本發(fā)明涉及一種管道仿真領(lǐng)域，特別涉及一種具有實時物理信號輸入輸出功能，并按管道系統(tǒng)站點分別設(shè)置信號接口與操作界面的管道仿真模擬系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，液體管道仿真系統(tǒng)及方法主要采用兩種方法實現(xiàn)。一種是依據(jù)相似理論構(gòu)建管道及相關(guān)設(shè)備的實體模型，通過真實的物理實驗模擬管道的各種動態(tài)過程，得到相關(guān)的流量、壓力信號。這種方法涉及的管道及相關(guān)設(shè)備的建設(shè)及維護費用較高，設(shè)備的占地面積較大，而且由于管道、設(shè)備及實驗流體性質(zhì)的局限性，仿真系統(tǒng)能夠有效模擬的實際工況范圍受到很大限制。另一種是使用管道系統(tǒng)的數(shù)學模型，通過仿真程序?qū)崿F(xiàn)對管道系統(tǒng)各種工況的仿真，這種方法不需要真實的管道、流體及相關(guān)設(shè)備，可以在較大范圍內(nèi)設(shè)置各種相關(guān)性能參數(shù)，靈活性強，適用范圍寬，但是這種方法缺少有效的物理信號接口，其仿真結(jié)果以數(shù)字信號的形式存儲于仿真計算機，在仿真過程中也不能接收物理信號輸入。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種管道仿真模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅靈活性強，適用范圍寬，而且設(shè)置了與虛擬管道系統(tǒng)站點相對應的仿真操作單元，每各操作單元都配有實時物理信號接口及操作界面，具有參數(shù)設(shè)置功能、實時曲線顯示功能、模擬站點手動操作功能、實時物理信號輸入輸出功能，能夠模擬壓力、流量測量儀表輸出仿真系統(tǒng)的實時壓力、流量信號，并能接收真實的控制信號。

本發(fā)明提到的一種管道仿真模擬系統(tǒng)，包括虛擬管道系統(tǒng)和仿真操作系統(tǒng)，所述的虛擬管道系統(tǒng)由管道（1）、首站（2）、中間站（3）及末站（4）構(gòu)成，首站（2）的設(shè)備包括首站儲罐（5）、首站離心泵（6）及首站調(diào)節(jié)閥（7），首站調(diào)節(jié)閥（7）的出口設(shè)有首站出站信號檢測點（8），中間站（3）的設(shè)備包括中間站離心泵（11）、中間站閥門A（10）、中間站閥門B（12）及中間站閥門C（13），中間站（3）的兩端分別安裝中間站進站信號檢測點（9）和中間站出站信號檢測點（14），開啟中間站閥門A（10）及中間站閥門B（12），關(guān)閉中間站閥門C（13），可通過中間站離心泵（11）增壓；關(guān)閉中間站閥門A（10）及中間站閥門B（12），開啟中間站閥門C（13），可實現(xiàn)壓力越站；末站（4）的設(shè)備包括末站閥門（16）及末站儲罐（17），末站（4）的進站口設(shè)有末站進站信號檢測點（15）；

所述的仿真操作系統(tǒng)包括一臺PC機（18）、若干臺PLC與觸摸屏、路由器（19）、網(wǎng)線（20）及串口線（21）構(gòu)成，PLC與觸摸屏通過串口線相連構(gòu)成仿真操作單元， PC機（18）通過局域網(wǎng)絡(luò)與各個仿真操作單元相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，PC機（18）運行管道仿真程序，計算虛擬管道系統(tǒng)的壓力、流量值；虛擬管道系統(tǒng)的首站（2）、中間站（3）及末站（4）分別對應一個仿真操作單元，在仿真過程中，通過特征線仿真算法計算首站出站信號檢測點（8）、中間站進站信號檢測點（9）、中間站出站信號檢測點（14）及末站進站信號檢測點（15）處的壓力與流量值。

