專利名稱：改善的分布式工業(yè)過程仿真系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本文呈現(xiàn)的發(fā)明一般地涉及對發(fā)電工廠、工業(yè)制造工廠、處理工廠和其它類型的 工廠的操作進行仿真，并且，更具體地，涉及執(zhí)行包含物料流程的工廠操作的改善的仿真的 分布式仿真系統(tǒng)。
背景技術：
分布式過程控制系統(tǒng)，諸如通常用于發(fā)電、化工制造、石油加工、工業(yè)制造或其他 類型的工廠，通常包括一個或多個控制器，其通過模擬、數(shù)字、模擬/數(shù)字組合、或無線總線 通信地耦接到多個現(xiàn)場設備。現(xiàn)場設備，可能是，例如，閥、閥定位器、開關、變送器(例如溫 度、壓力、液位和流量傳感器)、燃燒器、熱交換器、鍋爐等，都處在廠區(qū)環(huán)境內(nèi)，并響應于由 控制器所形成和發(fā)送的控制信號而執(zhí)行過程功能，諸如開啟或關閉閥、測量過程參數(shù)等。智 能現(xiàn)場設備，諸如符合任意著名的現(xiàn)場總線協(xié)議的現(xiàn)場設備，還可以執(zhí)行通常由工廠控制 器或在工廠控制器內(nèi)實現(xiàn)的控制計算、報警功能以及其他常用功能。工廠控制器，通常也處 在工廠環(huán)境內(nèi)，接收指示由現(xiàn)場設備所產(chǎn)生的過程測量的信號和/或與現(xiàn)場設備有關的其 他信息，并且執(zhí)行控制應用程序，該應用程序例如運行控制不同的控制模塊，這些控制模塊 做出過程控制決定，基于所接收的信息生成過程控制信號，以及與在現(xiàn)場設備諸如HART 和FOUNDATION 現(xiàn)場總線現(xiàn)場設備中執(zhí)行的控制模塊或塊進行協(xié)調(diào)?？刂破鲀?nèi)的控制模 塊經(jīng)由通信線路或網(wǎng)絡將過程控制信號發(fā)送到現(xiàn)場設備，從而控制過程的操作。來自現(xiàn)場設備和控制器的信息通常是通過數(shù)據(jù)高速專線提供到一個或多個其他 電腦設備，諸如操作員工作站、個人計算機、數(shù)據(jù)歷史記錄、報表生成器、中央數(shù)據(jù)庫等，通 常放在控制室或其他遠離惡劣的廠區(qū)環(huán)境的位置。這些電腦設備還可以運行應用，其可 以，例如，使操作員能夠執(zhí)行過程方面的功能，諸如改變過程控制例程的設置、修改在控制 器或現(xiàn)場設備內(nèi)的控制模塊的操作、查看過程的當前狀態(tài)、查看由現(xiàn)場設備和控制器產(chǎn)生 的報警、保存和更新配置數(shù)據(jù)庫等。例如，由艾默生過程管理公司銷售的Ovation 控制系統(tǒng)，包括存儲于位于過程工 廠內(nèi)的各種地方的不同設備之內(nèi)并由其執(zhí)行的多個應用。配置應用，其駐留于一個或多個 操作員工作站，使用戶能夠創(chuàng)建或更改過程控制模塊并且通過數(shù)據(jù)高速專線下載這些過程 控制模塊到專用的分布式控制器。通常，這些控制模塊由通信地互連的功能塊組成，這些功 能塊是在面向?qū)ο蟪绦蛟O計協(xié)議中的對象，并且基于到其的輸入執(zhí)行控制方案內(nèi)的功能并 向控制方案內(nèi)的其它功能塊提供輸出。配置應用還可以允許設計師創(chuàng)建或更改操作員界 面，該操作員界面由查看應用使用以向操作員顯示數(shù)據(jù)并且使操作員能夠改變過程控制例 程中的設置，諸如設定點。各個專用控制器和，在某些情況下，現(xiàn)場設備，存儲并執(zhí)行控制器 應用，其運行被分配和下載到那兒的控制模塊，從而實現(xiàn)實際過程控制功能。查看應用，其 可以在一個或多個操作員工作站上運行，經(jīng)由數(shù)據(jù)高速專線接收來自控制器應用的數(shù)據(jù)和 向使用用戶界面的過程控制系統(tǒng)的設計者、操作員或用戶顯示這些數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)歷史記錄應 用通常存儲在數(shù)據(jù)歷史記錄設備中并由其執(zhí)行，以收集和存儲經(jīng)數(shù)據(jù)高速專線提供的部分或全部數(shù)據(jù)，而配置數(shù)據(jù)庫應用可以在另一臺連接到高速數(shù)據(jù)專線上的計算機上執(zhí)行，以 存儲當前過程控制例程配置和與之相關聯(lián)的數(shù)據(jù)。替代地，配置數(shù)據(jù)庫可以位于與配置應 用程序相同的工作站中。許多工業(yè)希望實施仿真系統(tǒng)來仿真工廠的操作(包括各種工廠設備和在工廠內(nèi) 連接的控制網(wǎng)絡)。這樣的仿真系統(tǒng)可用以測試工廠響應于新的或不同的控制變量諸如設 置點的操作、測試新的控制例程、執(zhí)行優(yōu)化、執(zhí)行訓練活動等。且作為結(jié)果，許多不同類型的 工廠仿真系統(tǒng)被提出并運用到過程工廠中。然而，通常只有最復雜的仿真系統(tǒng)能夠執(zhí)行過 程工廠的高逼真度的仿真，因為復雜的過程被實現(xiàn)，在工廠內(nèi)不斷變化的條件包括隨著時 間推移設備的損耗和在工廠內(nèi)出現(xiàn)的不明擾動變量。當仿真商用工業(yè)過程裝置時，常見且眾所周知的是使用物理定律的第一原理 (first principle)物理定律或方程式來實現(xiàn)仿真模型，在這種情況下，開發(fā)復雜的第一原 理方程組來仿真各種工廠裝置，并且仿真器在任何特定的仿真周期中同時求解全部或大部 分的模型方程。牛頓迭代法是仿真技術中眾所周知的例子，其同時求解許多第一原理方程 式以執(zhí)行仿真。事實上，這類方程式求解機制，在很多情況下，被視為高逼真度仿真的必要 條件。然而，與這種仿真方法相關聯(lián)的主要缺點是，物理模型復雜且計算成本高，尤其是當 要建模的系統(tǒng)是高度地非線性和交互性的。且作為結(jié)果，這些仿真系統(tǒng)必須使用集中式非 線性方程求解器來執(zhí)行仿真，以便能夠同時求解所有的耦合的非線性方程。不幸的是，這項 技術常常是緩慢、計算上效率不高、數(shù)值上不可靠的。大規(guī)模的、動態(tài)過程系統(tǒng)的分布式仿真被實施以試圖克服與集中式仿真系統(tǒng)技術 相關聯(lián)的一些問題。在分布式仿真系統(tǒng)中，各種仿真任務遍及許多不同的設備(如處理器) 被執(zhí)行，并且這些仿真任務被彼此分離地或獨立地實施(執(zhí)行)。這樣的分布式仿真系統(tǒng) 與集中式仿真系統(tǒng)相比提供了許多優(yōu)勢，包括空間去耦、時間去耦、積分去耦和并行處理。 特別是，分布式仿真系統(tǒng)通過將較大的仿真問題分解成一組較小的子問題而提供了空間去 耦，從而允許在不影響其它仿真模塊下對一個模塊進行改變、更新或增加。分布式仿真系統(tǒng) 還通過允許對不同的動態(tài)模塊使用不同的積分步長而提供時間去耦，這意味著這些系統(tǒng)能 為難解的仿真問題提供更好的數(shù)值可靠性、更高的計算效率，而無需在各個仿真模塊都實 施激進的積分步長。分布式仿真系統(tǒng)提供積分器去耦，因為分離的仿真模塊可以使用在不 同的模塊中相互間不同的特定的和定制的積分方法，從而使不同的數(shù)學技術能夠用于求解 不同的過程模型。分布式仿真系統(tǒng)還使并行處理的使用成為可能，因為不同的仿真模塊能 夠同時在分布式計算機網(wǎng)絡上被實施。此特征還允許容易的故障排除，因為問題通常能夠 關于某一仿真模塊局部地被識別。關于過程和動力系統(tǒng)的分布式仿真已經(jīng)進行了許多研究，例如，Brosilow C、 Yin_Chang，“Simulation of Large Scale Dynamic Systems I”，Computers and Chemical Engineering,ll :241-253,1987，開發(fā)了使用直接替代、外推法和牛頓型迭代來執(zhí)行仿真的 算法。