大型低温装置的过程和控制模拟器外文翻译资料

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大型低温装置的过程和控制模拟器

· Benjamin Bradu^{a, b, ,} ,· Philippe Gayet^{a, 1,} , · Silviu-Iulian Niculescu^{b, 2,}

摘要

本文提出了一种过程和控制模拟器的工业氦低温工厂控制的可编程逻辑控制器（PLC）。该模拟器可用于不同的目的，如操作员培训、PLC程序的测试或设备的优化。在模拟器中使用的不同组件模型是详细说明的。各种大型低温设备被用于大型强子对撞机（Large Hadron Collider）的粒子加速器，此运用已在欧洲核子研究中心被建模和模拟。实验结果证明，真实的设备的模拟结果和动态行为之间具有良好的一致性，并经过各种讨论完成了这个报告。

关键词：低温 动态模型 模拟 热力学 操作人员的培训

1. 介绍

在2008年，欧洲核研究组织（CERN）开始研究世界上最强大的粒子加速器—大型强子对撞机（LHC）。大型强子对撞机的加速质子束是由保持在1.9 K在27公里环的超导磁体驱动。为了冷却和维持超导，使用了大型氦制冷厂，更多细节请见Lebrun (1999) 。

大型低温设备连续工业过程，与石油（Olsen, Endrestol, amp; Sira, 1997）、化学（Szafnicki, Narce, amp; Bourgois, 2004）或糖行业（Alves, Normey-Rico, Merino, Acebes, amp; de Prada, 2005）非常相似。它们是由相同的器件（热交换器，阀门，涡轮机，压缩机，相分离器等）组成，但由于非常低的温度有额外的限制。

低温设备及其控制是非常复杂的，因为大量的相关变量在比较宽的操作范围。目前，设计和低温系统的控制是基于欧洲核子研究中心和供应商对过程的经验和适当的“静”的计算。由于系统的复杂性（耦合偏微分方程、传播和运输现象），动态模拟是唯一的方法来提供足够的在瞬变的数据。

一种新的动态模拟器，ProCoS（过程及控制系统），提高了对复杂的低温系统的知识（bradu，Niculescu，amp; Gayet，2008b）。建议的模拟器的主要目标可以概括如下：操作员的培训，“虚拟”设备的控制程序在实施前（虚拟调试）的测试和新的控制策略的测试，以优化复杂系统的整体行为。这个模拟器可以模拟使用氦气的大型制冷设备和连接到欧洲核子研究中心的实际控制系统。此外，现有的控制策略和监控系统的模拟可以完全重用。一些先进控制的发展比如预测控制已经研究了一些大型强子对撞机的低温系统（Blanco, de Prada, Cristea, amp; Casas, 2009），目前虽然没有被实现，而且这种动态模拟器可以用来证明这种控制器的效率。

在2008年期间LHC的超导磁体成功地在1.9 K冷却。低温设备的实际操作已经开始，目前一个动态模拟器的使用是测试以提高不干扰大型强子对撞机操作的低温系统为目的的新的控制策略的唯一途径。

首先，各种致力于低温设备的模拟、分析和设计的研究正在展露。接下来，仿真方法概述在第2节和各种与现有的结果比较会被提出。仿真体系结构和明确的建模方法的组件已被特别注意。其次，模拟结果会详细说明（CMS低温为大型强子对撞机在4.5 K和1.8 K的单位），与实验数据的比较和讨论（仿真速度和一些比较）会在第4节。最后将会以一些结束语和观点结束本论文。

2.过程控制模拟方法

2.1现有的低温建模方法

在工业的各个领域，动态模拟器已经发展到培训操作员或设计新的控制技术，见Alves等人（2005），Olsen等人（1997），和Szafnicki等人（2004）。据笔者所知，只有少数的动态模拟专门氦低温设备：

bull; Maekawa, Ooba, Nobutoki, and Mito (2005)模拟了一个10千瓦的4.5 K冰箱用于融合试验；

bull; 接下来，Butkevich, Idnic, and Shpakov (2006)开发了一个关于氦液化器的教育培训工具；

bull; Kutzschbach, Haberstroh, and Quack (2006)模拟了一个商业氦液化器；

bull; 最后，Deschildre等人（2008）在4.5 K冰箱上进行了800 W的模拟。

所提出的模拟方法与上述模拟器提出了一些相似之处，但它也显示了新的功能和概念。所有的模拟器进行动态模拟，采用面向对象的建模，其中每个低温部件采用物理微分和代数方程（DAE）单独建模，除了Butkevich等人(2006)基于数学和启发式建模的模拟器。