優(yōu)選的，本發(fā)明的仿真操作單元包括首站PLC（22）和首站觸摸屏（23）組成的首站仿真操作單元，中間站PLC（24）、中間站觸摸屏（25）組成的中間站仿真操作單元，末站PLC（26）、末站觸摸屏（27）組成的末站仿真操作單元。

優(yōu)選的，本發(fā)明的首站PLC（22）、首站觸摸屏（23）與虛擬管道系統(tǒng)的首站（2）相對應，其中，首站PLC（22）接收首站出站信號檢測點（8）壓力、流量仿真信號并通過信號輸出端口輸出實時物理信號，同時，通過信號輸入端口可輸入首站離心泵（6）轉(zhuǎn)速控制信號及首站調(diào)節(jié)閥（7）開度控制信號；首站觸摸屏（23）可顯示首站出站壓力、流量信號的實時曲線，設(shè)置首站儲罐（5）的液位高度、首站離心泵（6）H-Q特性曲線的回歸系數(shù)，首站調(diào)節(jié)閥（7）的阻力系數(shù)參數(shù)，并能在線手動調(diào)整首站調(diào)節(jié)閥（7）的開度。

優(yōu)選的，本發(fā)明的中間站PLC（24）、中間站觸摸屏（25）與虛擬管道系統(tǒng)的中間站（3）相對應，其中，中間站PLC（24）接收中間進站信號檢測點（9）及中間站出站信號檢測點（14）的壓力、流量仿真信號，并通過信號輸出端口輸出實時物理信號，同時，通過信號輸入端口可輸入中間站離心泵（11）轉(zhuǎn)速控制信號；中間站觸摸屏（25）可顯示中間站進出站壓力、流量信號的實時曲線，設(shè)置中間站離心泵（11）H-Q特性曲線的回歸系數(shù)，中間站各閥門的阻力系數(shù)等參數(shù)，并能在線手動開啟或關(guān)閉中間站各閥門。

優(yōu)選的，本發(fā)明的末站PLC（26）、末站觸摸屏（27）與虛擬管道系統(tǒng)的末站（4）相對應，其中末站PLC（26）接收末站進站信號檢測點（15）的壓力、流量仿真信號并通過信號輸出端口輸出實時物理信號；末站觸摸屏（27）可顯示末站進站壓力、流量信號的實時曲線，設(shè)置末站儲罐（17）液位高度，末站閥門（16）的阻力系數(shù)等參數(shù)，并能在線調(diào)整末站閥門（16）開度。

本發(fā)明的有益效果是：

1、該仿真系統(tǒng)具有實時物理信號輸入輸出功能；輸出信號可模擬壓力、流量測量儀表的標準信號形式，輸入信號可模擬各種控制輸入在線改變仿真工況。因此，有效擴展了傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)的功能，不僅可以仿真管道系統(tǒng)的工作過程，而且可與各種管道自動化系統(tǒng)直接相連，為相關(guān)軟件、硬件系統(tǒng)提供測試平臺；

2、該仿真系統(tǒng)采用與真實管道系統(tǒng)相一致的構(gòu)成形式。對應每一個虛擬站點分別配置相應的操作單元，與各站點相關(guān)的信號輸入輸出、參數(shù)設(shè)置、信號曲線顯示、模擬站內(nèi)手動操作等功能分別由對應操作單元中的PLC與觸摸屏實現(xiàn)，因此，該仿真系統(tǒng)操作直觀、簡單，仿真效果更加逼真；

3、該仿真系統(tǒng)采用PC機、PLC及觸摸屏等工業(yè)自動化常用設(shè)備，具有性價比高、擴展性強易于維護等優(yōu)點。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明的虛擬管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2是本發(fā)明實施例的系統(tǒng)構(gòu)成圖；

附圖3是本發(fā)明實施例的仿真過程圖；

上圖中：管道（1）、首站（2）、中間站（3）、末站（4）、首站儲罐（5）、首站離心泵（6）、首站調(diào)節(jié)閥（7）、首站出站信號檢測點（8）、中間站進站信號檢測點（9）、中間站閥門A（10）、中間站離心泵（11）、中間站閥門B（12）、中間站閥門C（13）、中間站出站信號檢測點（14）、末站進站信號檢測點（15）、末站閥門（16）、末站儲罐（17）、 PC機（18）、路由器（19）、網(wǎng)線（20）、串口線（21）、首站PLC（22）、首站觸摸屏（23）、中間站PLC（24）、中間站觸摸屏（25）、末站PLC（26）、末站觸摸屏（27）。

