體第三方測試」成為可能。

本發明採用的技術方案為：一種工業過程控制系統的測試裝置，主要由調節閥執行器增強型模擬器和仿真計算機構成，調節閥執行器增強型模擬器一方面要用電路模擬調節閥執行器的動作過程，對應地動態改變和記憶一個虛擬的調節閥的閥位值，還要用電路模擬過程控制系統中參數監測用的信號變送器、傳感器的信號變化；仿真計算機用於仿真過程控制系統的控制對象（即工業設備或稱過程裝置）的運轉過程，按照設備的工作數學模型仿真其工作過程，被仿真設備的狀態參數會在計算機上不斷變化。仿真計算機與調節閥執行器增強型模擬器通過總線網絡或乙太網絡聯網工作，在網絡中仿真計算機為主站，調節閥執行器增強型模擬器為從站。仿真計算機從調節閥執行器增強型模擬器接收模擬的閥位信號，根據閥位信號的變化和其它相關信息計算出被仿真設備的新的運轉狀態，並將其新的狀態參數回送給調節閥執行器增強型模擬器，作為其改變模擬的變送器/傳感器輸出信號大小的依據。

所述調節閥執行器增強型模擬器通過自身的調節閥執行器接口與控制系統中的控制機櫃、或控制臺、或控制箱中對應的執行器輸入輸出端子相連接，接收過程控制系統中控制器發出的執行器控制電流信號或是控制臺發出的開閥、關閥和切換閥位控制方式的開關量信號，同時將模擬器模擬的執行器工作狀態，主要是虛擬的閥位值和模擬的故障狀態信號反饋給控制器。

所述調節閥執行器增強型模擬器的執行器接口具體有1個「開大閥位」開關量輸入信號、1個「關小閥位」開關量輸入信號、1個「閥位大小控制」模擬量輸入信號、1個「閥位大小反饋」模擬量輸出信號、1個閥位「用開關量信號控制/用模擬量信號控制選擇」開關量輸入信號、1個「故障狀態」開關量輸出信號、1個24v直流電源輸出。

所述調節閥執行器增強型模擬器配有液晶或led顯示組件，一方面可顯示其輸入的閥位模擬量控制信號的大小，另一方面又可實時顯示模擬的當時實際閥位開度；模擬器外殼上設有一個開關，當開關處於關或開時模擬器發出執行器有故障信號，而當開關處於開或關時表示執行器處於正常工作狀態，不發出故障信號。

所述調節閥執行器增強型模擬器通過自身的信號變送器、傳感器模擬輸出接口與控制系統中的控制機櫃、或控制臺、或控制箱中對應的輸入端子相連接，將來自仿真計算機仿真的工業設備運轉過程的數位化動態參數，用電路變成模擬量信號，反饋給過程控制系統中的控制器。

所述調節閥執行器增強型模擬器設有兩線制4ma～20ma信號輸出接口，用於模擬信號變送器輸出信號（如壓力、壓差、溫度、流量等參數）；設有mv信號輸出接口用於直接模擬熱電偶溫度信號；設有可變電阻輸出接口用於直接模擬熱電阻溫度信號；設有頻率信號輸出接口用於模擬轉速信號；一臺增強型執行器模擬器可以設有多種信號源輸出接口，也可只設有一種信號源輸出接口。

一種工業過程控制系統的測試裝置所採用的測試方法為：被測試的過程控制系統按照其正常的工作方式將調節控制輸出(即閥位控制信號)以開關量信號或電流信號形式發送給調節閥執行器增強型模擬器，模擬器接收閥位控制信號後，如是電流控制信號，首先改變模擬器上的液晶或led顯示組件上顯示的閥位控制信號的大小與接收值一致，如是開關量信號，用模擬器上對應的發光二極體進行指示，然後根據預設的閥門開大或關小的動作速度，增加或減小虛擬的閥位值，並改變閥位反饋輸出信號與虛擬的閥位值一致，即將新的虛擬閥位值回送被測試的控制系統；仿真計算機以一定的間隔周期通過網絡接口訪問調節閥執行器增強型模擬器，將其仿真計算出的過程裝置的運行參數如壓力、溫度、轉速的最新值送給模擬器，並取回最新的虛擬的閥位值。

所述調節閥執行器增強型模擬器從仿真計算機接收到過程裝置的最新仿真運行參數值後，根據其參數的類別相應地改變範圍為4～20ma的變送器接口信號的輸出值，或是熱電偶溫度接口信號的輸出值，或是熱電阻溫度接口信號的輸出值，或是轉速頻率接口信號的輸出值，使它們與從仿真計算機接收的仿真運行參數的最新值相一致。