然而，需要協(xié)調(diào)器保持仿真同步，因為需要協(xié)調(diào)器來為各個動態(tài)模塊設定時間跨度 并且計算子系統(tǒng)之間的互連。盡管協(xié)調(diào)器允許各個模塊具有不同的積分算法和步長，但是 仍需要協(xié)調(diào)器來管理仿真子系統(tǒng)。另一方面，Secchi AR、MorariM、Biscala Jr EC, "The Waveform Relaxation Method in ConcurrentDynamic Process Simulation，，、 Computer and Chemical Engineering，17 :683-704,1993，使用可高度并行化的波形松弛(waverelaxation, WR)方法研究了低指數(shù)微分方程(differential equations, DAE)的并行解。 實現(xiàn)了 DAh在并行的機器上使用WR方法的并行解。在這里，雅可比迭代法被使用，這意味 著在每次迭代的開始，每一個模型被提供以互連功能的更新的向量。然而，在這種情況下， 仍需要中央?yún)f(xié)調(diào)器來保證全局收斂。Paloschi J，Zitney SE ,“Parallel Dynamic Simulation of IndustrialChemical Processes on Distributed-Memory Computers”，AICHE 年會，洛杉 磯，加州，1997年，描述了平行模塊化求解方案來解決分布式存儲器計算機上的在全廠或多 廠的問題。這種方法將大型的超級工廠主導(master)分割成并行執(zhí)行的更小的相互關聯(lián) 的子工廠從屬(slave)。為所有的互連的切割變量提供初始值，而子工廠仿真并行產(chǎn)生新的 切割值。全部仿真的連通性由超級工廠的流程圖提供，其中每個單元代表一個子工廠。對 于穩(wěn)態(tài)仿真，主導使用逐次代入或牛頓法收斂仿真。對于動態(tài)仿真，主導同步子工廠積分。 在共同的時間跨度中，通過適當?shù)姆e分法和步長序列，子工廠被并行積分。Abbel-Jabbar N、Carnahan B、Kravaris C、“A Mu11irateParaIlel-Modu1ar Algorithm for Dynamic Process Simulation UsingDistributed Memory Multicomputers”、計算機與化學工程，23 :733_761，1999年，描述了可以在大型的、信息傳 遞、并行計算機(多計算機)上高效地實現(xiàn)的用于并行實施模塊化積分的協(xié)調(diào)算法。該算 法是基于一個動態(tài)的、塊雅可比類迭代，以及用于近似在不同時間點上的互連輸入變量的 三次樣條插值。通過這種方法，在積分期間的處理器間的通信被免除。然而，模塊積分必須 在各個時間跨度上迭代，直至所有模塊積分收斂于滿足跌代求解的全局誤差準則。因此，該 算法通過使用主從模式而實現(xiàn)。重要的是，這些分布式模擬技術中的每一個都采用主-從(客戶-服務器)結(jié)構(gòu)， 因此，這些方法要求中央?yún)f(xié)調(diào)器(服務器)了解整體流程圖或流程表，以及當各子系統(tǒng)的積 分在客戶端計算機上執(zhí)行時，協(xié)調(diào)不同模塊之間的互連變量的流動。且作為結(jié)果，這些算法 可能無法有效地處理當各子系統(tǒng)的數(shù)目很大時的情況，因為在這種情況下，服務器端承擔 繁重的運算負荷。特別是，中央?yún)f(xié)調(diào)器必須在瞬態(tài)級計算并打破質(zhì)量和能量平衡，這給中央 服務器帶來了高運算負荷，尤其是在龐大系統(tǒng)中。當然，如果服務器有了太重的運算負荷， 該仿真系統(tǒng)速度變慢，并且未必能夠?qū)崟r運行。另一個潛在問題是可用的通信帶寬可能不 夠。特別是，在同步點(即，在中央服務器)，網(wǎng)絡通信負載可能是巨大的，需要很高的硬件 實施成本。還已知一些不需要中央?yún)f(xié)調(diào)器(服務器)的策略。特別是，MayerS，“On the Pressure and Flow-Rate Distributions in Tree-Like andArterial-Venous Networks，”數(shù)學生物期刊，58 (4) :753_785，1996年，公開了 一種高效的算法，其計算在 任意樹形網(wǎng)絡中的穩(wěn)態(tài)流的壓力和流速分布。在給定樹形拓撲結(jié)構(gòu)、各部分的導率和 在邊界節(jié)點上的壓力分布時，使用基于理想高斯消去法的簡單遞歸技術來獲得解。使 用此算法的迭代法被建議為能夠?qū)Π瑑蓚€相互連結(jié)的樹形網(wǎng)絡的任意的源-匯 (diverging-converging)網(wǎng)絡中的壓力和流速分布進行求解。獲得許多樹形網(wǎng)絡特殊解， 對此通用算法被簡化或者能夠被壓力和流速分布的閉形解所替代。然而，雖然這種方法可 能對生物的應用很有用，但對通常的工業(yè)應用并不十分有用，因為壓力-流量關系是通過 簡單的線性關系來建模的。此外，這種方法是只對穩(wěn)態(tài)應用是準確的，因為它沒有將在動態(tài)瞬態(tài)期間的流量的失配考慮在內(nèi)。Garcia-Osoriο V, Ydstie BE, "Distributed, Asynchronous and HybridSimulation of Process Networks Using Recording Controllers，，， InternationalJournal of Robust and Nonlinear Control,14(2) :227-248,2003 12 月，描述了物理上不同的處理單元的分布式仿真網(wǎng)絡。各個處理單元利用自身的積分例程 和在某個固定或可變的通信間隔時間上同步的不同子系統(tǒng)間發(fā)送的信息來求解。然后這些 狀態(tài)被調(diào)和并且仿真進入下一個步驟。所有的子單元由記錄控制器在仿真的最后一個步驟 同步，該記錄控制器記錄和控制子系統(tǒng)間互連處的質(zhì)量平衡。然而，這種記錄機制實質(zhì)上是 積分的控制動作，這種方法引入了額外的動態(tài)，這有效地延長了過程動態(tài)響應的時間跨度 和響應的傳遞，使得這種方法對于包含快速動作的機電設備(如泵、風機、閥等)的過程是 不實用的。再者，記錄控制器方式使用的是兩個邊界壓力的簡單平均，這使它不可能檢測到 諸如閥完全關閉的動作。再者，整定參數(shù)的數(shù)量隨著網(wǎng)絡大小增長而按比例增長。因此，如 果系統(tǒng)未恰當?shù)剡M行整定，則新引入的記錄控制器可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
