混合顺序和同时过程仿真系统技术方案

一种有效地求解过程网络之中压强和流量的压强和流量计算技术，它使用同时和顺序求解方法。该计算技术首先基于每个过程网络元件的当前状态，确定每个过程网络元件的流导，通过确定每个过程元件的线性化流导来线性化过程网络的每个流量路径中的压强和流量关系，并且随后确定在每个流量路径中具有线性化复合过程组件的复合过程网络，以产生简化的过程网络。同时求解方法然后用于同时求解该简化过程网络的接头节点集合中的每个接头节点处的压强和流量，并且此后基于所确定的接头节点的压强和流量，应用顺序求解方法来确定在该过程网络的其他节点处的压强和流量。

【技术实现步骤摘要】
混合顺序和同时过程仿真系统
本专利技术概括而言涉及仿真流量网络，如在发电厂、工业制造工厂、过程工厂和其他类型的过程工厂中所使用那些流量网络的操作，更具体而言涉及用于有效地求解过程网络仿真系统中的实时压强/流量参数的系统和方法。
技术介绍
分布式过程控制系统，如在发电、化学制造、石油处理、工业制造或其他类型的工厂中典型地使用的那些分布式过程控制系统典型地包括一个或多个经由模拟、数字或组合的模拟/数字或无线总线可通信地耦合到多个现场设备的控制器。现场设备可以例如是阀、阀定位器、开关、发射器(例如温度、压强、等级和流动速率传感器)、火炉、热交换器、熔炉等等，其位于工厂环境中，并且响应于由该工厂控制器开发并且发送的控制信号而执行过程功能，如开启或关闭阀，测量过程参数等等。智能现场设备，如符合任意一个已知的Fieldbus协议的现场设备还可以执行控制计算、警报功能和通常实现在工厂控制器中或由工厂控制器实现的其他功能。同样典型地位于工厂环境中的工厂控制器接收指示由该现场设备进行的过程测量的信号，和/或接收与该现场设备相关的其他信息，并且实现用于运行例如不同的控制模块的控制应用，这些不同的控制模块进行过程控制决策，基于接收的信息生成过程控制信号，并且与在该现场设备中运行的控制模块或块进行协调，这些现场设备例如是和Fieldbus现场设备。该控制器中的控制模块通过通信线路或网络向现场设备发送过程控制信号，从而控制该过程的操作。通常使得来自现场设备和控制器的信息通过数据高速公路对于一个或多个其他计算设备可用，该些计算设备如操作员工作站、个人计算机、数字归档、报告生成器、集中式数据库等等，典型地被放置在控制室中或远离严酷的工厂环境的其他位置中。这些计算设备还可以运行这样一种应用，该应用可以例如使得操作员执行关于过程的功能，如改变过程控制例程的设置、修改控制器或现场设备中的控制模块的操作、查看过程的当前状态、查看由现场设备和控制器产生的警报、保持并且更新配置数据库等等。作为一个实例，艾默生过程管理所出售的控制系统包括存储在位于过程工厂之中的各种位置处的不同的设备中并且由其执行的多个应用。位于一个或多个操作员工作站中的配置应用使得用户能够创建或改变过程控制模块并且经由数据高速公路将这些过程控制模块下载到专用分布式控制器。典型地，这些控制模块由可通信地互连的功能块构成，该些功能块是面向对象的编程协议中的对象，并且基于到它们的输入来执行控制方案之中的功能并且向控制方案之中的其他功能块提供输出。该配置应用还可以允许设计者创建或改变操作员接口，其中该操作员接口被一查看应用所使用以向操作员显示数据并且使得操作员能够改变过程控制例程中的设置，如设置点。每个专用控制器以及在一些情况中的现场设备存储并且执行控制器应用，该控制器应用运行分配给并且下载到其中的控制模块，以实现实际的过程控制功能。