[0001] 本发明涉及系统仿真技术领域，尤其涉及一种超流氦制冷机的操作培训方法、装置、计算机设备及存储介质。

[0002] 随着科学技术的发展，大型低温系统在核聚变、高能物理和超导系统等前沿领域得到了广泛的应用，如CERN欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)，国际热核实验反应堆(I TER)和国家先进核聚变实验装置超导托卡马克(EAST)。我国目前有大量的大科学装置需要低温技术的支持，有多个在建或预研究系统需要配套大型超流氦低温系统。

[0003] 超流氦制冷机系统复杂，功耗较高，不适宜通过大量实验来提高其具有重要意义的效率和稳定性。对超流氦制冷机进行动态仿真，可以模拟不同工作模式及变工况下的动态热负荷，减小对制冷机的热冲击，进行超流氦制冷机不同工作模式下的性能预估，为超流氦制冷机的设计及低温分配系统的设计提供关键性指导。

[0004] OTS(Operat i on Trai n i ng System)操作培训系统是将动态仿真和测控系统研制技术相结合，开发前台用户操作界面，方便在系统运行之前，了解整个低温系统的特性和对工作人员进行操作培训。开发利用操作培训系统，对操作人员进行培训，可以避免将实际设备置于危险境地。操作培训系统可运行在某些特殊工况而无需担心严重后果。对操作员来说，其面对HM I人机界面无法辨别面对的是真实系统还是仿真系统。

[0005] 超流氦制冷机是非线性，多变量，大迟滞的复杂系统，无法直接获得精确的数学模型和传递函数，直接进行控制研究比较困难。

[0026] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

[0027] 在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0029] 本发明实施例提供的超流氦制冷机的操作培训方法，可应用在如图1的应用环境中，其中，客户端110通过网络与服务端120进行通信。服务端120可以通过客户端110接收并利用deck平台，将超流氦制冷机的仿真模型封装成可编译的C++文件，其中，所述deck平台是基于超流氦制冷机的仿真模型生成的，接着利用C++程序将可编译的C++文件编译生成可执行文件，运行所述仿真模型，运行结果放在SQL数据库中，最后基于目标人员对PLC的控制系统的操作、SQL数据库中的输入数据和输出数据，与所述仿真模型进行数据交互，以实现目标人员对超流氦制冷机的操作培训。本发明能够将超流氦制冷机的动态仿真模型进行封装，将超流氦制冷机的动态仿真模型和基于PLC架构的控制系统进行数据交互，能够在没有建立实际超流氦制冷机的情况下，进行超流氦制冷机的动态仿真模拟和控制系统预先验证调试。其中，客户端110可以但不限于各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备。服务端120可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。下面通过具体的实施例对本发明进行详细的描述。

[0030] 请参阅图2所示，图2为本发明一实施例提供的超流氦制冷机的操作培训方法的一个流程示意图，包括如下步骤：

[0031] 步骤S101：利用deck平台，将超流氦制冷机的仿真模型封装成可编译的C++文件，其中，所述deck平台是基于超流氦制冷机的仿真模型生成的；

[0032] 其中，图3是该超流氦制冷机的流程简图，该超流氦制冷机是一个改进的克劳德循环，其工作过程如下：

[0033] (1)高压压缩机CH排出的常温高压氦气进入冷箱；

[0034] (2)进入冷箱的高压氦气经过第一级换热器HEX1被返流冷氦气冷却到一定温度后，分出一小部分进入第二级换热器HEX2被液氮预冷到80K(液氮预冷)。HEX2是浸泡在液氮罐D3100中的换热器，采用浸泡式预冷。或者分出一股流体进入第一透平膨胀机组E11,E12,E13，被第一透平膨胀机组预冷到80K(透平膨胀机组预冷)。第一透平膨胀机组出口回气到中压，逆流经过换热器HEX3和HEX1，进入高压压缩机机组CH吸气口。液氮预冷和透平膨胀机组预冷二选一，不能同时进行；

[0035] (3)其余高压主路氦气被预冷后进入80K低温吸附器组去除氦气中的杂质气体如氧气，氮气后，经过第四级换热器HEX4被返流冷氦气冷却，一部分氦气经过管路2进入第二透平膨胀机组E21,E22自75K冷却到50K。第二透平膨胀机组出口气体回气到中压，逆流经过换热器HEX5，HEX4，HEX3和HEX1，进入高压压缩机机组CH吸气口。其余气体经过第五级换热器HEX5后，一部分50K气体被送往50～75K温区负载处。50～75K温区负载回气经过管路1与管路2处来的氦气混合后重新进入第二透平膨胀机组进行再次膨胀；

