西门子CPU模块6ES7215-1HF40-0XB0

 1.2 动态仿真

    如1.1节所述，稳态仿真只是动态过程达到平稳状态时的简化处理，然而化工稳态过程只是相对且暂时的，实际过程中总是存在各种各样的波动、干扰和条件的变化，因此化工过程的动态变化足必然的，如开停车、故障处理等。在研究这类动态问题时，必须使用动态仿真。动态仿真中的动态模型由一系列微分方程组成，能真实地对实际的生产流程进行模拟，为生产制造企业进行工艺流程设计、控制系统设计、故障处理策略设计等提供了有效的工具。

    动态仿真软件的开发始于20世纪80年代，1969年加拿大McMaster大学成功开发了DYNSYS，应用于指导丁二烯抽提装置的开车。此后，美国Huston大学开发的PRODYC、杜邦公司开发的DYFLO、美国Michigan大学开发的DYSCO、日本科学家工程师协会与英国计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)中心联合开发的DPS、日本三井东亚化工公司开发的MODYS等，都在相应领域得到了成功的应用。但是这些动态仿真软件通用性较差，直到80年代后期，才由美国Aspen Tech公司推出了的通用动态仿真软件SPEED UP。20世纪90年代，动态仿真软件得到了进一步发展，新的仿真软件不断问世，其中应用为广泛的是加拿大Hyprotech公司的HYSIS、美国Aspen Tech公司的DYNAMICS等。此外，用于培训石化企业操作工人的仿真培训系统也可视为一种动态仿真软件，这类仿真软件兴起于20世纪80年代，比较典型的仿真培训系统有美国ABB Simcon公司的Simcon动态模拟器，中石化集团北京燕山石油化工有限公司仿真培训中心也开发了相应的工艺操作仿真培训软件，取得了良好的效果。

    利用动态仿真可以解决很多生产实际问题：

    (1)过程系统的工艺设计  完成生产方案选择、生产参数确定等工艺设计问题，使过程系统运行在佳状态。

    (2)过程系统的控制器设计  动态仿真软件接收控制器生成的控制量，得到被控对象动态模型实时的动态输出，根据该动态模型的输入输出关系，设计合理的控制器。

    (3)过程系统的安全分析和预测  对现有生产流程进行动态建模，运行动态仿真，分析和预测过程系统的安全状况。

    (4)操作人员技能培训  对操作员进行开车、停车、正常运行的操作技巧及处理紧急事故的能力训练；对仪表工程师进行仪表系统的调整、组态，仪表系统故障的分析和处理的训练；对工艺工程师进行工艺流程变量的分析、工艺参数的优化选择的训练。

2 制造执行系统层中的仿真

    在MES层，仿真技术可以用来模拟MES应用系统在生产制造企业的执行情况，也可以集成到某些MES软件中，以支持这些软件更好地实现其功能。这时的仿真平台通常对企业的生产进行仿真，在ERP／MES／PCS流程工业三层体系结构中扮演了PCS层的角色(如图5)，它接收并执行南MES层生成的计划调度指令。仿真生成底层装置的生产信息，提供给MES各应用系统(包括物料平衡、能耗物耗管理等)。

图5 仿真平台与MES系统

    与应用于PCS层的仿真有所不同，基于MES应用的仿真在装置建模上做了较大的简化，使用粒度较大的装置模型。炼油厂调度软件SIPP系统中包含有调度仿真模块，其流程装置模型使用的都是简化的线性模型，这是由两者在应用目标上的不同造成的。PCS层的仿真应用更关注对装置的控制，因此需要细致地描述装置生产状态的变化情况：而MES层的仿真应用则关注对整个工厂生产过程的控制，只需要粗略地描述装置在特定时段内的生产情况即可。

    目前，基于MES层的仿真已得到了广泛的应用，主要解决两类问题：

    (1)为MES应用软件提供测试和培训平台(如图6)，浙江大学基于Matlab的仿真系统Inbbb-Sim已成功地应用于数据校正系统和公用工程管理系统的测试。

图6 仿真在MES应用软件测试或培训中的应用

    (2)为生产调度优化提供仿真分析数据(如图7)，即“what-if”分析。事实上，炼油厂的凋度工具大多是基于调度仿真的，通过调度仿真，可以分析和预测在特定调度指令下，工厂生产的物流、能耗和设备状态，并为进一步生成可行的优化的调度指令提供必要的数据。如的商业调度软件Aspen Tech公司的Aspen Orion、Hyprotech与KBC公司的HYSIS．Rfinery都集成了调度仿真、线性规划和专家系统等技术，巴西圣保罗大学开发的SIPP和希腊佩特雷大学开发的原油调度软件也都将调度仿真和其他优化技术相结合，以实现调度指令的生成。