可以运行在一个或多个操作员工作站中的该查看应用经由数据高速公路从控制器应用接收数据，并且向使用该用户接口的控制系统设计者、操作员或用户显示该数据。数据归档应用典型地被存储在数据归档设备中并且由其运行，数据归档设备收集并且存储通过数据高速公路提供的数据中的一些或全部，而配置数据库应用可以在附接到该数据高速公路的另一个计算机中运行，以存储当前的过程控制例程配置和与之相关联的数据。替代地，配置数据库可以位于与配置应用相同的工作站中。在许多工业中，希望实现一种用于仿真工厂或过程网络(包括各种工厂设备和连接在该工厂中的控制网络)的仿真系统。该仿真系统可用于测试该工厂的、响应于新或不同的控制变量(如设置点)的操作，以测试新的控制例程，以执行优化，以执行训练活动等等。结果，已经建议并且在过程工厂中使用了许多不同类型的工厂仿真系统。但是，由于正在被实现的复杂的过程，工厂中不断地改变的条件，包括设备随时间的降级以及工厂中的无法解释的干扰变量的出现，只有最复杂的仿真系统才典型地能够执行过程工厂的高保真仿真。当仿真商用工业过程设备时，通常并且熟知去使用第一原理物理法则或方程式来实现用于仿真系统中的一个或多个仿真模型。在该情况中，开发了一组复杂的第一原理方程式以建模各种工厂设备，并且仿真器求解所有或大部分模型方程式。有两种用于求解这些方程式的常用求解方法。第一方法可以被宽松地称为顺序求解方法，因为在该情况中，按顺序独立地求解在每个不同过程组件处的压强和流量变量，典型地从上游过程组件开始并且移动到下游过程组件。但是，在该方法中，如果各种不同的顺序计算没有会聚以在每个不同的过程节点处产生相同的流量值，则仿真器必须包括用于调和各种过程组件之间的流量差异的机制。该顺序求解方法具有快速执行的优点，因为在每个时间步骤(即，在每个仿真循环时间)由于可以在下一个仿真循环中执行的压强/流量计算中解决小的流量差异而不需要总的流量覆盖。但是，经过网络的压强和流量传播速度较缓慢，并且如果未被适当地处理，则流量不平衡可能导致仿真保真度较差。用于求解仿真系统中的第一原理方程式的另一并且更流行的方法可以被宽松地称为同时求解方法。在该类型的仿真中，集中式或公共的非线性方程式求解器用于在每个离散采样时间间隔期间，一起或同时求解整个过程网络的所有压强和流量方程式。典型地使用牛顿型方程式求解器，但是也可以使用其他类型的求解器。通过在单个位置中且在相同时间上来求解所有过程节点处的所有压强和流量关系，避免了不同的过程组件之间的流量失配，这是因为方程式被同时求解以确保在被仿真的过程网络的每个节点处流量平衡。然而，该技术具有的缺点是：在每个时间间隔或仿真循环期间需花费长时间和/或大量处理能力以找出解。该事实使得该技术有时对于实时仿真应用，特别是在具有大量过程节点的大型过程网络中，变得不切实际。该方法的另一个缺点在于：整个方程式结构是预先构造或预先建立的，并且该集中式求解程序因此可能在处理在特定情况中会出现的矩阵奇异性时遇到困难。例如，当在同一直的流量路径中的两个阀都被闭合时，如果方程式未被正确处理，则求解器可能不能确定这些阀之间的压强。另外，存在两种用于仿真过程网络的基本类型的仿真系统，包括集中式仿真系统和分布式仿真系统。集中式仿真系统典型地包括或者使用在集中位置处的同时求解方法，来求解在整个过程网络的每个节点处的压强和流量。牛顿-拉夫逊方法是当执行过程网络仿真时典型地用在集中式仿真系统中以执行大量第一原理方程式的同时求解的计算技术的公知的实例。事实上，该类型的方程式求解机制在很多情况中被视为是高保真仿真的要求。