[0036] (4)高压主路气体经过第六级换热器HEX6后，一部分进入第三透平膨胀机组E31,E32，自23K被冷却到15K，第三透平膨胀机组出口氦气回气到中压，逆流经过换热器HEX7，HEX6，HEX5，HEX4，HEX3和HEX1，进入高压压缩机机组CH吸气口；

[0037] (5)剩余高压主路气体经过第七级换热器HEX7后，进入20K低温吸附器去除氦气中的杂质气体比如氩气，一部分氦气进入第四透平膨胀机组E41,E42，自14K冷却到6K，第四透平膨胀机组出口气体回气到低压，逆流经过换热器HEX8，HEX7，HEX6，HEX5，HEX4，HEX3和HEX1，进入低压压缩机机组CL吸气口；

[0038] (6)剩余高压主路气体经过第八级换热器HEX8后，经过末级透平E51后进入第九级换热器HEX9与回流冷氦气换热，之后的高压主路氦气到达超临界状态。超临界氦气分成两部分，一部分超临界氦气经过节流阀CV14节流为气液两相，液相在氦过冷器D4100中积液，气相通过回气阀CV16回气到低压管路。另一部分超临界氦气经过节流阀CV15，节流后进入D4100，被D4100中的液氦过冷成为4.5K@3bara过冷超临界氦。过冷超临界氦自D4100底部流出，分出一小部分供给4.5～75K负载。其余大部分过冷超临界氦进入换热器HEX10，经过节流阀CV17节流为气液两相，液相在2K气液分离器D4500中积液，气相自D4500顶部回气，逆流经过换热器HEX10后进入冷压缩机组。D4500内液氦液位未到一定值时，回气氦气自冷压缩机组旁路调节阀CV20回到换热器HEX6的负压回气端；

[0039] (7)当D4500内液氦液位达到一定值时，冷压缩机组启动，将D4500中的氦气减压至超流氦饱和压力0.03bar，从而在D4500中形成2K饱和超流氦。2K饱和超流氦自D4500底部流出，送往2K负载处。2K负载的回气和D4500的顶部回气混合，返流经过换热器HEX10进入冷压缩机组。

[0040] (8)冷压缩机组将下游管道氦气压力自0.03bar提高到0.5bar。0.5bar的负压氦气依次进入HEX6，HEX5，HEX4，HEX3和HEX1的负压通道，层层压降后成为0.4bar的负压氦气，进入负压压缩机组CSP吸气口。负压压缩机组CSP将0.4bar负压氦气压缩到中压4.05bar，与来自低压压缩机CL出口的中压气体以及中压回气管路来的回气混合，一起送入高压压缩机CH入口处，完成一个氦气循环。单向阀NV01防止负压压缩机组CSP出口氦气逆流。

[0041] 在本实施例中，超流氦制冷机的仿真模型可以基于动态仿真软件Ecos imPro建立超流氦制冷机的仿真模型，并且进行编译。需要说明的是，基于超流氦制冷机的流程简图，建立超流氦制冷机的仿真模型时，需要开发所需部件模型。比如，四股流换热器模型以及其它低温部件库中不存在的模型，需要自主开发。

[0042] 步骤S102：利用C++程序将可编译的C++文件编译生成可执行文件，运行所述仿真模型，运行结果放在SQL数据库中，其中，所述运行结果包括输入数据以及输出数据，其所述输入数据包括所述仿真模型中的各个压缩机启动信号、各个调节阀开度、各个开关阀开度、各个电加热器功率，各个负载功率、各个PID投自动信号，所述输出数据包括所述仿真模型的各级换热器前后温度、压力以及流量，各个阀门开度，各个阀门前后温度、压力和流量，各级透平前后温度、压力和流量，各级透平转速和效率，各个冷压缩机前后温度、压力和流量，各个冷压缩机压比、转速和效率，各个气液分离器温度、压力和液位，各个气液分离器进出口流量，各个气液分离器内部电加热器功率，各个负载进出口温度，各个负载进出口压力，各个负载进出口流量，各个负载功率；

[0043] 其中，如图3所示，仿真模型的输入变量具体为：高压压缩机启动信号，低压压缩机启动信号，负压压缩机启动信号。压缩机站各个P ID投自动，透平膨胀机组各个P ID投自动，冷压缩机组各个P ID投自动，气液分离器D4100中各个P ID投自动，2K气液分离器D4500中各个P ID投自动，液氮罐D3100中各个P ID投自动。高压压缩机滑阀信号，低压压缩机滑阀信号，负压压缩机滑阀信号。超流氦制冷机中各个调节阀开度，各个开关阀开度。兑温管路电加热器，气液分离器D3100/D4100/D4500中电加热器功率，50‑75K负载功率，4.5‑75K负载功率等。