图7 仿真在调度软件中的应用

2.2 控制与监测实现系统的自动化

    2.2.1 系统的控制管理

    通过换画面组态设计，设定9个切换画面按钮对照相应的管理画面。实现可以根据需要在屏幕上直接触摸，选择感应淬火生产过程所需的各种控制、监测操作。构成通用感应淬火装备整个控制系统的操作管理。其界面如图4所示。

图4 管理界面

    2.2.2 实现直观、便捷的机床操作

    通过系列组态按钮及状态信息显示设计，分配相应的PLC地址。在HMI上通过触摸操作按钮，形成相应信息传输给PLC，完成设备相关操作，并显示相应工作状态信息，从而替代传统的按钮开关面板操作。其界面如图5所示。

图5 机床操作界面

    在“工件编号”中输入被加工的工件号，并选择工作方式为自动循环或半自动循环，按“启动按钮”，系统将自动下载所选工件(已编制存储的)淬火工艺参数到PLC中，PLC按当前段设定的工艺参数控制淬火装备对工件自动进行感应淬火并显示当前工作状态。需要时也可选择手动方式进行调整操作。

    2.2.3 实时信息、历史数据再现

    使用组态曲线、数值输入输出，采用相应传感器监测现场信息，通过PLC与HMI的通信，运用HMI组态宏指令实时运算、分析处理，设计各监测曲线界面。实现通用感应淬火关键信息实时及历史显示，方便监测，提供控制依据，提升通用感应淬火设备作业过程的可追溯性，形成感应淬火的自动控制。

    如动力输出从动轴轴径变化大(约30 mm)，感应淬火时，转换段的均匀连续淬硬是感应淬火自动控制的技术关键。工艺参数设定后，需要通过实时监控功率密度等参数的分布及趋势及时调整工艺参数，以提高淬火效率，控制成本，保证和提高淬火质量。

    图6为通用感应淬火过程功率监控应用于动力输出从动轴的实例。通过理论计算设定基准功率，在功率监控过程中，根据实际功率相对于基准功率的分布状况，对工件各段上工艺参数的设定进行及时分析、控制，从而提供满足工件淬硬质量要求所需的能量。

图6 系统实时监测界面

    设计工作实时动画、故障报警、打印等界面，进一步完善通用感应淬火自动控制。

2.3 PLC控制程序设计

    对于各种工件实现通用感应淬火，其不同淬火区段根据当前段工艺参数要求，采用循环执行同一段PLC程序的方法，实现感应淬火工艺的自动控制。各淬火区段的工艺要求虽各有不同，但每段共享工艺参数的个数相同，在工艺参数设定时进行相应处理。如对于不同区段的同时淬火，只是将相应各区段的移动距离、移动速度设定为0即可实现。因此只需自动循环同一段PLC程序，就可自动实现不同区段的连续扫描淬火、同时淬火、分段连续扫描淬火、分段同时淬火等多种工艺过程，大大简化了感应淬火通用、自动控制的PLC程序编制。其程序流程如图7所示。

图7 程序流程

3 结语

    利用HMI技术实现通用感应淬火自动控制，集控制、操作、显示为一体，实现各种工件感应淬火的自动化和通用性，提高感应淬火效率和质量。通过对大变径轴类零件感应淬火的工艺试验应用，解决了其硬化层不连续的难题。并以短的工艺研究周期，获得了优的工艺参数。相应课题《大变径轴类零件感应淬火新工艺中控制技术的研究>>2009年底通过河南省科技厅鉴定为国内水平。在实际生产中，此控制系统具备将每个工艺流程参数与已检验合格的标准样件做比对，超差就报警。同时对设备状况实时报警监控，避免超差产品的流出，尤其适合于在大批量工件感应热处理生产中的推广应用。