高逼真度的分布式的工廠仿真技術以這樣的方式執(zhí)行實時仿真或者對過程或工 廠網(wǎng)絡的預測，即使用分布式仿真模塊組而無需中央?yún)f(xié)調(diào)器去協(xié)調(diào)系統(tǒng)的操作，并且在穩(wěn) 態(tài)和動態(tài)兩種條件下精確地解決在分布式場所處的質(zhì)量和流量平衡。特別是，在此所描述 的仿真系統(tǒng)包括任意數(shù)量的分離的仿真模塊，其中的每一個實施第一原理模型或其它類型 的模型來對工廠組件的操作建模。更特別的是，該仿真系統(tǒng)包括工廠元素仿真模塊，其建模 各種工廠組件，諸如罐、熱交換器等，該仿真系統(tǒng)還可能包括管道仿真模塊，其建模在過程 或工廠內(nèi)的連接元素，諸如管道等，其操作以將物料流從一個工廠元素輸送到另一個工廠 元素。重要的是，各個仿真模塊實現(xiàn)質(zhì)量流量、壓力和/或溫度平衡方程式，該方程式考 慮上游或下游仿真模塊的壓力、流速、和/或溫度等，因此不需要中央?yún)f(xié)調(diào)器就能平衡質(zhì) 量流量。特別是，各個仿真模塊與上游和下游的仿真模塊進行通信并實施模型方程式，其確 保跨越上游和下游組件或在上游和下游組件之間質(zhì)量流量守恒。這些仿真模塊由此消除了 中央?yún)f(xié)調(diào)器的需要，該協(xié)調(diào)器為所有的分布式仿真模塊追蹤流量或?qū)嵤┵|(zhì)量平衡方程式。 更進一步地是，在實施質(zhì)量流量平衡方程的過程中，仿真模塊從下游過程元素仿真模塊向 上游過程元素仿真模塊提供反饋，使得下游元素中的改變，諸如流量關閉閥的設置中的改 變，能夠在上游元素中被識別出并建模，而不需要在仿真系統(tǒng)中使用全局變量，而且也不需 要中央?yún)f(xié)調(diào)器。更進一步的是，仿真系統(tǒng)實施識別出仿真模塊中例如由瞬態(tài)或動態(tài)條件造成的臨 時質(zhì)量不平衡的程序，并且使用使質(zhì)量隨時間推移且跨越多重仿真模塊守恒的方式處理這 些瞬態(tài)質(zhì)量不平衡，從而在存在動態(tài)改變時提供精確的工廠仿真而且無需中央?yún)f(xié)調(diào)器。特 別是，各個與非海量存儲設備(例如管道)相關聯(lián)的仿真模塊識別作為動態(tài)或瞬態(tài)流動情 況(例如質(zhì)量流量的增加或減少的情況)的結(jié)果的其輸入與其輸出之間的質(zhì)量流量的不一 致，并且向上游或下游的仿真模塊傳達該質(zhì)量不平衡的量。通過仿真系統(tǒng)的許多周期，由與 非海量存儲設備相關聯(lián)的仿真模塊檢測到的質(zhì)量不平衡從而轉(zhuǎn)移并且積聚到與海量存儲設備相關聯(lián)的仿真模塊(如罐)，在那里質(zhì)量實際上積聚或減少。與海量存儲設備相關聯(lián)的 仿真模塊通過仿真系統(tǒng)長時間的操作能夠接受并且平衡這些瞬態(tài)質(zhì)量。此特征保證了在通 過這些元素的質(zhì)量流量的動態(tài)改變期間，作為通過非海量存儲設備的質(zhì)量流量的建模的結(jié) 果，質(zhì)量既沒有增加也沒有丟失。此外，在此所描述的仿真系統(tǒng)使用具有存儲器結(jié)構(gòu)的仿真模塊，該存儲器結(jié)構(gòu)存 儲并且實現(xiàn)上游和下游的仿真模塊間信息的通信，而不需要在仿真模塊間執(zhí)行全局通信調(diào) 用，并且不需要了解和追蹤系統(tǒng)內(nèi)流動路徑的中央?yún)f(xié)調(diào)器。由分布式仿真模塊使用的存儲 器和通信程序?qū)崿F(xiàn)直接連接的仿真模塊(如任意一組直接相連的上游和下游仿真模塊) 間的直接的和即時的通信，這進而簡化了仿真系統(tǒng)內(nèi)的通信，同時還保證當仿真模塊執(zhí)行 時，在任何特定的仿真模塊內(nèi)執(zhí)行建模所需的上游和下游信息即時可用。


圖1是分布式工廠和位于諸如發(fā)電廠的工廠內(nèi)的過程控制網(wǎng)絡的方框圖，包括一 個或多個操作員工作站、控制器或虛擬控制器，其實施包括配置一組被配置成精確仿真工 廠操作的分布式仿真模塊的仿真系統(tǒng)；圖2是可以使用圖1的分布式仿真系統(tǒng)的、典型的基于鍋爐的發(fā)電廠的鍋爐蒸汽 循環(huán)的各種組件的方框圖；圖3是一組被配置成仿真圖3的發(fā)電廠的鍋爐蒸汽循環(huán)的操作的分布式仿真系統(tǒng) 的分布式仿真模塊的方框圖；圖4示出管道仿真模塊，其通信地連接在以熱交換器仿真模塊的形式的兩個工廠 元素仿真模塊間以執(zhí)行在這兩個工廠仿真模塊間的質(zhì)量流量平衡；圖5示出管道仿真模塊，該管道仿真模塊通信地連接在工廠元素仿真模塊和以分 離器仿真模塊的形式的結(jié)點仿真模塊間，該結(jié)點仿真模塊依次連接到三個下游工廠元素仿 真模塊，以及該管道仿真模塊實現(xiàn)在上游和下游工廠元素仿真模塊間的質(zhì)量流量平衡；圖6示出一組非海量存儲仿真模塊，其連接在上游和下游海量存儲仿真模塊間， 以說明考慮由在工廠內(nèi)的瞬態(tài)或動態(tài)情況期間仿真質(zhì)量流量而產(chǎn)生的質(zhì)量差異的方式；圖7示出流結(jié)點仿真模塊，其以分離器形式被放置在上游和下游工廠元素仿真模 塊間，以示出考慮由在經(jīng)過分離器的瞬態(tài)或動態(tài)情況期間的質(zhì)量流量而產(chǎn)生的質(zhì)量差異的 方式；并且圖8示出在相鄰的分布式仿真模塊間的通信的方式，該相鄰的分布式仿真模塊駐 留于不同的分布式控制系統(tǒng)水滴中，該水滴能夠用于圖1的分布式仿真系統(tǒng)。
具體實施例方式現(xiàn)參考圖1，在細節(jié)的抽象程度上示出了工廠10的示例性分布式控制網(wǎng)絡，諸如 與發(fā)電廠、工業(yè)制造工廠、處理工廠等相關聯(lián)的。工廠10包括具有一個或多個控制器12的 分布式控制系統(tǒng)，其中各個控制器都是經(jīng)由輸入/輸出(I/O)設備或卡18連接到一個或多 個現(xiàn)場設備14和16，該輸入/輸出(I/O)設備或卡18可以是例如Fieldbus接口、Profibus
接口、HART ‘ 接口、標準4-20毫安接口等?？刂破?2還經(jīng)由可以是例如以太網(wǎng)鏈接的 數(shù)據(jù)高速專線M耦接到一個或多個主機或操作員工作站20、21和22。數(shù)據(jù)庫觀可以連接到高速數(shù)據(jù)專線24，并且作為數(shù)據(jù)歷史記錄操作來收集和存儲與工廠10內(nèi)的控制器12和 現(xiàn)場設備14、16相關聯(lián)的參數(shù)、狀態(tài)和其它數(shù)據(jù)。附加地或替代地，控制器觀可以作為配 置數(shù)據(jù)庫操作，該配置數(shù)據(jù)庫存儲工廠10內(nèi)過程控制系統(tǒng)的當前配置，如下載到并存儲在 控制器12和現(xiàn)場設備14、16內(nèi)的。雖然控制器12、I/O卡18和現(xiàn)場設備14、16通常位于 或遍布于時常惡劣的工廠環(huán)境，但是操作員工作站20、21和22以及數(shù)據(jù)庫28常常位于易 于控制員或維修人員訪問的控制室或其它較不惡劣的環(huán)境中。如已知的，各個控制器12，其舉例來說可以是由艾默生過程管理電力和水力解 決方案公司(Emerson Process Management Power andffater Solution, Inc. ) f胃售白勺 Ovation 控制器，存儲并且執(zhí)行控制器應用，該應用使用任意數(shù)量的不同的、獨立地執(zhí)行 的控制模塊或塊四來實現(xiàn)控制策略。每個控制模塊四能夠由通常所稱的功能塊組成，其 中每個功能塊是總體控制例程的部分或者子例程并且與其它功能塊一起操作(經(jīng)由被稱 為鏈接的通信)以實現(xiàn)在過程工廠10中的過程控制環(huán)。眾所周知，功能塊，其可以不必要 是面向?qū)ο缶幊虆f(xié)議中的對象，通常執(zhí)行輸入功能、控制功能或者輸出功能其中一項，所述 輸入功能是諸如與變送器、傳感器或其他過程參數(shù)測量設備相關聯(lián)的那些，所述控制功能 是諸如執(zhí)行比例-積分-微分(PID)、模糊邏輯等控制的控制例程相關聯(lián)的那些，所述輸出 功能控制諸如閥的某個設備的操作以執(zhí)行過程工廠10中的某個物理的功能。當然存在混 合的和其它類型的復雜功能塊，諸如模型預測控制器(MPC)、優(yōu)化器等。