为了将欧洲核子研究中心低温系统做成模型，一个商业建模和仿真的软件正在被使用：EcosimProcopy; (EA International, 2007)。本软件因为其灵活性和其出口C 类模型的能力被选中，以将模型嵌入在较大的仿真环境。

所有的低温设备已仿照大型低温系统做成模型。在采用对象的方法中，方程的数目与物体的数量成比例：模型的复杂度与主要组件的数量有直接联系，即热交换器（HXS）和涡轮机。在数值计算方面，大规模的系统可以被定义为含有超过5热交换器和超过2涡轮机的低温设备。这种配置产生1500 DAE相当于一个4.5 K氦制冷机400瓦的制冷功率。

所有现有的模拟器现在只用于氦液化器的模型或4.5 K氦冰箱。在这里，除了4.5 K冰箱，建模扩展到一个1.8 K使用冷压缩机的制冷机组。

模拟一般包括一个简化的控制模型。因此，大多数现有的模拟器是不考虑真正的过程控制，不能作为一个实时训练模拟器，除了Maekawa等模拟器（2005）。ProCoS的独创性在于它是基于真正的过程控制体系包括监督系统，过程和控制职责分别模拟和同步在一起。因此，它允许大型系统的模拟通过减弱一个设备的主要部分用在几个计算机上。

2.2仿真体系结构

所有的欧洲核子研究中心的低温系统呗被工业可编程逻辑控制器（PLC）控制。控制结构和控制策略是基于面向对象的分层多级、在欧洲核子研究中心开发的多层控制框架，被称为 UNICOS。这种控制框架是基于IEC 61512标准（IEC 1997）；若想看到对控制系统的完整描述，请看Gayet和Barillegrave;re (2005)。

ProCoS再现UNICOS模拟架构甚至三硬件层如图1所示。监管层仍与操作员控制台一样，执行控制通过由PLC厂家提供的PLC仿真器取代PLCs（软件），制冷设备是由一个使系统的物理方程一体化的低温过程模拟器取代了。

图1 CERN的低温系统的真实和模拟控制架构

在过程模型中使用相同的PLC I/O名称（输入是传感器和输出是执行器）。因此，一个OPC服务器可以配置自动建立PLC与模型之间的联系。大量的时间可以保存为大型应用程序，见图2。

图2 PLC与过程模型之间的联系

模拟速度是不恒定的，因此PLC和仿真之间的同步是必要的：PLC斜坡和定时器基于现在的模拟时间。此外，PID控制器不再由PLC执行，但模型和主要参数直接被送回PLC，以确保在PLC程序的一致性和在监督下，见图3。

图3 仿真器中的PID控制器管理

这种模拟环境是特别适合于操作员培训，因为监督界面保持相同的真实设备。所有的LHC 低温设备代表超过42 000输入/输出和大约5000个PID控制回路。使用相同的PLC控制程序节省了大量开发时间。此外，PLC控制程序可以直接验证他们的真实环境通过测试所有联锁、序列和系统闭环的可能性。

1. 低温建模

EcosimProcopy;允许模拟低温系统采用面向对象的方法，其中每个低温组件由一组微分代数方程（DAE）描述。氦和材料特性由来自大的属性表的线性插值得到。材料特性的计算考虑温度作用，采用Marquardt, Le, and Radebaugh (2000)给出的一些经验公式。由专业图书馆HEPAKcopy;离线然后在模拟器集成来提高仿真速度，最后得到了氦的特性。在表插值比直接使用hepakcopy;在线快5倍。属性表可用于1—400 K之间的温度范围和1 —2.5 MPa之间的压力范围包括两相区域。

3.1模型建设

低温库的开发是通过在ecosimprocopy;图形用户界面的拖放来轻松打造复杂的低温系统。组件模型分为两大类：

1. 施加压力的压力元件；
2. 流量分量元件。

首先，低温系统必须建立在这样一种方式，压力组件连接到流动部件，反之亦然，以确保系统的整体一致性，即有许多方程作为未知变量。图4说明了流量元件和两个压力元件之间的互连。然后，每个组件必须参数化有自己的特点（例如，材料、设计温度、质量等），见表1中显示的主要变量。最后，如果该系统不是在闭环，必须选择一些边界条件。

图4 流量和压力组件之间的连接

表1 主要热力学和几何变量

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