但是，与该类型的仿真系统相关联的主要缺点在于物理模型复杂并且计算昂贵，特别是当要建模的系统是高度非线性并且交互式时，结果，这些类型的仿真系统通常缓慢、计算效率低，并且可能在一些过程情况中在数值上不可靠。另一方面，分布式仿真系统试图通过在大量不同的设备(例如处理器)之间执行各种仿真任务，来克服与集中式仿真技术相关联的一些问题，并且这些仿真任务是彼此分离地或独立地实现(执行)的。典型地实现顺序求解方法的分布式仿真系统提供超过集中式仿真系统的大量优点，包括空间退耦、时间退耦、积分器退耦以及使用并行处理的能力。具体地，分布式仿真系统通过将大的仿真问题分解成较小的子问题的集合来提供空间退耦，从而允许改变、更新或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于仿真具有物理工厂元件集合的过程网络的操作的仿真系统，其中物质经过所述物理工厂元件流动，所述仿真系统包括：包括处理器和计算机可读存储器的计算机设备；存储在所述计算机可读存储器中的过程网络的定义，所述过程网络的定义包括与所述过程网络相关联的多个过程节点，其中在仿真中将要确定所述过程节点处的压强和流量，其中所述过程节点中的两个或更多个过程节点是接头节点，所述过程网络中的流量在所述接头节点处会聚或分叉，并且所述过程节点中的一个或更多个过程节点是与所述过程网络之中的过程元件相关联的非接头节点；以及存储在所述计算机可读存储器上的仿真例程，所述仿真例程在所述处理器上执行以在多个仿真循环中的每个仿真循环期间，确定所述过程网络的多个过程节点中的每个过程节点处的压强和流量，所述仿真例程包括：存储在所述计算机可读存储器上的第一例程，所述第一例程在所述处理器上执行以求解用于表示压强/流量关系的联立方程式集合，以在所述多个仿真循环中的每个仿真循环期间，确定每个所述接头节点处的压强，而无需确定每个所述非接头节点处的压强，并且确定所述接头节点之间的流量路径集合中的每个流量路径中的流量；以及存储在所述计算机可读存储器上的第二例程，所述第二例程在所述处理器上执行以基于在所述多个仿真循环中的每个仿真循环期间针对所述接头节点而确定的压强和所述流量路径中的流量，确定每个所述非接头节点的压强。...

【技术特征摘要】
2012.02.13 US 13/372,2521.一种用于仿真具有物理工厂元件集合的过程网络的操作的仿真系统，其中物质经过所述物理工厂元件流动，所述过程网络包括多个过程节点，所述多个过程节点包括形成所述过程网络中的所述多个过程节点的不同子集的多个接头节点和一个或多个非接头节点，所述仿真系统包括：包括处理器和计算机可读存储器的计算机设备；存储在所述计算机可读存储器中的所述过程网络的定义，所述过程网络的定义包括与所述过程网络相关联的所述多个过程节点，其中在仿真中将要确定所述过程节点处的压强和流量，其中所述过程节点中的两个或更多个过程节点是所述接头节点，所述过程网络中的流量在所述接头节点处会聚或分叉，并且所述过程节点中的一个或更多个过程节点是与所述过程网络之中的过程元件相关联的所述非接头节点；以及存储在所述计算机可读存储器上的仿真例程，所述仿真例程在所述处理器上执行以在多个仿真循环中的每个仿真循环期间，确定所述过程网络的多个过程节点中的每个过程节点处的压强和流量，所述仿真例程包括：存储在所述计算机可读存储器上的第一例程，所述第一例程在所述处理器上执行以求解用于表示压强/流量关系的联立方程式集合，以在所述多个仿真循环中的每个仿真循环期间，确定所述两个或更多个接头节点中的每个接头节点处的压强，而无需确定在所述一个或多个非接头节点中的每个非接头节点处的压强，并且确定所述两个或更多个接头节点之间的流量路径集合中的每个流量路径中的流量；以及存储在所述计算机可读存储器上的第二例程，所述第二例程在所述第一例程之后在所述处理器上执行，以基于在所述多个仿真循环中的每个仿真循环期间在所述第一例程中所确定的在所述两个或更多个接头节点中的每一个处的压强和在所述第一例程中所确定的在所述两个或更多个接头节点之间的所述流量路径中的流量，确定所述一个或多个非接头节点中的每个非接头节点处的压强。