[0044] 如图3所示，仿真模型的输出变量具体为：仿真时间t ime，错误信息error(可选，如果系统有)。高压压缩机/低压压缩机/负压压缩机进出口温度，压力，流量，高压压缩机/低压压缩机/负压压缩机频率，滑阀。各个调节阀开度，各个调节阀进出口温度、压力、流量。各个开关阀开度，各个开关阀进出口温度、压力、流量。各级透平进出口温度、压力、流量，各级透平转速、效率。各级冷压缩机进出口温度、压力、流量，各级冷压缩机压比、转速、效率。
各个换热器前后温度、压力、流量。气液分离器D3100/D4100/D4500温度、压力、液位，气液分离器D3100/D4100/D4500进出口流量。50‑75K负载功率，4.5‑75K负载功率。各个负载进出口温度，各个负载进出口压力，各个负载进出口流量。各个电加热器功率。步骤S103：基于目标人员对PLC的控制系统的操作、SQL数据库中的输入数据和输出数据，与所述仿真模型进行数据交互，以实现目标人员对超流氦制冷机的操作培训。

[0045] 在本实施例中，基于PLC的控制系统在SQL数据库中获取超流氦制冷机仿真模型运行的输入输出数据，从而与仿真模型进行数据交互。PLC采用虚拟PLC，即PLC模拟器，不采用PLC硬件，经济性较好。

[0046] 一实施例中，所述deck平台是基于超流氦制冷机的仿真模型生成的步骤，包括：建立超流氦制冷机的仿真模型，所述仿真模型编译通过之后，生成part it i on，在part it i on顺利va l i date之后，建立一个exper iment，在exper iment中写入EL语言代码，编译并运行exper iment，基于EL exper iment代码生成deck平台：首先定义输入输出变量，输入变量即需要被第三方软件控制的变量，输出变量即仿真模型计算出来的各种过程值。

[0047] 一实施例中，所述超流氦制冷机的仿真模型包括仿真时间部件以及错误信息部件。仿真时间部件是在建立所述仿真模型时，通过将内部变量仿真时间进行封装得到的；错误信息部件是在建立所述仿真模型时，通过将内部变量错误信息进行封装得到的；所述仿真时间部件输出为仿真时间值，变量类型为rea l，模拟量输出；所述错误信息部件输出为错误信息值，变量类型为rea l，模拟量输出。可以理解的是，在建立超流氦制冷机的仿真模型时，将内部变量仿真时间t ime，错误信息error分别封装成可利用的部件。内部变量仿真时间t ime封装成为仿真时间部件。内部变量错误信息error封装成为错误信息部件。仿真时间部件输出为系统的仿真时间值，变量类型为rea l，模拟量输出。错误信息部件输出为系统的错误信息值，变量类型为rea l，模拟量输出。仿真时间部件和错误信息部件无需连接进超流氦制冷机的仿真模型主回路中。只需将仿真时间部件和错误信息部件与超流氦制冷机仿真模型的主回路模型放置在同一个画面内即可。编译通过，即可顺利运行。

[0048] 一实施例中，超流氦制冷机的所述仿真模型包括四股流换热器模型。超流氦制冷机的仿真模型中使用5个自研的四股流换热器模型。

[0049] 一实施例中，四股流换热器模型是基于热流体仅仅和冷流体之间换热和热流体通过金属壁面和冷流体进行换热的条件下，开发四股流换热器仿真部件模型，其中，所述四股流换热器仿真部件模型为高压高温流体为自左到右的流向，中压低温流体为自右到左的流向，低压低温流体为自右到左的流向，负压低温流体为自右到左的流向。

[0050] 一实施例中，所述超流氦制冷机由压缩机站、冷箱、透平膨胀机组、冷压缩机组、换热器和气液分离器组成。

[0051] 本发明公开了一种超流氦制冷机的操作培训方法。该超流氦制冷机操作培训方法可以提前了解超流氦制冷机的工作特性，进行控制系统预验证，调试主要控制逻辑，进行超流氦制冷机不同工作模式下的性能预估。为超流氦制冷机的实际运行调节提供参考依据，以及对操作员进行培训。

