[發明專利]一種大型氦低溫系統實時仿真平臺

有效

• 申請號: 201710377911.X
• 申請日: 2017-05-25
• 公開（公告）號: CN107272442B
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發明（設計）人: 胡良兵;莊明
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

本發明公開了一種大型氦低溫系統實時仿真平臺，在軟件中建立壓縮機模型，冷箱模型和負載模型，采用序貫法集成為低溫系統模型。基于EPICS架構，建立控制模型，基于OPC通訊協議實現低溫模型與控制系統模型實時通訊。本發明相對于其他低溫系統模擬平臺具有更好的集成性，特別針對于大型氦低溫系統具有的典型的非線性、時變，多變量耦合特性，系統運行模式復雜等特點。

技術領域

本發明涉及低溫系統仿真平臺領域，具體是一種大型氦低溫系統實時仿真平臺。

背景技術

大型氦低溫系統是具有超導設備的大科學實驗裝置必不可少的重要子系統之一，為實驗裝置提供穩定、可靠的低溫運行環境，系統的效率和穩定性關系整個大科學裝置的能耗和運行狀態。大型低溫系統本身能耗大，效率低，運行模式復雜。

由于大型低溫系統的多變量、強耦合性，動態運行中涉及到的控制系統十分復雜，要想直觀地進行流程優化，穩定分析難度較大。通過進行大型低溫系統仿真技術研究可以有助于解決這一問題。動態仿真研究通過系統建模的方式，在計算機上搭建虛擬流程，利用部件模型代替實際設備，從而再現設備的運行狀態。這樣不但可以提高人們對系統的整體認知，而且無需設備實際運行，減少了不必要的能源、人力和物力的浪費。隨著仿真技術在工業上的快速發展，研究人員逐漸將過程仿真技術應用到大中型氦低溫系統上。動態仿真技術得以廣泛應用于大型低溫系統，旨在提高實際系統動態特性的認識，流程的動態過程優化設計，驗證新的控制方法及策略，安全保護和故障診斷預測，系統虛擬過程調試和操作員培訓等。

對于大科學裝置氦低溫系統的仿真，已經從單一的低溫系統的模擬發展為大型制冷機及帶負載用戶的整個設備的模擬，主要集中于整個系統的溫度場、壓力場、控制策略方面的研究。目前的動態仿真仍然存在一些關鍵問題需要解決，首先，國際上的化工模擬軟件Hysys以及Ecosimpro等包含了可以應用于大型低溫系統中的單元模塊，但是，通用軟件的模擬精度、模型設置不能完全滿足實際的低溫系統模擬的需要。此外，大型低溫系統的動態仿真集中于過程模型以及部分控制回路實現，缺少控制系統模擬平臺。

發明內容 本發明的目的是提供一種大型氦低溫系統實時仿真平臺，以解決現有技術在大型氦低溫系統模擬中無法將流程模擬與控制系統模擬集成的問題，以及實時仿真過程中存在數據同步缺陷的問題。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：

一種大型氦低溫系統實時仿真平臺，其特征在于：包括在Ecosimpro軟件中根據機理建模和系統辨識方法建立的氦低溫系統模型，所述氦低溫系統模型包括壓縮機模型、冷箱模型和負載模型；壓縮機模型、冷箱模型和負載模型基于序貫方法連接構建成低溫過程模型；在Ecosimpro軟件中還建立有基于機理建模的測量傳感器模型，且測量傳感器模型加入低溫過程模型中；

還包括基于EPICS架構建立的控制系統模型，控制系統模型包括PID控制模塊，模擬量信號模塊，數字量信號模塊，其中PID控制回路采用IOC作為虛擬控制器以處理數據和實現控制邏輯；

在Ecosimpro軟件中建立有OPC服務器，在IOC虛擬控制器中建立有OPC客戶端，基于OPC通訊協議實現低溫過程模型和控制系統模型的實時通訊。

控制系統模型中，模擬量信號模塊與PID控制模塊連接，實現控制回路控制。模擬量信號模塊和數字信號模塊基于OPC通訊協議通過OPC客戶端與低溫過程模型通訊連接。

所述的一種大型氦低溫系統實時仿真平臺，其特征在于：所述壓縮機模型包括但不限于螺桿壓縮機、中壓氦儲氣罐模型、高壓和低壓管道模型以及氣動調節閥模型。

所述的一種大型氦低溫系統實時仿真平臺，其特征在于：所述冷箱模型包括但不限于透平膨脹機模型、多股流換熱器、吸附器、管道和氣動調節模型。

所述的一種大型氦低溫系統實時仿真平臺，其特征在于：所述負載模型包括但不限于相位分離器、冷壓機和調節閥模型。