2.如权利要求1所述的仿真系统，其中所述仿真例程包括存储在所述存储器上的第三例程，所述第三例程在所述处理器上执行以确定所述过程网络的流量路径中的过程元件集合中的每个过程元件的流导，并且其中所述第一例程使用联立方程式集合，该联立方程式集合使用所述过程元件集合的流导来表示压强/流量关系。3.如权利要求2所述的仿真系统，其中所述第三例程确定所述过程元件集合中的每个过程元件的线性化流导，并且其中所述第一例程使用联立方程式集合，该联立方程式集合使用所述过程元件集合中的每个过程元件的所述线性化流导来表示压强/流量关系。4.如权利要求3所述的仿真系统，其中所述仿真例程包括组合例程，所述组合例程组合所述过程元件集合中在单个流量路径中的两个或更多个过程元件的线性化流导，以确定所述过程元件集合中在所述过程网络中的单个流量路径中的两个或更多个过程元件中的每个过程元件的复合线性化流导，并且其中所述第一例程使用联立方程式集合，该联立方程式集合使用所述复合线性化流导来表示压强/流量关系。5.如权利要求2所述的仿真系统，其中所述第三例程是在多个仿真循环中的每个仿真循环期间执行的所述仿真例程的一部分，并且其中所述第三例程在所述处理器上执行以在所述多个仿真循环中的每个仿真循环期间，基于所述过程元件中的至少一个过程元件的当前建模条件，确定所述过程元件集合中的所述一个过程元件的流导。6.如权利要求5所述的仿真系统，其中所述第三例程执行所述过程元件集合中的所述一个过程元件的模型，以确定所述过程元件集合中的所述一个过程元件的流导。7.如权利要求6所述的仿真系统，其中所述过程元件集合中的所述一个过程元件是阀，并且其中所述过程元件集合中的所述一个过程元件的模型基于所述阀中的可移动阀元件的位置来建模所述阀的流导。8.如权利要求2所述的仿真系统，还包括：存储在所述存储器上的流导确定例程，所述流导确定例程在所述处理器上执行以确定所述过程网络的一个或多个流量路径中的过程元件集合中的每个过程元件的流导，并且其中所述第一例程使用联立方程式集合，该联立方程式集合使用所述过程元件的流导来表示压强/流量关系。9.如权利要求8所述的仿真系统，还包括组合例程，用于组合所述过程元件集合中在单个流量路径中的两个或更多个过程元件中的每个过程元件的流导，以确定所述过程元件集合中在所述过程网络中的所述单个流量路径中的所述两个或更多个过程元件的复合流导，并且其中所述第一例程使用联立方程式集合，该联立方程式集合使用所述复合流导来表示压强/流量关系。10.如权利要求1所述的仿真系统，其中所述仿真例程包括方程式确定例程，该方程式确定例程执行以在每个所述仿真循环期间确定新的联立方程式集合。11.如权利要求10所述的仿真系统，其中所述方程式确定例程执行，以在每个所述仿真循环期间，基于定义一个或多个过程元件的状态的过程网络状态数据，确定新的联立方程式集合。12.如权利要求11所述的仿真系统，其中所述第一例程执行，以使用矩阵求解技术来求解所述联立方程式集合。13.如权利要求1所述的仿真系统，其中所述第二例程执行，以顺序地确定所述过程网络中、沿单个流量路径的非接头节点子集中的每个非接头节点处的压强。