在圖1示出的工廠10中，連接到控制器12的現(xiàn)場設備14和16可以是標準4_20毫 安的設備，也可以是智能現(xiàn)場設備，諸如HART 、Profibus⑧或FOUNDATION Fieldbus 現(xiàn)場設備，其包括了處理器和存儲器，或者也可以是任意其它期望類型的現(xiàn)場設備。這些設 備的其中一些，諸如Fieldbus現(xiàn)場設備(在圖中以參考數(shù)字16標出)，可存儲和執(zhí)行與在 控制器12中實現(xiàn)的控制策略相關聯(lián)的模塊或子模塊，諸如功能塊。功能塊30，其在圖1中 示出為放置在兩個不同的Fieldbus現(xiàn)場設備16中，與在控制器12中的控制模塊四的執(zhí) 行一起執(zhí)行以實現(xiàn)一個或多個過程控制環(huán)，如眾所周知的。當然，現(xiàn)場設備14和16也可以 是任何類型的設備，諸如傳感器、閥、變送器、定位器等，并且1/0設備18也可以是符合諸如 HART 、Fieldbus、Profibus丨⑧等任意期望的通信或控制協(xié)議的任意類型的1/0設備。更進一步地，在已知的方式中，一個或多個工作站22-22可包括用戶界面應用，使 諸如操作員、配置工程師、維修人員等的用戶能夠與工廠10內(nèi)過程控制網(wǎng)絡交互。特別是， 工作站22被示為包括可以存儲一個或多個用戶界面應用35的存儲器34，所述用戶界面應 用可在工作站22內(nèi)的處理器46上被執(zhí)行來與數(shù)據(jù)庫觀、在控制器12的控制模塊四或其 它例程或者1/0設備18、與現(xiàn)場設備14和16以及在這些現(xiàn)場設備內(nèi)的模塊30等通信，從 而獲得來自工廠的信息，諸如與工廠設備或控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展中的狀態(tài)相關的信息。用 戶界面應用35可在與一個或多個工作站20-22相關聯(lián)的顯示設備37上處理和/或顯示這 些收集的信息。所收集的、處理的和/或顯示的信息例如可以是過程狀態(tài)信息、在發(fā)電廠內(nèi) 生成的警報或警告、維護數(shù)據(jù)等。同樣地，一個或多個應用39可以在工作站20-22中被存 儲并執(zhí)行來執(zhí)行配置活動，諸如創(chuàng)建或配置工廠內(nèi)執(zhí)行的模塊四和30的，從而在工廠內(nèi)執(zhí) 行控制操作員活動，諸如改變設定點或其它控制變量等。當然例程35和39的數(shù)量和類型 不只僅限于此處所提供的描述，并且如需要的話，其它過程控制有關的例程的數(shù)量和類型 也可在工作站20-22中被存儲和執(zhí)行。
圖1中的工作站20-21、數(shù)據(jù)庫觀和一些控制器12也被示為包括可在諸如圖1中 分布式計算機網(wǎng)絡中實施的分布式仿真系統(tǒng)的組件。尤其是，工作站20被示為包括一組仿 真支持應用40，其可包括仿真配置應用、用戶界面應用和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以用于以在此所描述的 方式執(zhí)行過程工廠10的仿真。一般而言，仿真應用40使得用戶在圖1中的計算機網(wǎng)絡系 統(tǒng)中能夠創(chuàng)建、使用和查看分布式仿真系統(tǒng)的結(jié)果。更具體地說，分布式仿真系統(tǒng)包括可位 于圖1的計算機網(wǎng)絡上的各種不同計算設備(也叫做水滴(drop))的各種分布式仿真模塊 42。各個仿真模塊42存儲了被實施以仿真單個工廠組件或組件群的操作的模型，并且仿 真模塊42相互直接通信來實現(xiàn)工廠10的較大部分的仿真。任何特定的仿真模塊42可用 于來仿真工廠10的任一部分或部件，包括參與處理或物料流量的工廠裝置諸如罐、熱交換 器、控制器等的、或者裝置組諸如單元的特定部分。更進一步地，仿真模塊42可以位于計算 機網(wǎng)絡上的各種不同的設備或水滴內(nèi)并在其內(nèi)執(zhí)行，并且可以例如經(jīng)由通信總線M通信 以在仿真模塊42間發(fā)送數(shù)據(jù)，從而執(zhí)行較大工廠裝置群或組的仿真。當然，任何期望數(shù)量 的仿真模塊42可位于任何特定的水滴中，并且各個水滴會獨立于其它水滴而執(zhí)行其中的 模塊42，以便實施分布式仿真。然而，如果需要，與任何特定的仿真相關聯(lián)的所有仿真模塊 42可以存儲在同一種計算設備(如在單個水滴中)內(nèi)并由其執(zhí)行，并且還是以在此所描述 的方式實現(xiàn)。仿真模塊40可由任意授權(quán)用戶(諸如配置工程師、操作員或其它類型的用戶)訪 問，也可用于創(chuàng)建和配置分布式仿真系統(tǒng)的特定的實例，這是通過創(chuàng)建一組仿真模塊42并 且將這些仿真模塊42下載到在工廠或計算機網(wǎng)絡內(nèi)的不同水滴上來實現(xiàn)的。如圖1所示， 分布式仿真模塊42中的多個可以下載到連接到通信網(wǎng)絡M的工作站20-22、控制器12、數(shù) 據(jù)庫觀和/或其它計算機設備或處理設備并在其中實施。如有需要，仿真模塊42也可以位 于間接連接到通信網(wǎng)絡M的其它設備并在其中實施，諸如在現(xiàn)場設備16中、在連接到網(wǎng)絡 M上的設備之一的商務局域網(wǎng)(LAN)或者甚至是廣域網(wǎng)(WAN)中。更進一步，盡管總線M 在圖1中被示為用來連接實施仿真模塊的各種不同水滴的主要通信網(wǎng)絡，然而其它類型的 通信網(wǎng)絡也能夠被用來連接水滴，包括任意期望的LAN、WAN、英特網(wǎng)、無線網(wǎng)絡等。一旦被下載，當受控制模塊四和30和在控制器12并且也許是現(xiàn)場設備14、16內(nèi) 執(zhí)行的其它控制例程控制時，仿真模塊42單獨地執(zhí)行但相互協(xié)作運行來執(zhí)行工廠或在工 廠內(nèi)的組件和裝置。這樣的分布式仿真系統(tǒng)使得用戶能夠執(zhí)行關于工廠10的不同的仿真 和預測行為，經(jīng)由在一套仿真應用40中的用戶界面應用。如果需要，分布式仿真系統(tǒng)也可 以仿真運行的工廠或其任意部分，諸如圖1所示出的，或也可仿真實際尚未建成的工廠。雖然現(xiàn)有技術分布式仿真系統(tǒng)包括在具有使用第一原理算法的仿真組件的分離 的計算設備中執(zhí)行的仿真組件，但是這些現(xiàn)有技術仿真系統(tǒng)在提供分離的仿真組件間的協(xié) 調(diào)方面存在困難，因為需要在不同的分離組件之間平衡質(zhì)量流量和使壓力、溫度等均衡或 匹配。這尤其在這樣的現(xiàn)有技術仿真系統(tǒng)中成為問題，即在此系統(tǒng)中下游組件影響上游組 件的質(zhì)量流速和壓力。例如，一組工廠組件的下游閥的關上或關閉影響上游組件的質(zhì)量流 量和壓力，而仿真系統(tǒng)必須考慮這些改變。在過去，分布式仿真系統(tǒng)(如過程控制仿真系 統(tǒng))通常不能夠使下游的改變在上游組件的模型得以識別，至少在分布式模塊中，因為模 塊的計算首先在上游組件中執(zhí)行，并且其中的結(jié)果被傳送到下游組件以在下游組件的建模 中使用。因為信息流總是從上游組件到下游組件，對下游組件的設置所作改變不能被上游組件的模型所考慮。為了在仿真質(zhì)量流量時解決這個問題，通常使用中央?yún)f(xié)調(diào)器來管理下 游改變和考慮這些改變，以及來執(zhí)行在各種不同的分布式仿真元素間的質(zhì)量流量和壓力平在此所述的分布式仿真系統(tǒng)，在另一方面，實施分布式仿真技術，其個別地求解過 程模塊以致于如有需要，所有主要裝置或組件模型都能夠基于第一原理方程式，而同時考 慮下游改變并且求解了分布式仿真模塊本身處的質(zhì)量和動量平衡。此外，在分布式仿真系 統(tǒng)中，模型方程式可被按序地求解而不需要嚴格的執(zhí)行順序并且不需要中央?yún)f(xié)調(diào)器的使 用，這有效地簡化了求解和故障檢測過程并且同時也為將來的修改和擴展提供更多的靈活 性，因為系統(tǒng)構(gòu)架本質(zhì)上是分布式的。