具體實施方式

本發(fā)明提到的一種管道仿真模擬系統(tǒng)，包括虛擬管道系統(tǒng)和仿真操作系統(tǒng)，結(jié)合附圖1，所述的虛擬管道系統(tǒng)由管道（1）、首站（2）、中間站（3）及末站（4）構(gòu)成，首站（2）的設(shè)備包括首站儲罐（5）、首站離心泵（6）及首站調(diào)節(jié)閥（7），首站調(diào)節(jié)閥（7）的出口設(shè)有首站出站信號檢測點（8），中間站（3）的設(shè)備包括中間站離心泵（11）、中間站閥門A（10）、中間站閥門B（12）及中間站閥門C（13），中間站（3）的兩端分別安裝中間站進站信號檢測點（9）和中間站出站信號檢測點（14），開啟中間站閥門A（10）及中間站閥門B（12），關(guān)閉中間站閥門C（13），可通過中間站離心泵（11）增壓；關(guān)閉中間站閥門A（10）及中間站閥門B（12），開啟中間站閥門C（13），可實現(xiàn)壓力越站；末站（4）的設(shè)備包括末站閥門（16）及末站儲罐（17），末站（4）的進站口設(shè)有末站進站信號檢測點（15）；

所述的仿真操作系統(tǒng)包括一臺PC機（18）、若干臺PLC與觸摸屏、路由器（19）、網(wǎng)線（20）及串口線（21）構(gòu)成，PLC與觸摸屏通過串口線相連構(gòu)成仿真操作單元， PC機（18）通過局域網(wǎng)絡(luò)與各個仿真操作單元相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，PC機（18）運行管道仿真程序，計算虛擬管道系統(tǒng)的壓力、流量值；虛擬管道系統(tǒng)的首站（2）、中間站（3）及末站（4）分別對應一個仿真操作單元，在仿真過程中，通過特征線仿真算法計算首站出站信號檢測點（8）、中間站進站信號檢測點（9）、中間站出站信號檢測點（14）及末站進站信號檢測點（15）處的壓力與流量值。

參照附圖2，在PC機（18）中設(shè)置仿真的基本參數(shù)并運行仿真程序?；緟?shù)包括：管道長度、內(nèi)徑、材質(zhì)、粗糙度、流體粘度、密度、初始穩(wěn)態(tài)流量、仿真步長。仿真程序運行時計算并通過局域網(wǎng)發(fā)送各站信號檢測點處的壓力、流量實時數(shù)字信號，同時接收各PLC傳送的控制輸入信號。

首站PLC（22）、首站觸摸屏（23）與虛擬管道系統(tǒng)的首站（2）相對應，其中，首站PLC（22）接收首站出站信號檢測點（8）壓力、流量仿真信號并通過信號輸出端口輸出實時物理信號，同時，通過信號輸入端口可輸入首站離心泵（6）轉(zhuǎn)速控制信號及首站調(diào)節(jié)閥（7）開度控制信號。首站觸摸屏（23）可顯示首站出站壓力、流量信號的實時曲線，設(shè)置首站儲罐（5）的液位高度、首站離心泵（6）H-Q特性曲線的回歸系數(shù)，首站調(diào)節(jié)閥（7）的阻力系數(shù)等參數(shù)，并能在線手動調(diào)整首站調(diào)節(jié)閥（7）的開度。