14.如权利要求13所述的仿真系统，其中所述第二例程执行，以使用一个或多个已确定的接头节点压强，确定所述过程网络中的、沿所述单个流量路径的所述非接头节点子集中的第一非接头节点处的压强，然后使用所确定的所述过程网络中的、沿所述单个流量路径的所述非接头节点子集中的所述第一非接头节点的压强，确定所述过程网络中的、沿所述单个流量路径的所述非接头节点子集中的第二非接头节点处的压强。15.如权利要求1所述的仿真系统，其中所述仿真例程的所述第一例程被存储在第一存储器中并且在第一计算设备的第一处理器上执行，所述第二例程被存储在第二存储器中并且在第二计算设备的第二处理器上执行，该第二计算设备通过通信路径可通信地耦合到所述第一计算设备。16.一种用于仿真具有物理工厂元件集合的过程网络的操作的方法，其中物质经过所述物理工厂元件流动，所述过程网络包括多个过程节点，所述多个过程节点包括形成所述过程网络中的所述多个过程节点的不同子集的多个接头节点和一个或多个非接头节点，其中所述过程网络中的物质流量在所述接头节点处会聚或分叉，所述方法包括：使用计算机设备在计算机可读存储器上存储所述过程网络的定义，所述过程网络的定义包括与所述过程网络相关联的所述多个过程节点，其中在仿真中要确定所述过程节点处的压强和流量，其中所述过程节点中的两个或更多个过程节点是所述接头节点，所述过程网络中的流量在所述接头节点处会聚或分叉，并且所述过程节点中的一个或更多个过程节点是与所述过程网络之中的过程元件相关联的所述非接头节点；以及使用计算机设备在多个仿真循环中的每个仿真循环期间，确定所述过程网络的多个过程节点中的每个过程节点处的压强和流量，其包括：在所述多个仿真循环中的每个仿真循环期间：求解表示压强/流量关系的联立方程式集合，以确定所述两个或更多个接头节点中的每个接头节点处的压强，而无需确定所述一个或多个非接头节点中的每个非接头节点处的压强，并且确定所述两个或更多个接头节点之间的流量路径集合之中的每个流量路径中的流量；并且在对所述联立方程式进行求解之后，基于由所述联立方程式的所述求解所确定的、在所述两个或更多个接头节点中的每一个处的压强和由所述联立方程式的所述求解所确定的、在所述两个或更多个接头节点之间所述流量路径中的流量，顺序地确定所述一个或多个非接头节点中的每个非接头节点处的压强。17.如权利要求16所述的方法，还包括：使用计算机设备确定所述过程网络的所述流量路径中的过程元件集合中的每个过程元件的流导，并且其中求解所述联立方程式集合包括求解使用所述过程元件集合的流导来表示压强/流量关系的联立方程式集合。18.如权利要求17所述的方法，还包括：使用计算机设备确定所述过程元件集合中的每个过程元件的线性化流导，并且其中求解所述联立方程式集合包括求解使用所述过程元件集合的线性化流导来表示压强/流量关系的联立方程式集合。19.如权利要求18所述的方法，还包括：使用计算机设备组合所述过程元件集合中在单个流量路径中的两个或更多个过程元件的线性化流导，以确定所述过程元件集合中在所述过程网络中的所述单个流量路径中的所述两个或更多个过程元件的复合线性化流导，并且其中求解所述联立方程式集合包括求解使用所述单个流量路径的复合线性化流导来表示压强/流量关系的联立方程式集合。20.如权利要求17所述的方法，其中确定流导包括在多个仿真循环中的每个仿真循环期间，基于所述过程元件中的至少一个过程元件的当前建...

【专利技术属性】
技术研发人员：X·程，K·T·布施，
申请(专利权)人：爱默生过程管理电力和水解决方案公司，
类型：发明
国别省市：