如上所述，由分布式仿真方式所產(chǎn)生的困難之一是需要在不同的裝置組件仿真模 塊中同步交互的信息。特別是，因為模型方程式是基于單獨組件的特征而分離地求解的，無 法確保一個模型計算的運算結(jié)果與由在另一模塊中的執(zhí)行的運算所產(chǎn)生的條件相匹配。這 個問題的一個簡單的例子能夠以兩個級聯(lián)蒸汽/煙道排氣熱交換器(通常用于工業(yè)鍋爐系 統(tǒng))的例子示出，其中第一熱交換器的蒸汽流的出口通過管道(或管道系統(tǒng))與第二熱交 換器的入口連接。在系統(tǒng)的任何狀態(tài)下，兩個熱交換器入口 /出口連接必須具有匹配的蒸 汽流速(忽略管道動態(tài)特性)，因為蒸汽沒有其它的出入方式。然而，如果每個熱交換器的 第一原理模型方程式被單獨地求解，則兩個熱交換器得到的質(zhì)量流速可能不一致。在實施這一按序的求解機制中的另一困難與組件執(zhí)行次序的定向性有關。在通常 的拖放類型的通過圖行化構(gòu)造的控制方案中，每個單獨的組件在一個方向被按序地解決。 一個組件將它的計算輸出發(fā)送到下一個連接著的組件的輸入。然而，上游組件不會考慮到 來自下游的計算結(jié)果(即使任一中間結(jié)果)。換句話說，如果沒有自下游組件到上游組件的 明確的反饋，任一在下游組件中的過程改變都不會反映在上游組件中，除非定義大量全局 變量。然而，通常不希望在過程控制系統(tǒng)或工廠控制系統(tǒng)中使用全局變量，特別是在分布式 控制系統(tǒng)中，因為這樣的全局變量約束分布式組件的操作并且可能造成問題，其通常被構(gòu) 造為能夠賦值且使用任意局部變量而不需要擔心妨礙系統(tǒng)中的其它組件。為了在通過圖形構(gòu)造的商用仿真環(huán)境中使這個辦法盡可能地接近高逼真度，在此 所述的分布式仿真系統(tǒng)中執(zhí)行和實施了三個策略。第一，實施管涌機制，用以調(diào)和所有連接 的路徑中的流量。第二，所有在運行中被系統(tǒng)利用的值都被安放在被稱為記錄的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 中，所述記錄是相關值的聚集。系統(tǒng)采用了唯一的被稱為系統(tǒng)ID的數(shù)字標識來標識所有記 錄。每個仿真算法塊被分配一個記錄，其用于安放有關該仿真塊模型的所有配置信息。此 外，一旦模型算法的系統(tǒng)ID是已知的，不僅是存儲于它的記錄中的配置信息是可訪問的， 而且由仿真模塊或它的相關聯(lián)的建模算法在運行期間計算出的所有動態(tài)信息也可訪問。這 些算法記錄系統(tǒng)ID能夠被用來使一種類型的在算法或仿真塊間的過程間通信變得容易。 在一種情況下，仿真算法的系統(tǒng)ID在圖形控制構(gòu)造者環(huán)境中可被分配信號引腳，其允許用 戶將信號連接在一起來定義信息路徑。使用這種方法，用戶能夠通過簡單地將算法記錄信 號連接在一起來定義在兩個仿真模塊或算法塊之間的液流(如水、蒸汽或任一其它類的介 質(zhì)的流動)。第三，在離散時間的計算機實施中，快速采樣率被用以減少組件到組件傳輸延遲， 尤其當傳播方向與按序的執(zhí)行順序不同時。利用分布式控制系統(tǒng)平臺的分布式本質(zhì)的優(yōu)點幾乎可以保證滿足這一要求。理論上，對仿真系統(tǒng)的任何期望的模型增強、擴展或增加，都 可以通過增加另一個處理單元到網(wǎng)絡系統(tǒng)來提供。盡管此處所述的仿真系統(tǒng)能夠被用于任何期望類型的工廠來仿真通過工廠的物 料流(液體、氣體或者甚至是固體)，一個示例性分布式仿真系統(tǒng)在此被描述為，被用于仿 真使用分布式仿真技術來控制的發(fā)電廠。然而，此處所述的分布式仿真技術能夠被用于其 他類型的工廠和控制系統(tǒng)，包括工業(yè)制造和處理工廠、水和污水處理廠等，并且能夠用于中 央執(zhí)行的控制系統(tǒng)或用作分布式控制系統(tǒng)。圖2示出的可由例如熱電廠使用的典型的鍋爐100的鍋爐蒸汽循環(huán)的結(jié)構(gòu)圖。鍋 爐100包括各種零件，蒸汽或水以各種形式諸如過熱蒸汽、再熱蒸汽等流過這些零件。雖然 圖2中所示的鍋爐100有各種水平地坐落的鍋爐零件，但是在實際實施中，這些零件中的一 個或多個也可垂直放置，特別是因為加熱在諸如水冷壁式吸收零件的各種鍋爐零件中的蒸 汽的煙道氣體垂直上升。在任何情況下，圖2中示出的鍋爐100包括水冷壁式吸收零件102，初級過熱吸收 零件104、過熱吸收零件106和再熱零件108。另外，鍋爐100包括一個或多個過熱減低器 110和112和經(jīng)濟器零件114。由鍋爐100產(chǎn)生的主蒸汽用于驅(qū)動高壓(HP)渦輪機116，而 從再熱零件108出來的燙的再熱蒸汽用于驅(qū)動中壓(IP)渦輪機118。通常，鍋爐100也用 于驅(qū)動低壓(LP)渦輪機，這在圖2中未示出。水冷壁式吸收零件102，其主要負責產(chǎn)生蒸汽，包括若干管道，蒸汽通過這些管道 進入鍋筒。進入水冷壁式吸收零件102的給水可以通過經(jīng)濟器零件114汲水。當在水冷壁 式吸收零件102中時，給水吸收大量的熱量。水冷壁式吸收零件102具有蒸汽鍋筒，其包含 水和蒸汽兩者，并且要小心地控制在鍋筒中的水位。在蒸汽鍋筒頂部所收集的蒸汽被供給 到初級過熱吸收零件104，并且然后到過熱吸收零件106，其一起將蒸汽溫度升到很高的水 平。從過熱吸收零件106輸出的主蒸汽驅(qū)動高壓渦輪機116來發(fā)電。一旦主蒸汽驅(qū)動HP渦輪機116，排出蒸汽按路線到達再熱吸收零件108，并從再熱 零件108輸出的燙的再熱蒸汽被用于驅(qū)動IP渦輪機118。過熱減低器110和112可被用于 將最后的蒸汽溫度控制到需要的設定點。最后，來自IP渦輪機118的蒸汽可以通過LP渦 輪機(此處未示出)汲取到蒸汽冷凝器(此處未示出)，在那里蒸汽凝結(jié)成液體的形式，并 且循環(huán)再次開始，其中在下一個循環(huán)中各種鍋爐進給泵抽取給水。經(jīng)濟器零件114位于從 鍋爐離開的熱的排出蒸汽的流程中，并且在給水進入水冷壁式吸收零件102前，使用該熱 氣體來傳遞額外的熱量到給水。圖3示出的一組仿真模塊42，其可以以分布式的方式使用或?qū)嵤?，以仿真圖2的 蒸汽鍋爐循環(huán)的操作。正如圖3中能夠看到的，分布式仿真模塊42包括分離的仿真模塊以 用于每個在圖2中所描繪的主要工廠元素，包括水冷壁式吸收仿真模塊102S、初級過熱吸 收仿真模塊104S、過熱吸收仿真模塊106S、再熱吸收仿真模塊108S、過熱降溫器仿真模塊 IlOS和112S、經(jīng)濟器仿真模塊114S和渦輪機仿真模塊116S和118S。當然，這些仿真模塊 包括工廠元素模型，其可以是以第一原理方程式的、或者是任何其它所期望的模型的類型 的形式，其建模這些元素的操作以便基于所提供的輸入而為圖2的相應工廠設備產(chǎn)生仿真 輸出。雖然圖3中為每個圖2中的主要工廠組件都示出了一個分離的仿真模塊，但是仿真 模塊能夠用于圖2中的這些組件的子組件或者單個的仿真模塊能夠結(jié)合多個圖2中的工廠組件而被創(chuàng)建。然而，正如圖3所示出的，分布式仿真系統(tǒng)還包括管道仿真模塊P1-P8，其放置在 上述的工廠元素仿真模塊之間。管道仿真模塊P1-P8的一般操作將在下面更詳細地描述， 但首要地負責對工廠元素仿真模塊間的流量進行建模、提供從下游仿真模塊到上游仿真模 塊的反饋、并且實施質(zhì)量流量和動量平衡方程式來均衡由不同的工廠元素仿真模塊所執(zhí)行 的仿真。因此，一般而言，在此所述的分布式仿真技術和系統(tǒng)使用了若干分離的仿真模塊， 其中每個仿真模塊建?；虼碓诒环抡娴倪^程或工廠中的不同的激活的組件(在此稱作 工廠元素仿真模塊)或者建?