在仿真計算機上配置調節閥執行器增強型模擬器設置程序，用該程序通過網絡接口為系統中的每臺模擬器設置模擬器中虛擬調節閥動作的速度值，設定後該值被保存在模擬器中的非易失存儲器中。

本發明的有益效果：本測試裝置能在有效的成本控制下，不僅能實現重要的工業過程控制系統新研製的樣機裝備軟硬體的有效確認測試，尤其是能有效地開展過程控制系統「控制軟體的第三方測試」工作；還能用於後續製造的過程控制系統實際裝備的有效出廠檢驗。

附圖說明：

圖1是本發明的結構原理示意圖。

圖2是本發明中調節閥執行器增強型模擬器的接口示意圖。

圖3是本發明的工作原理示意圖。

具體實施方式：

參照圖1，點畫線左側部分為一般的過程控制系統中通常布置在控制室端的設備，主要是控制臺和控制機櫃，控制臺內部和顯示操控面板再布置操控指示計算機、顯示器、設備運行狀態指示燈、報警光字牌、操控按鈕和接線端子等元件；控制機櫃再布置控制器及其i/o模件、信號轉換元件和接線端子等元件；控制臺中的操控指示計算機與控制機櫃中的控制器一般是用系統內部的乙太網絡進行連接，實現數據交換；而控制臺與控制機櫃間其它信號的連接一般是用控制線纜進行連接；機櫃中的控制器運行過程控制應用軟體，而控制臺上操控指示計算機運行人機界面應用軟體用於進行操控和指示。以上這些設備總成加之運行其上的應用軟體就構成了過程控制系統的半成品，因為它還未連接與被監控的過程裝置或設備布置在一起的變送器、傳感器和執行機構等元件，形成真正意義上的過程控制系統。這個過程控制系統的半成品需事先在工廠製造、調試和測試，確信沒問題檢驗合格後，才在應用現場進行安裝和實際調試應用。對於較小的過程控制系統，可能不設控制機櫃，而是將控制機櫃的功能也在控制臺內實現。

參照圖1，點畫線右側為本發明用於測試過程控制系統的測試裝置，它由調節閥執行器增強型模擬器和仿真計算構成。調節閥執行器增強型模擬器一方面要用電路模擬調節閥執行器的動作過程，對應地動態改變和記憶一個虛擬的調節閥的閥位值，還要用電路模擬過程控制系統中參數監測用的信號變送器、傳感器的信號變化；仿真計算機用於仿真過程控制系統的控制對象（即工業設備或稱過程裝置）的運轉過程，按照設備的工作數學模型仿真其工作過程，被仿真設備的狀態參數會在計算機上不斷變化。

即用調節閥執行器增強型模擬器具有的調節閥執行器接口功能和信號變送器、傳感器接口功能代替布置於工業過程現場的真實的調節閥執行器和真實的信號變送器、傳感器的接口功能，再用仿真計算機仿真工業過程設備的實際運轉，對在工廠製造出來的過程控制系統的半成品的軟硬體功能和性能在其應用之前進行測試和調試。

在對某一過程控制系統進行實際測試時，可根據該過程控制系統實際調節控制迴路的多少配置調節閥執行器增強型模擬器的數量。

仿真計算機與調節閥執行器增強型模擬器通過總線網絡或乙太網絡聯網工作，在網絡中仿真計算機為主站，調節閥執行器增強型模擬器為從站。

圖2所示為一臺調節閥執行器增強型模擬器的接口圖，它應具有現有調節閥執行器的接口功能和信號變送器、傳感器的接口功能，以實現這些元件功能的工作邏輯仿真，以便能用於過程控制系統的測試。首先要按照真實的一臺調節閥執行器的外部接口功能，用電路加單片機或加其它型式的計算機晶片方式，模擬調節閥執行器與控制系統中控制器間的相互作用信號接口，當它被連接到過程控制系統中機櫃或控制臺的端子上工作時，控制端的控制軟體或人員操控時，感覺上會是一個真實的調節閥執行器在工作。同時，一臺調節閥執行器增強型模擬器要用電路模擬仿真幾路用於過程變量監測的信號變送器/傳感器的外部接口。

調節閥執行器增強型模擬器通過自身的調節閥執行器接口與控制系統中的控制機櫃、或控制臺、或控制箱中對應的執行器輸入輸出端子相連接，接收過程控制系統中控制器發出的執行器控制電流信號或是控制臺發出的開閥、關閥和切換閥位控制方式的開關量信號，同時將模擬器模擬的執行器工作狀態，主要是虛擬的閥位值和模擬的故障狀態信號反饋給過程控制系統的控制器。