中間站PLC（24）、中間站觸摸屏（25）與虛擬管道系統(tǒng)的中間站（3）相對應，其中，中間站PLC（24）接收中間進站信號檢測點（9）及中間站出站信號檢測點（14）的壓力、流量仿真信號，并通過信號輸出端口輸出實時物理信號，同時，通過信號輸入端口可輸入中間站離心泵（11）轉(zhuǎn)速控制信號。中間站觸摸屏（25）可顯示中間站進出站壓力、流量信號的實時曲線，設(shè)置中間站離心泵（11）H-Q特性曲線的回歸系數(shù)，中間站各閥門的阻力系數(shù)等參數(shù)，并能在線手動開啟或關(guān)閉中間站各閥門。

末站PLC（26）、末站觸摸屏（27）與虛擬管道系統(tǒng)的末站（4）相對應，其中末站PLC（26）接收末站進站信號檢測點（15）的壓力、流量仿真信號并通過信號輸出端口輸出實時物理信號。末站觸摸屏（27）可顯示末站進站壓力、流量信號的實時曲線，設(shè)置末站儲罐（17）液位高度，末站閥門（16）的阻力系數(shù)等參數(shù)，并能在線調(diào)整末站閥門（16）開度。

上述各站觸摸屏通過串口線（21）與相應PLC相連，并基于RS232協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。各PLC的物理輸入、輸出信號均采用4-20mA電流信號，此外，各流量測量輸出信號均增加一路脈沖輸出信號，脈沖信號的流量系數(shù)可通過觸摸屏設(shè)置。

參照附圖3，本發(fā)明的仿真方法的工作過程如下：

在仿真開始前進行參數(shù)設(shè)置，也就是圖3中的設(shè)置基本參數(shù)，分為兩步進行，首先，在PC機（18）仿真程序中進行參數(shù)設(shè)置，如管道長度、流體粘度、仿真步長等。然后通過各觸摸屏設(shè)置相對應的站點參數(shù)，也就是設(shè)置站點參數(shù)，如在首站觸摸屏（23）設(shè)置首站離心泵（6）H-Q特性曲線的回歸系數(shù)等首站參數(shù)，在中間站觸摸屏（25）設(shè)置中間站離心泵（11）H-Q特性曲線的回歸系數(shù)等中間站參數(shù)。

完成參數(shù)設(shè)置后即可開始仿真，運行PC機（18）中的仿真程序。仿真程序根據(jù)各個參數(shù)、手動操作輸入、控制信號輸入計算各信號檢測點的壓力、流量信號，并將計算結(jié)果以數(shù)字信號形式發(fā)送至各相關(guān)PLC。在仿真過程中可進行四種基本操作，即分析實時曲線、站點手動操作、讀取輸出信號及輸入控制信號。分析實時曲線是指基于觸摸屏實時曲線顯示功能，分析各站點壓力、流量信號的取值及變化規(guī)律；站點手動操作是指使用觸摸屏在線調(diào)整各站點相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)以模擬實際站點中對設(shè)備的手動操作，比如，手動調(diào)整首站調(diào)節(jié)閥（7）的開度，開啟或關(guān)閉中間站各閥門等；讀取輸出信號與輸入控制信號是指基于仿真系統(tǒng)的標準物理信號輸入、輸出功能，將實際的信號采集設(shè)備及過程控制設(shè)備與仿真系統(tǒng)直接相連，實現(xiàn)實時物理信號的輸入輸出，以模擬真實管道系統(tǒng)中信號采集與控制輸入。

在仿真過程中基于以上四種基本操作可進一步分析管道系統(tǒng)或測試相關(guān)系統(tǒng)。分析管道系統(tǒng)是指分析管道系統(tǒng)的運行規(guī)律，特別是在各種手動操作及控制輸入條件下管道動態(tài)過程的變化規(guī)律，比如分析首站調(diào)節(jié)閥（7）開度變化后或首站離心泵（6）轉(zhuǎn)速調(diào)整后各站點壓力、流量的動態(tài)變化規(guī)律。測試相關(guān)系統(tǒng)是指檢驗、調(diào)試與管道系統(tǒng)相關(guān)的各種自動化系統(tǒng)，包括控制方案、算法及硬件設(shè)備。在所有分析與測試工作完成后可停止運行PC機（18）中的仿真程序，結(jié)束仿真。