；虼碓诠S內(nèi)的連接元素(在此稱作管道仿真模塊)。在 操作期間，每個仿真模塊可被分離地執(zhí)行，無論是在共同的機器或處理器中或者在分離的 機器或處理器中，從而實現(xiàn)了并行和分布式地處理。因而，例如，圖3中的不同的仿真模塊 能夠在圖1的工作站20-22、圖1的控制器12、圖1的現(xiàn)場設備16、圖1的數(shù)據(jù)庫觀等中的 不同的且各種各樣的多個中被執(zhí)行。如上所示，并且如圖3中所示的，圖3的仿真模塊中的每一個包括一個或多個可執(zhí) 行的模型202來建模相關聯(lián)的工廠元素或管道的操作，并且仿真模塊操作以實施這些模型 202來基于遞送到工廠元素的(以液體、固體、控制信號等形式的)輸入來仿真工廠元素。 在大多數(shù)情況下，仿真模塊將基于來自上游仿真模塊的輸入(如液體輸入、氣體輸入等)的 指示而執(zhí)行仿真，并且將產(chǎn)生一個或多個輸出指示，指示過程或工廠元素的輸出(如以液 體或氣體的輸出形式等)。在工廠元素仿真模塊中使用的模型202可以是用于被仿真的裝 置的特定部分的第一原理模型或任意其它適合類型的模型。圖3中的管道仿真模塊P1-P8 也包括模型202和一組方程式，其執(zhí)行質(zhì)量流量和動量平衡例程來平衡在不同的過程仿真 元素間的質(zhì)量流量、壓力等。重要地是，圖3中一個或多個模型202被設計和配置為使用一個或多個與上游和 /或下游仿真模塊相關聯(lián)的過程變量(如壓力、溫度、流速等)來對工廠元素的操作進行建 模，并且操作以平衡在仿真模塊之間的壓力、流速、溫度等，從而保證橫跨多個仿真模塊的 質(zhì)量守恒等。此外，特定仿真模塊的模型在執(zhí)行與它相關聯(lián)的工廠元素的仿真中使用下游 信息(如來自下游仿真模塊的壓力，流速，溫度等)，信息自動地從上游元素流向下游元素， 并且這些信息然后在下一個仿真循環(huán)/周期期間被考慮，使得整體仿真更精確。因此，如上所述，有兩種基本類型的仿真模塊，包括過程元素仿真模塊和管道仿真 模塊。如在此所使用的，過程元素仿真模塊對在其入口和出口處之外執(zhí)行質(zhì)量流量增加或 減少的或執(zhí)行機械能增加或減少的工廠元素進行仿真，盡管其它工廠元素也可以由過程元 素仿真模塊建模。過程仿真元素的例子包括熱交換器、鍋爐、過熱機、罐等。如此處所使用 的，管道仿真模塊的概念包括所有類型的連接設備，其不具有質(zhì)量流量增加或減少或任何 機械或熱能增加或減少，除了在其入口和出口處之外。管道仿真模塊可包括但不限于實際 管道(長或短)、閥，結(jié)點/分離器等的仿真?；旧希艿婪抡婺K用于在仿真技術中引 進一個機會來實施分布式仿真模塊間的質(zhì)量流量平衡操作。在實施這些平衡方程式的過程 中，管道仿真模塊還提供自下游仿真模塊到上游仿真模塊的反饋，從而不使用或不需要中 央?yún)f(xié)調(diào)器，就能夠?qū)⒃谙掠谓M件中改變的事件或變量以相對快速的方式反映到上游仿真模 塊中并影響上游仿真模塊。為了在不需要中央?yún)f(xié)調(diào)器的情況下正常操作，圖3中的每個仿真模塊直接從它緊接著的上游和下游的仿真模塊接收信息，而該信息表明與這些上游和下游仿真模塊相關聯(lián) 的或者在這些上游和下游仿真模塊中計算的某些過程和控制變量信息。為了實施此通信結(jié) 構(gòu)，圖3中的每個仿真模塊包含一個或多個存儲裝置位置210，其唯一地與仿真模塊相關聯(lián) 和綁定并且存儲來自上游和/或下游仿真模塊的信息以供仿真模塊在其建模過程中使用。 此存儲和通信結(jié)構(gòu)的細節(jié)將在下面更詳細地描述。在任何情況下，圖3中的仿真模塊的每一個，包括管道仿真模塊P1-P8，可以如此 方式執(zhí)行在兩個或更多的相關聯(lián)的仿真模塊的輸入和輸出之間的質(zhì)量流量平衡，以致于 在整個仿真中小的計算誤差能夠被校正或考慮，并且以致于下游工廠元素仿真模塊的改變 能夠在上游工廠元素仿真模塊中被使用或反映。一般而言，每個仿真模型202使用緊接著 的上游的一個或多個仿真組件和緊接著的下游的一個或多個仿真組件二者的過程變量，諸 如壓力、溫度、流速等，來平衡這些上游和下游組件的輸出之間的質(zhì)量流量和其它變量，從 而保證仿真結(jié)果在多個仿真組件上被平衡(如使質(zhì)量守恒)。圖4所示的簡化的仿真系統(tǒng)300的部分將用來說明與上游和下游工廠元素仿真模 塊相協(xié)作的管道仿真模塊的操作，以說明管道仿真模塊能夠利用上游和下游的仿真變量來 執(zhí)行質(zhì)量流量平衡的一種方式。正如將要看到的，圖4中的示例性仿真系統(tǒng)300包括由管道 仿真模塊306互連的兩個過熱器工廠元素仿真模塊302和304。第一(上游)過熱器仿真 模塊302的出口與第二(下游)過熱器仿真模塊304的入口分別使用流道引腳以流道連到 管道模塊306的入口和出口。這種配置允許各種液流值作為信息向量在仿真模塊302-306 的算法之間傳遞，并且還允許管道仿真算法訪問下游連接的仿真模塊304中的模型算法所 計算出的輸出壓力。一般而言，與工廠元素仿真模塊302和304相關聯(lián)的算法以使用下游變量值的方 式計算出口變量，諸如壓力，從而提供更精確的仿真，因為使用本技術跨越多個仿真模塊地 調(diào)和了過程變量諸如壓力、溫度、和流速。例如，在管道仿真模塊306中的管道建模算法被 構(gòu)建用于調(diào)和不同組件之間的流速(在此例中是在過熱器302和304之間)，并且管道仿真 模塊306的輸出壓力Px充當關鍵調(diào)和因素。在操作期間，在過熱器仿真模塊302和304中運行的模型為過熱器302和過熱器 304計算分別表示為P1和P2的出口壓力。過熱器304的輸入壓力表示為Px。在這個例子中，每個仿真模塊302和304中的算法以一種以下會更詳細描述的方 式公布其計算出的輸出壓力，作為算法共享的存儲器的一部分。且作為結(jié)果，任何特定部件 的出口壓力可以由在流動通道中直接連在它前面(上游)的算法訪問。在圖4的仿真安 排中，用于仿真模塊304的過熱器模型計算輸出壓力P2，而用于仿真模塊302的過熱器模型 計算輸出壓力Pi。假設管道元素306是無損的，壓力？工和^應該是一樣的。在一個非無損 的管道情況下，兩個壓力P1和Px將不相等，而將相差在管道元素的兩個末端的壓力差(或 跨越管道元素的壓力損失)。然而，因為每個裝置模型(或每個裝置零件的模型)是單獨地計算的，所以不能保 證，在每個采樣時間內(nèi)，一個特定裝置的出口流量都與下一個下游裝置入口流量相等。因 此，調(diào)和機制必須到位，以確保這些質(zhì)量流速匹配。此機制是通過連接的管道仿真模塊306 內(nèi)的對出口壓力Px的計算來實施的?？捎晒艿婪抡婺K306執(zhí)行以調(diào)和圖4中在仿真模 塊302和304間的壓力和質(zhì)量流量的計算將在下文中討論。
在這個例子中，方程(1)設置流進管道元素306中的質(zhì)量流量和流出管道元素306 的質(zhì)量流量彼此相等，這必定是在具有無損管道的穩(wěn)態(tài)情況下的情形。
權(quán)利要求
1.用于對質(zhì)量流過的一組物理工廠元素的操作進行仿真的分布式仿真系統(tǒng)，包括計算機網(wǎng)絡，其包含多個和通信地耦接所述多個水滴的通信網(wǎng)絡，其中，所述多個水滴中的每一個包含處理器；以及多重由處理器實施的仿真模塊，所述多重仿真模塊中的每一個包括對所述物理工廠元 素中的不同的一個物理工廠元素的操作建模的過程模型，其中所述仿真模塊中的第一仿真 模塊和所述仿真模塊中的第二仿真模塊位于所述多個水滴中的不同的水滴中，其中，所述仿真模塊中的所述第一仿真模塊對所述一組物理工廠元素中的第一物理工 廠元素的操作建模，以及所述仿真模塊中的所述第二仿真模塊對所述一組物理工廠元素中 的第二物理工廠元素的操作建模，所述一組物理工廠元素中的所述第二物理工廠元素放置 在所述一組物理工廠元素中的所述第一物理工廠元素的下游，其中所述第一仿真模塊的過 程模型使用由所述第二仿真模塊計算的過程變量值以產(chǎn)生與由所述第一仿真模塊所建模 的所述物理工廠元素的操作相關聯(lián)的輸出，并且其中所述第一和第二仿真模塊相互通信計 算出的過程變量信息，以執(zhí)行在所述第一個物理工廠元素和所述第二個物理工廠元素間的 質(zhì)量流量的仿真。