[0052] 请参阅图4所示，在一实施例中，提供一种超流氦制冷机的操作培训装置，所述装置包括：

[0053] 封装模块10，用于利用deck平台，将超流氦制冷机的仿真模型封装成可编译的C++文件，其中，所述deck平台是基于超流氦制冷机的仿真模型生成的；

[0054] 运行模块20，用于利用C++程序将可编译的C++文件编译生成可执行文件，运行所述仿真模型，运行结果放在SQL数据库中，其中，所述运行结果包括输入数据以及输出数据，其所述输入数据包括所述仿真模型中的各个压缩机启动信号、各个调节阀开度、各个开关阀开度、各个电加热器功率，各个负载功率、各个P ID投自动信号，所述输出数据包括所述仿真模型的各级换热器前后温度、压力以及流量，各个阀门开度，各个阀门前后温度、压力和流量，各级透平前后温度、压力和流量，各级透平转速和效率，各个冷压缩机前后温度、压力和流量，各个冷压缩机压比、转速和效率，各个气液分离器温度、压力和液位，各个气液分离器进出口流量，各个气液分离器内部电加热器功率，各个负载进出口温度，各个负载进出口压力，各个负载进出口流量，各个负载功率；

[0055] 数据交互模块30，用于基于目标人员对PLC的控制系统的操作、SQL数据库中的输入数据和输出数据，与所述仿真模型进行数据交互，以实现目标人员对超流氦制冷机的操作培训。

[0056] 在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务端，其内部结构图可以如图5所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性和/或易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的客户端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种超流氦制冷机的操作培训方法服务端侧的功能或步骤。

[0057] 在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是客户端，其内部结构图可以如图6所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部服务器通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种超流氦制冷机的操作培训方法客户端侧的功能或步骤。

[0058] 在一个实施例中，提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

[0059] 利用deck平台，将超流氦制冷机的仿真模型封装成可编译的C++文件，其中，所述deck平台是基于超流氦制冷机的仿真模型生成的；

[0060] 利用C++程序将可编译的C++文件编译生成可执行文件，运行所述仿真模型，运行结果放在SQL数据库中，其中，所述运行结果包括输入数据以及输出数据，其所述输入数据包括所述仿真模型中的各个压缩机启动信号、各个调节阀开度、各个开关阀开度、各个电加热器功率，各个负载功率、各个P ID投自动信号，所述输出数据包括所述仿真模型的各级换热器前后温度、压力以及流量，各个阀门开度，各个阀门前后温度、压力和流量，各级透平前后温度、压力和流量，各级透平转速和效率，各个冷压缩机前后温度、压力和流量，各个冷压缩机压比、转速和效率，各个气液分离器温度、压力和液位，各个气液分离器进出口流量，各个气液分离器内部电加热器功率，各个负载进出口温度，各个负载进出口压力，各个负载进出口流量，各个负载功率；

[0061] 基于目标人员对PLC的控制系统的操作、SQL数据库中的输入数据和输出数据，与所述仿真模型进行数据交互，以实现目标人员对超流氦制冷机的操作培训。

[0062] 在一个实施例中，提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

[0063] 利用deck平台，将超流氦制冷机的仿真模型封装成可编译的C++文件，其中，所述deck平台是基于超流氦制冷机的仿真模型生成的；

[0064] 利用C++程序将可编译的C++文件编译生成可执行文件，运行所述仿真模型，运行结果放在SQL数据库中，其中，所述运行结果包括输入数据以及输出数据，其所述输入数据包括所述仿真模型中的各个压缩机启动信号、各个调节阀开度、各个开关阀开度、各个电加热器功率，各个负载功率、各个P ID投自动信号，所述输出数据包括所述仿真模型的各级换热器前后温度、压力以及流量，各个阀门开度，各个阀门前后温度、压力和流量，各级透平前后温度、压力和流量，各级透平转速和效率，各个冷压缩机前后温度、压力和流量，各个冷压缩机压比、转速和效率，各个气液分离器温度、压力和液位，各个气液分离器进出口流量，各个气液分离器内部电加热器功率，各个负载进出口温度，各个负载进出口压力，各个负载进出口流量，各个负载功率；

[0065] 基于目标人员对PLC的控制系统的操作、SQL数据库中的输入数据和输出数据，与所述仿真模型进行数据交互，以实现目标人员对超流氦制冷机的操作培训。

[0066] 需要说明的是，上述关于计算机可读存储介质或计算机设备所能实现的功能或步骤，可对应参阅前述方法实施例中，服务端侧以及客户端侧的相关描述，为避免重复，这里不再一一描述。

[0067] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synch l i nk)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

[0068] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

[0069] 以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。