1、SIMIT平臺的功能及優(yōu)點
①數(shù)字化虛擬調(diào)試平臺的優(yōu)點
SIMIT平臺融入了多年的仿真項目經(jīng)驗，內(nèi)置多種運算、邏輯和工藝組件，可實現(xiàn)方便、高效和快速的仿真設計；無須具備專業(yè)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(shù)據(jù)交換：PROFIBUS和PROFINET I/O用于現(xiàn)場總線仿真；PRODAVE用于與實際控制器通信；PLC SIM接口用于仿真控制器通信；通過OPC或共享存儲器進行數(shù)據(jù)交換，比如使用第三方軟件或設備。
②SIMIT平臺的優(yōu)點
采用數(shù)字化虛擬調(diào)試技術，主要優(yōu)勢如下：
◆調(diào)試速度更快
基于虛擬調(diào)試技術，可對工程組態(tài)進行早期測試。在現(xiàn)場調(diào)試之前，虛擬調(diào)試技術可檢測出幾乎所有設計錯誤和功能錯誤。因此，調(diào)試時間可減少約50%,確保系統(tǒng)及時甚至提前上線運行。
◆工程組態(tài)質(zhì)量更高
SIMIT的操作易用性，極大擴展了常規(guī)測試范圍。仿真可與工程組態(tài)設計同步進行，有效確保了工程組態(tài)質(zhì)量。在運營商與合作伙伴共同制定技術規(guī)格的過程中，虛擬調(diào)試的優(yōu)勢彰顯，有效避免了工程組態(tài)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。
◆成本更低
隨著重復性工程組態(tài)操作的減少和調(diào)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(xiàn)了工程組態(tài)“首次即正確”,確保了項目的順利實施。此外，虛擬調(diào)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(shù)字化新時代的一種新型實用的技術。
◆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(xiàn)場調(diào)試的固有風險。即使出現(xiàn)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(chǎn)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。
◆客戶收益
在現(xiàn)場調(diào)試之前就可以創(chuàng)建系統(tǒng)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(tǒng)響應，節(jié)省大量的時間和精力，將實際調(diào)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)安全、高效的工廠運營，增加生產(chǎn)天數(shù)，確保提高利潤和業(yè)務績效。
2、西門子數(shù)字化虛擬調(diào)試平臺(SIMTT)應用案例
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(shù)字化虛擬調(diào)試。首先在PCS7系統(tǒng)的工程師站中根據(jù)實際項目要求進行組態(tài)編程，然后使用SIMTT和系統(tǒng)工程師站聯(lián)用作虛擬調(diào)試，該工程師站就是后續(xù)現(xiàn)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(diào)試工具，可以幫助用戶又快又好地完成虛擬調(diào)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(diào)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(diào)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(lián)鎖，使用“快照”功能以后，就不必在每次打開項目虛擬調(diào)試時，都重復有多個聯(lián)鎖的開車步驟，在調(diào)試期間改動的各種參數(shù)，也都可以通過“快照”的方式保留在SIMIT的項目中，當調(diào)試全部結束以后，直接運行保存的“快照”就可以了。
SIMIT數(shù)字化虛擬化調(diào)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(nèi)容如下：通過現(xiàn)場調(diào)試前的虛擬調(diào)試，減少今后現(xiàn)場調(diào)試時間；通過定制開發(fā)，實現(xiàn)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(xiàn)場設備和信號：信號層級仿真了來自現(xiàn)場的各種輸入輸出信號；設備層級仿真了現(xiàn)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(lián)合塔等工藝裝置。
①信號層級的虛擬調(diào)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(shù)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(shù)字信號設置為“0”或“1”,通過設置DO信號測試開關閥，當和PC S7的工程師站聯(lián)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(xiàn)場常用的4~20mA模擬信號進入DCS之前，模擬信號會轉換成0~27648內(nèi)的數(shù)字，然后再被送入PC S7工程師站中，該范圍內(nèi)的數(shù)字信號則會在SIMTT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(shù)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(tài)，且只有當SIMIT正常運行以后，才能和PCS7工程師站關聯(lián)使用。
②SIMIT設備層級的調(diào)試
設備層級的仿真主要是仿真?zhèn)鞲衅?、?zhí)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(xiàn)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(xiàn)了從HMI—控制器—I/O卡件—執(zhí)行器/傳感器的閉環(huán)，可以進行設備層面的回路測試，完成聯(lián)鎖邏輯和順控邏輯的測試。無須借助硬件，提前排查組態(tài)程序中的問題，加快現(xiàn)場調(diào)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(diào)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(tài)下進行開、關操作，因為SIMIT與PCS7工程師站是聯(lián)用的，設備開關狀態(tài)的變化可以在相應工程師站的畫面上看見，非常簡單直觀。
③工藝層級的虛擬調(diào)試
工藝層級的仿真，比設備層級的仿真更深一層，實現(xiàn)了從HMI—控制器—IO卡件—執(zhí)行器/傳感器—工藝過程的閉環(huán)。通過仿真平臺可以進行虛擬調(diào)試，發(fā)現(xiàn)工藝或自控設計中的一些問題，減少物質(zhì)損失或人身傷害的風險。因此，通過工藝仿真，可以使調(diào)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(chǎn)效率。
該項目工藝層級的虛擬調(diào)試中，由于缺乏相關化學反應機理的數(shù)學模型，采用了同類化工裝置的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，通過SIMIT的FLOWNET庫、CHMICALBALC基本化工庫等內(nèi)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(shù)學仿真經(jīng)驗模型，其中工藝平衡點參考了同類工廠在正常的生產(chǎn)操作過程中的工藝參數(shù)，該平衡點真實地反映了該套生產(chǎn)裝置的實際工藝參數(shù)。該仿真模型雖然無法實現(xiàn)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(jīng)過調(diào)節(jié)工藝裝置數(shù)學模型中的各種參數(shù)，主要包括增益、積分時間以及PID控制回路參數(shù)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(xiàn)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(lián)使用時，數(shù)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(chǎn)操作完全一致，并且也可以建立趨勢組，調(diào)整PID參數(shù)等。
在該項目的數(shù)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(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，在數(shù)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(shù)學模型積分清零。
3、虛擬調(diào)試中的注意事項及存在問題
根據(jù)該項目調(diào)試階段的具體情況，在工藝層級虛擬調(diào)試時，最好在PC S7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(shù)學仿真模型中各個組件及參數(shù)的影響，同時受PCS 7工程師站中控制程序和PID參數(shù)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(diào)試沒有達到平衡狀態(tài)，則可能與之相關的其他回路也無法調(diào)試好，所以在工程師站工藝裝置總圖畫面中，統(tǒng)一調(diào)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(chǎn)單元的各個生產(chǎn)裝置，互相之間都有或多或少的影響，比如在聯(lián)合塔中，一旦聯(lián)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(diào)試，不能僅僅考慮單一的生產(chǎn)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(nèi)部的機理數(shù)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(diào)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(xiàn)具體項目中多樣性的要求。