2.如權(quán)利要求1所述的仿真系統(tǒng)，其中所述第一仿真模塊實施一個或多個質(zhì)量流量平 衡方程式以確定到所述第二仿真模塊的輸入。
3.如權(quán)利要求2所述的仿真系統(tǒng)，其中到所述第二仿真模塊的所述輸入包括由所述第 二仿真模塊所建模的所述物理工廠元素中的所述第二物理工廠元素的輸入處的壓力值。
4.如權(quán)利要求2所述的仿真系統(tǒng)，其中到所述第二仿真模塊的所述輸入包括與由所述 第二個仿真模塊所建模的所述物理工廠元素中的所述第二物理工廠元素的所述輸入相關 聯(lián)的質(zhì)量流速。
5.如權(quán)利要求1所述的仿真系統(tǒng)，其中所述第一仿真模塊包含對所述工廠內(nèi)的物理的 管道元素的操作建模的模型。
6.如權(quán)利要求1所述的仿真系統(tǒng)，其中所述第一仿真模塊包含對所述工廠內(nèi)的物理的 罐元素的操作建模的模型。
7.如權(quán)利要求1所述的仿真系統(tǒng)，其中所述第一仿真模塊的所述過程模型將壓力和流 量之間的關系建模為二次關系。
8.如權(quán)利要求1所述的仿真系統(tǒng)，其中所述第一仿真模塊與不執(zhí)行海量存儲的第一物 理工廠元素相關聯(lián)，并且其中所述第一仿真模塊包含臨時質(zhì)量流量存儲算法，該算法確定 作為動態(tài)改變的結(jié)果的在所述第一物理工廠元素的輸入與輸出之間的質(zhì)量流量上的不平 衡，并且存儲質(zhì)量流量上的不平衡的值。
9.如權(quán)利要求8所述的仿真系統(tǒng)，其中所述臨時質(zhì)量流量存儲算法將在所述第一仿真 模塊的特定的執(zhí)行周期期間確定的所述存儲的質(zhì)量流量上的不平衡發(fā)送到另一個仿真模 塊，并且將所述第一仿真模塊內(nèi)的所述存儲的質(zhì)量流量上的不平衡設為零。
10.如權(quán)利要求9所述的仿真系統(tǒng)，其中當所述存儲的質(zhì)量流量上的不平衡的值大于 零時，所述臨時質(zhì)量流量存儲算法發(fā)送所述存儲的質(zhì)量流量上的不平衡到上游仿真模塊， 并且其中當所述存儲的質(zhì)量流量上的不平衡的值小于零時，所述臨時質(zhì)量流量存儲算法發(fā) 送所述存儲的質(zhì)量流量上的不平衡到下游仿真模塊。
11.如權(quán)利要求1所述的仿真系統(tǒng)，其中所述水滴中的至少一個水滴包含通信例程，其作為后臺進程實施在位于所述水滴中的所述至少一個水滴處的仿真模塊和位于不同的水 滴處的上游或下游仿真模塊之間的通信。
12.如權(quán)利要求1所述的仿真系統(tǒng)，其中位于特定的水滴處的所述仿真模塊中的至少 一個仿真模塊存儲通信算法，該算法操作以提供從所述仿真模塊中的所述一個仿真模塊到 另一個上游或下游仿真模塊的變量的通信，其中所述通信算法存儲用于為所述第一仿真模 塊的唯一的標識，其用于將信息通信到所述另一個上游或下游仿真模塊。
13.如權(quán)利要求10所述的仿真系統(tǒng)，其中所述第一仿真模塊的所述過程模型是第一原 理模型。
14.用于仿真質(zhì)量流過的一組物理工廠元素的操作的方法，包括創(chuàng)建一組能夠分離地執(zhí)行的仿真模塊，所述一組仿真模塊中的每一個包含對所述物理 工廠元素中的不同的一個物理工廠元素的操作建模的過程模型；將所述能夠分離地執(zhí)行的仿真模塊中的不同的仿真模塊存儲在計算機網(wǎng)絡中的多個 通信地互聯(lián)的水滴中，從而所述能夠分離地執(zhí)行的仿真模塊中的第一仿真模塊與所述一組 能夠分離地執(zhí)行的仿真模塊中的第二仿真模塊位于不同的水滴中；其中，在水滴中執(zhí)行時，仿真模塊執(zhí)行相關聯(lián)的過程模型以對相關聯(lián)的物理工廠元素 的操作建模，并且與一個或多個緊鄰的上游仿真模塊或者一個或多個緊鄰的下游仿真模塊 直接通信以將過程變量數(shù)據(jù)提供給所述一個或多個緊鄰的上游仿真模塊或者所述一個或 多個緊鄰的下游仿真模塊，并且所述一組仿真模塊中的特定的一個仿真模塊的過程模型使 用由下游仿真模塊計算出的過程變量的值以產(chǎn)生與由所述一組仿真模塊中的所述特定的 一個仿真模塊所建模的所述物理工廠元素的操作相關聯(lián)的輸出，從而執(zhí)行在所述一組仿真 模塊的所述特定的一個仿真模塊和所述下游仿真模塊間的質(zhì)量流量平衡。
15.如權(quán)利要求14所述的仿真一組物理工廠元素的操作的方法，其中所述一組仿真模 塊中的所述特定的一個仿真模塊與物理管道元素相關聯(lián)。
16.如權(quán)利要求14所述的仿真一組物理工廠元素的操作的方法，其中所述一組仿真模 塊中的所述特定的一個仿真模塊實施一個或多個質(zhì)量流量平衡方程式以確定到所述下游 仿真模塊的壓力或溫度輸入。
17.如權(quán)利要求16所述的仿真一組物理工廠元素的操作的方法，包含使用一個或多個 質(zhì)量流量平衡方程式，其將壓力和流量之間的關系建模為二次關系。
18.如權(quán)利要求14所述的仿真一組物理工廠元素的操作的方法，進一步包括使用所 述一組仿真模塊中的特定的一個仿真模塊來仿真不執(zhí)行海量存儲的第一物理工廠元素的 操作，并且包括在所述一組仿真模塊中的所述特定的一個仿真模塊內(nèi)確定作為動態(tài)改變的 結(jié)果的在所述第一物理工廠元素的輸入與輸出間的質(zhì)量流量上的不平衡，并且將質(zhì)量流量 上的所述不平衡的值臨時地存儲為與所述一組仿真模塊中的所述特定的一個仿真模塊相 關聯(lián)。
19.如權(quán)利要求18所述的仿真一組物理工廠元素的操作的方法，進一步包括在一個 或多個連續(xù)的執(zhí)行周期中，將在所述一組仿真模塊中的所述特定的一個仿真模塊的第一執(zhí) 行周期期間確定的所述存儲的質(zhì)量流量上的不平衡發(fā)送到一個或多個緊鄰的仿真模塊，并 且將所述一組仿真模塊中的所述特定的一個仿真模塊的所述存儲的質(zhì)量流量上的不平衡 設為零。
20.如權(quán)利要求14所述的仿真一組物理工廠元素的操作的方法，其中存儲所述仿真模 塊包括存儲一組仿真模塊，其包括與不執(zhí)行海量存儲的第一物理工廠元素相關聯(lián)的第一仿 真模塊，和與執(zhí)行海量存儲的第二物理工廠元素相關聯(lián)的第二仿真模塊，并且進一步地包 括在所述第一仿真模塊處確定，作為動態(tài)改變的結(jié)果的在所述第一物理工廠元素中的輸入 和輸出之間的質(zhì)量流量上的不平衡，并將由所述第一仿真模塊所確定的所述在質(zhì)量流量上 的不平衡發(fā)送到所述第二仿真模塊以用于在所述第二仿真模塊中處理。
21.如權(quán)利要求20所述的仿真一組物理工廠元素的操作的方法，其中將由所述第一仿 真模塊所確定的所述質(zhì)量流量上的不平衡發(fā)送到所述第二仿真模塊包括，通過一個或多個 中間仿真模塊而將所述質(zhì)量流量上的不平衡從所述第一仿真模塊發(fā)送到所述第二仿真模 塊，其中所述中間仿真模塊中的每一個與不執(zhí)行海量存儲的物理工廠元素相關聯(lián)。
22.如權(quán)利要求20所述的仿真一組物理工廠元素的操作的方法，其中存儲所述仿真模 塊包括存儲第二仿真模塊，其通信地連接到所述第一仿真模塊的上游，并且其中將由所述 第一仿真模塊所確定的所述質(zhì)量流量上的不平衡發(fā)送到所述第二仿真模塊包括，當由所述 第一仿真模塊所確定的所述質(zhì)量流量上的不平衡為正時，將由所述第一仿真模塊所確定的 所述質(zhì)量流量上的不平衡向上游發(fā)送到所述第二仿真模塊。