參見圖2，調節閥執行器增強型模擬器的執行器接口設有有1個「開大閥位」開關量輸入信號、1個「關小閥位」開關量輸入信號、1個「閥位大小控制」模擬量輸入信號、1個「閥位大小反饋」模擬量輸出信號、1個閥位「用開關量信號控制/用模擬量信號控制選擇」開關量輸入信號、1個「故障狀態」開關量輸出信號、1個24v直流電源輸出。

調節閥執行器增強型模擬器配有兩組液晶或led顯示組件，一組用於顯示其輸入的閥位模擬量控制信號的大小，另一組用於實時顯示模擬的當時實際閥位開度；也可只配置一組液晶或led顯示組件，再配置一個切換開關，用開關切換方式，在一組顯示組件上分別顯示輸入的閥位模擬量控制信號的大小和模擬的當時實際閥位開度；模擬器外殼上設有一個雙刀開關，當開關處於關或開時模擬器發出執行器有故障信號，而當開關處於開或關時表示執行器處於正常工作狀態，不發出故障信號，同時也將該信號狀態送給模擬器中的cpu。在模擬器上設置3隻發光二極體指示燈，分別用於指示模擬器收到開閥、關閥信號和當前閥位控制方式的選擇狀態。

調節閥執行器增強型模擬器通過自身的信號變送器、傳感器模擬輸出接口與控制系統中的控制機櫃、或控制臺、或控制箱中對應的輸入端子相連接，將來自仿真計算機仿真的工業設備運轉過程的數位化動態參數，用電路變成模擬量信號，反饋給過程控制系統中的控制器。

參照圖2，調節閥執行器增強型模擬器設有兩線制4ma～20ma信號輸出接口，用於模擬信號變送器輸出信號（如壓力、壓差、溫度、流量等參數）；設有mv信號輸出接口用於直接模擬熱電偶溫度信號；設有可變電阻輸出接口用於直接模擬熱電阻溫度信號；設有頻率信號輸出接口用於模擬轉速信號，以方波或正弦波形式輸出；一臺增強型執行器模擬器可以設有多種信號源輸出接口，也可只設有一種信號源輸出接口。

參照圖2，在本實施例中，熱電偶溫度信號輸出接口的mv數範圍為0～50mv，可模擬0℃～1100℃的設備工作溫度範圍；熱電阻溫度信號輸出接口的電阻值範圍為91ω～220ω，可模擬-23℃～322℃的設備工作溫度範圍；頻率信號輸出接口的頻率範圍為0～24khz，如果在實際過程系統中，與磁電式轉速傳感器配套工作安裝於設備轉軸上的齒盤的齒數為120個，那麼該頻率範圍可模擬0～12000rpm的設備工作轉速範圍。

如圖2所示，在本實施例中，調節閥執行器增強型模擬器配置485總線接口與上位仿真計算機進行通訊交換數據。仿真計算機從調節閥執行器增強型模擬器接收模擬的閥位信號，根據閥位信號的變化和其它相關信息計算出被仿真設備的新的運轉狀態，並將其新的狀態參數回送給調節閥執行器增強型模擬器，作為其改變模擬的變送器/傳感器輸出信號大小的依據。

參照圖3，畫出了某一過程控制系統的一部分，即實現監控鍋爐運行狀態的部分和對其進行測試的測試裝置的組成，用於說明本發明測試裝置的測試方法。

鍋爐運行過程的主要狀態參數有鍋筒汽包壓力p、過熱蒸汽溫度t和鍋筒汽包水位h，相應地過程控制系統至少設有鍋筒汽包壓力和鍋筒汽包水位兩個調節迴路，在實際的控制系統中為了實現鍋筒汽包壓力和鍋筒水位的調節需配置兩臺調節閥，每臺調節閥由與其安裝於一體的執行器直接驅動和控制，另外需配置鍋筒汽包壓力監測變送器、鍋筒汽包水位壓差監測變送器和過熱蒸汽溫度監測熱電偶傳感器。

過程控制系統的鍋爐控制部分主要由鍋爐控制機櫃、鍋爐控制臺及其布置於臺或櫃內部或表面上的控制器及其i/o模件、操控指示計算機、按鈕開關、接線端子等元件構成。

為了驗證已設計製造出的過程控制系統的鍋爐監控功能的軟硬體設計正確，滿足實際需要，需要對其進行測試和調試，為此選用兩臺調節閥執行器增強型模擬器，再加一臺仿真計算機構成一個測試裝置對鍋爐監控功能的軟硬體設計實現進行測試。其中模擬器與仿真計算機組成一個485總線網絡在一起協同工作，其中仿真計算機為主站，而兩臺模擬器為從站。其中一臺模擬器模擬仿真燃油流量調節閥執行器的動作過程，並用其接口電路模擬仿真鍋筒汽包壓力監測變送器的輸出信號和過熱蒸汽溫度熱電偶的輸出信號，另一臺模擬器模擬仿真鍋筒汽包水位調節閥執行器的動作過程，並用其接口電路仿真鍋筒汽包水位監測變送器的輸出信號。