23.如權(quán)利要求20所述的仿真一組物理工廠元素的操作的方法，其中存儲所述仿真模 塊包括存儲第二仿真模塊，其通信地連接到所述第一仿真模塊的下游，并且其中將由所述 第一仿真模塊所確定的所述質(zhì)量流量上的不平衡發(fā)送到所述第二仿真模塊包括，當由所述 第一仿真模塊所確定的所述質(zhì)量流量上的不平衡為負時，將由所述第一仿真模塊所確定的 所述質(zhì)量流量上的不平衡向下游發(fā)送到所述第二仿真模塊。
24.如權(quán)利要求18所述的仿真一組物理工廠元素的操作的方法，其中存儲所述仿真模 塊包括存儲一組仿真模塊，其包括與不執(zhí)行海量存儲的第一物理工廠元素相關聯(lián)的第一仿 真模塊，所述第一仿真模塊通信地放置在第二仿真模塊的下游并且通信地放置在第三仿真 模塊的上游，其中所述第二和第三仿真模塊與執(zhí)行海量存儲的物理工廠元素相關聯(lián)，以及 進一步包括在所述第一個仿真模塊處確定作為動態(tài)改變的結(jié)果的在所述第一物理工廠元 素的輸入和輸出間的質(zhì)量流量上的不平衡，并且當所述質(zhì)量流量上的不平衡為正時，將由 所述第一仿真模塊所確定的所述質(zhì)量流量上的不平衡發(fā)送到所述第二仿真模塊以用于在 所述第二仿真模塊中處理，而當所述質(zhì)量流量上的不平衡為負時，將由所述第一仿真模塊 所確定的所述質(zhì)量流量上的不平衡發(fā)送到所述第三仿真模塊以用于在所述第三仿真模塊 中處理。
25.如權(quán)利要求14所述的仿真一組物理工廠元素的操作的方法，進一步包括將在位于 第一水滴處的特定的仿真模塊和位于第二水滴處的上游或下游仿真模塊之間的通信實施 為在所述第一和第二水滴中的每一個中的后臺進程。
26.如權(quán)利要求14所述的仿真一組物理工廠元素的操作的方法，包括在各個仿真模塊 存儲唯一的標識并且使用所述唯一的標識在緊鄰的上游或下游仿真模塊對之間通信信息， 從而提供各對緊鄰的仿真模塊之間的直接通信。
27.用于對質(zhì)量流過的一組物理工廠元素的操作進行仿真的分布式仿真系統(tǒng)，包括多重由處理器實施的仿真模塊，所述多重仿真模塊中的每一個包含對所述物理工廠元素中的不同的一個物理工廠元素的操作建模的過程模型，其中所述仿真模塊中的第一仿真模塊和所述仿真模塊中的第二仿真模塊位于計算機網(wǎng)絡的一組水滴中的不同的水滴中并 且通過與所述計算機網(wǎng)絡相關聯(lián)的通信網(wǎng)絡相互通信；其中，在所述仿真系統(tǒng)的操作中，所述仿真模塊中的每一個，按照與所述仿真模塊相關 聯(lián)的物理工廠元素物理地相互耦接以實現(xiàn)質(zhì)量流的次序，直接地、通信地耦接到一個或多 個上游或下游仿真模塊，使得通信地耦接的仿真模塊的相鄰對相互直接地通信信息，并且 其中所述仿真模塊中的至少一個仿真模塊實施過程模型，該過程模型使用從下游仿真模塊 接收的過程變量信息來執(zhí)行質(zhì)量流量平衡方程式以平衡在所述仿真模塊中的所述至少一 個仿真模塊和所述下游仿真模塊間的質(zhì)量流量。
28.如權(quán)利要求27所述的分布式的仿真系統(tǒng)，其中所述質(zhì)量流量平衡方程式將壓力和 質(zhì)量流量之間的關系建模為二次關系。
29.如權(quán)利要求27所述的分布式的仿真系統(tǒng)，其中所述仿真模塊中的所述至少一個仿 真模型的所述過程模型使用從所述下游模塊接收的壓力過程變量信息來確定所述仿真模 塊中的所述至少一個仿真模塊的輸出。
30.如權(quán)利要求27所述的分布式仿真系統(tǒng)，其中所述多重仿真模塊包括與不執(zhí)行海 量存儲的第一物理工廠元素相關聯(lián)的第一仿真模塊，所述第一仿真模塊通信地放置在第二 仿真模塊的下游并且通信地放置在第三仿真模塊的上游，其中所述第二和第三仿真模塊與 執(zhí)行海量存儲的物理工廠元素相關聯(lián)，并且其中所述第一仿真模塊確定作為動態(tài)改變的結(jié) 果的在所述第一物理工廠元素的輸入和輸出之間的質(zhì)量流量上的不平衡，并且當所述質(zhì)量 流量上的不平衡為正時，將由所述第一仿真模塊所確定的所述質(zhì)量流量上的不平衡發(fā)送到 所述第二仿真模塊以用于在所述第二仿真模塊中處理，而當所述質(zhì)量流量上的不平衡為負 時，將由所述第一仿真模塊所確定的所述質(zhì)量流量上的不平衡發(fā)送到所述第三仿真模塊以 用于在所述第三仿真模塊中處理。
31.如權(quán)利要求27所述的分布式仿真系統(tǒng)，其中多重仿真模塊包括與不執(zhí)行海量存儲 的第一物理工廠元素相關聯(lián)的第一仿真模塊，和與執(zhí)行海量存儲的第二物理工廠元素相關 聯(lián)的第二仿真模塊，并且其中，所述第一仿真模塊確定作為動態(tài)改變的結(jié)果的在所述第一 物理工廠元素的輸入和輸出之間的質(zhì)量流量上的不平衡，并且將由所述第一仿真模塊所確 定的所述質(zhì)量流量上的不平衡發(fā)送到所述第二仿真模塊以用于在所述第二仿真模塊中處 理。
32.如權(quán)利要求31所述的分布式仿真系統(tǒng)，其中所述第一仿真模塊經(jīng)由一個或多個中 間仿真模塊而將由所述第一仿真模塊所確定的所述質(zhì)量流量上的不平衡發(fā)送到所述第二 仿真模塊，其中所述中間仿真模塊中的每一個與不執(zhí)行海量存儲的物理工廠元素相關聯(lián)。
33.如權(quán)利要求27所述的分布式仿真系統(tǒng)，進一步包括在所述水滴的每一個處的通信 算法，其執(zhí)行在位于分離的水滴中的緊鄰的仿真模塊之間的通信，作為在所述水滴處的所 述處理器內(nèi)的后臺任務。
34.如權(quán)利要求33所述的分布式仿真系統(tǒng)，其中在特定的水滴處的所述仿真模塊中 的至少一個仿真模塊存儲唯一地標識所述仿真模塊中的所述一個仿真模塊的標識，并且其 中，在所述特定的水滴處的所述通信算法使用在所述特定的水滴處的所述仿真模塊中的所 述至少一個仿真模塊的標識，來執(zhí)行在所述特定的水滴處的所述仿真模塊中的所述至少一 個仿真模塊和與在所述仿真模塊中的所述至少一個仿真模塊緊鄰的另一個水滴處的仿真模塊之間的通信，從而執(zhí)行在不同的水滴處的相鄰仿真模塊對之間的通戶
35、苗lifffff所述的分布式仿真系統(tǒng)，其中，在所述仿真系統(tǒng)的各個執(zhí)行周期期 L』 接吉,禾嚇游仿真模塊中麵釘膽態(tài)塊，瓶觸腿.館觀紐算的數(shù)據(jù)
全文摘要
本發(fā)明涉及改善的分布式工業(yè)過程仿真系統(tǒng)。一種高逼真度的分布式工廠仿真技術包括多個分離的仿真模塊，其可在不同的水滴或計算設備中分離地存儲和執(zhí)行。這些仿真模塊相互直接通信來執(zhí)行對工廠的精確仿真，而無需中央?yún)f(xié)調(diào)器來協(xié)調(diào)仿真系統(tǒng)的運行。至少一些仿真模塊，當開始執(zhí)行時，執(zhí)行質(zhì)量流量平衡，考慮與相鄰的仿真模塊相關聯(lián)的過程變量，從而確保在整個仿真系統(tǒng)中壓力、溫度和流量的平衡(即質(zhì)量流量守恒)。在動態(tài)情況下，瞬態(tài)海量存儲中繼技術用于解釋經(jīng)過由仿真模塊所仿真的非存儲式設備的質(zhì)量流量中的瞬時變化。再者，位于不同的水滴中的相鄰仿真模塊使用后臺處理任務來相互直接通信，這簡化了相鄰仿真模塊之間的通信，無需中央?yún)f(xié)調(diào)器。
文檔編號G05B17/02GK102081358SQ20101058417
公開日2011年6月1日 申請日期2010年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者B·E·伊德斯蒂, R·W·克法特, X·程, 溫成濤 申請人:愛默生過程管理電力和水解決方案公司