參照圖3，測試用的兩臺調節閥執行器增強型模擬器，象真實的調節閥執行器和變送器、傳感器一樣，其輸入輸出接口與鍋爐控制臺、控制機櫃中對應的信號端子進行實際連接，仿真計算機仿真鍋爐的實際運行過程，鍋爐控制臺與控制機櫃通電，使安裝其上的控制器和操控指示計算機中的應用軟體運行，測試觀察相關的軟硬體功能運行是否正確，性能是否滿足要求。

參照圖3，對調節閥執行器的開閥、關閥、閥位控制方式選擇信號均是由鍋爐控制臺上的開關按鈕發出的，鍋爐控制臺也接收來自調節閥執行器的直流24v電源，該直流電源為上述的3個開關量信號提供電源激勵；其它的調節閥執行器信號和變送器、傳感器信號均接到鍋爐控制機櫃的接線端子上。

當仿真計算機仿真的鍋爐運行狀態達到能量與質量輸入輸出平衡時，運行參數會維持在一個穩定的工作狀態。此時當需要提高鍋筒汽包工作壓力時，被測試的過程控制系統就會由控制機櫃中的控制器發出被增大的模擬量閥位控制電流信號給燃油流量調節閥執行器增強型模擬器，或是通過控制臺上的按鈕由人工向燃油流量調節閥執行器增強型模擬器發出開大閥門開關量信號，兩種閥位控制方式的選擇是由控制臺上的控制方式選擇開關進行切換實現的，切換時由人工從控制臺將開關量電平信號發到模擬器。模擬器按照當前閥位控制方式的選擇狀態，根據相應的控制信號實現虛擬的閥位值增大或減小的控制，兩種閥位控制信號不同時起作用。

當燃油流量調節閥執行器增強型模擬器接收到開大閥門信號或具體的控制閥位值時，會根據預設的閥門開大的動作速度，逐步增加虛擬的燃油流量調節閥的閥位值，並改變燃油流量調節閥閥位反饋輸出信號與虛擬的閥位值一致，即將新的虛擬閥位值回送被測試的過程控制系統；仿真計算機以一定的間隔周期通過485總線訪問調節閥執行器增強型模擬器，當它從燃油流量調節閥執行器增強型模擬器取回最新的虛擬的閥位值，首先對虛擬的閥位值進行顯示，並根據最新的燃油流量調節閥的閥位值和其它有關參數計算出最新的鍋筒汽包壓力、鍋筒汽包水位和過熱蒸汽溫度參數值，此時鍋筒汽包壓力、過熱蒸汽溫度參數值應增大，而鍋筒汽包水位應減小，仿真機會在下一個對模擬器的訪問周期，將鍋筒汽包壓力和過熱蒸汽溫度參數的最新值回送給燃油流量調節閥執行器增強型模擬器，將鍋筒汽包水位參數的最新值回送給鍋筒水位調節閥執行器增強型模擬器。

對應地，燃油流量調節閥執行器增強型模擬器會根據從仿真機接收的鍋筒汽包壓力參數的最新值改變4～20ma的變送器接口信號的輸出值，會根據從仿真機接收的過熱蒸汽參數的最新值改變熱電偶溫度接口信號的輸出值；鍋筒水位調節閥執行器增強型模擬器會根據從仿真機接收的鍋筒汽包水位參數的最新值改變4～20ma的變送器接口信號的輸出值。

鍋爐控制機櫃中的控制器收到鍋筒汽包水位減小的信號後，其控制軟體應向鍋筒水位調節閥執行器增強型模擬器發出增大水位調節閥閥位的控制信號。如此一來就會實現一個動態的周而復始的控制與被控制的循環往復過程。

利用在仿真計算機上配置的調節閥執行器增強型模擬器設置程序，通過485總線接口為系統中的每臺模擬器設置模擬器中虛擬調節閥動作的速度值，設定後該值被保存在模擬器中的非易失存儲器中，根據被模擬仿真的調節閥的實際動作速度值進行設置。

還可在仿真機的仿真程序中設置靜態調試功能，即設置在仿真機的人機互動界面上對仿真的運行參數進行強置值功能，並將此值也送到調節閥執行器增強型模擬器，模擬器再相應地改變其仿真的信號變送器或傳感器接口的輸出值，達到靜態測試或調試過程控制系統之目的。

綜上所述，以這種方式就實現了對過程控制系統中鍋爐控制部分軟硬體功能與性能的測試。