基于虚拟DCS的仿真系统设计与开发

基于虚拟DCS的仿真系统设计与开发DesignandDevelopmentofSimulationSystemBasedonVirtualDCS程祥武1，李成银1，赵登科1，王自岭2（1.上海大屯能源股份有限公司，江苏徐州221611；2.山东电力研究院，山东济南250002）摘要：根据虚拟DCS原理与技术，设计并开发了一套基于虚拟DCS的火电机组仿真系统，应用于火电厂运行与控制人员的培训。关键词：虚拟DCS；火电机组；仿真系统Abstract：BytheprincipleandtechnologyofvirtualDCS,asimulationsystembasedonvirtualDCSwasdesignedanddeveloped,whichwasusedfortrainingoperatorandcontrolengineerinfossilpowerplant.Keywords：VirtualDCS,FossilPowerUnit,SimulationSystem1引言单元机组采用DCS后，火电厂直接面对的一个问题就是如何有效地对运行人员进行培训，如何使运行人员、热工控制人员对整个DCS有一个系统的了解，这个问题不仅影响到电厂的安全和经济运行，而且关系到能否充分发挥DCS的作用与功能。然而，当DCS系统投入后，为了保证运行可靠和安全，不允许对实际DCS进行频繁的试验性操作，因此，基于实际DCS的培训是不现实的，虚拟DCS技术则应运而生。虚拟DCS就是将真实DCS系统以软件的形式予以再现，从而实现控制系统的激励模式仿真。因此基于虚拟DCS的火电机组仿真机不仅可以用来培训集控运行人员，也可以用于热控人员的培训。大屯电厂的仿真机正是以LN2000控制系统为基础建立的虚拟DCS型激励式全范围仿真机。2原理分析基于虚拟DCS的火电机组仿真机主要由仿真支撑平台、虚拟DCS、及其之间的数据接口组成。传统仿真机一般存在于一个支撑平台上，以DCS操作员站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DCS工程师站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DCS工程师站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DPUI/O卡件仿真服务器仿真支撑系统与模型（不含控制部分）仿真服务器仿真支撑系统与模型（包含控制部分）实际过程对象硬接线DPU运算站虚拟DPU程序数据通讯数据通讯虚拟DCS仿真模式传统仿真模式实际过程图1实际过程与仿真的逻辑结构现场的实际设备或者过程为原型，构建仿真模型。单元火电机组的仿真对象主要包括锅炉、汽机、电气、热控等专业的设备与过程。由于虚拟DCS实现了控制系统的仿真，因此仿真支撑平台可以不再包含热控仿真模型。虚拟DCS的构成与实际DCS一样，主要是由分散处理单元（DPU）和人机界面（HMI）构成。虚拟DPU是虚拟DCS的核心。是指将实际分散控制单元中的DPU功能移植到虚拟DPU软件上，使DPU功能脱离实际硬件而实现的。这样整个虚拟DCS系统就可以脱离数据采集及数据运算硬件设备而工作。人机界面在虚拟DCS中主要有真实HMI和仿真HMI两种表现形式。在实现虚拟DCS的前提下，建立虚拟DCS与仿真模型的通信接口，由仿真系统构成的仿真对象经过运算之后，各模型的状态数据通过通信网络传递给虚拟DCS。虚拟DPU接受仿真系统的数据驱动后，将运算结果传递给HMI显示，同时传递给仿真模型，复现实际DCS中的数据控制运算功能。图1为实际过程、虚拟DCS仿真模式、传统仿真模式的逻辑结构比较。从图中可以看出，与传统的仿真相比，虚拟DCS仿真更能够复现实际机组的DCS系统，并与实际系统的逻辑结构相同，没有传统仿真中逻辑关系上的混乱与逻辑环节的缺失。传统仿真将控制算法与模型连接在一起，只是实现了DCS外观功能的仿真，对于工程师站的组态仿真则无能为力，仿真培训对象只能局限于运行人员，缺乏对热控人员的培训功能。3结构设计仿真机的硬件包括一台模型服务器（LN服务器）、一台虚拟DPU服务器（VDPU服务器）、一台虚拟DCS的工程师站、若干台操作员站等主要设备，以及交换机、网线、投影仪、打印机等附属设备。与传统的仿真机相比较，在设备项目上主要增加了一台虚拟DPU服务器。通过虚拟DPU主要实现控制逻辑的仿真，并将逻辑运算的结果发送给操作员站和模型服务器。因此在数据流程上与传统仿真机也不再相同，更加贴近真实系统。模型服务器不再直接与操作员站交换数据，而是通过数据接口与虚拟DCS系统交换数据。LN模型服务器主要用来运行仿真支撑平台和仿真模型。LN仿真支撑平台提供仿真模型的运行环境，实现仿真模型模块间的同步、控制以及数据接口，管理仿真系统数据，并提供仿真模型的建立、修改和调试的功能。仿真模型由多个模块组成，实现对被仿真对象实际模型的仿真，火电机组的仿真模型包括由锅炉、汽机和电气等模型构件。VDPU服务器主要用来运行虚拟DPU程序，利用多线程技术，建立多个虚拟DPU，实现DPU和控制逻辑运算的仿真。而数据库的配置、SAMA图的组态、操作员界面的组态等功能则由虚拟DCS的工程师站来实现。操作员站主要用来模拟人机交互界面，采用真实的HMI可以获得与现场完全一致的仿真效果，但软件的成本往往过高。利用第三方软件重新组态的HMI，可以获得高逼真度的仿真界面，对于大多数仿真机来讲是一种非常实用的技术方案。网络设备主要用来进行数据的传输与交换，一是VDPU服务器与操作员站之间的数据传输，二是VDPU服务器与LN服务器之间的数据传输。在虚拟DCS系统中，虚拟DPU和操作员HMI采用统一的数据库，在VDPU服务器中进行配置。而仿真模型数据库与虚拟DCS系统数据库一般并不相同，二者之间的数据传输需要进行特殊的配置。投影仪主要用来模拟集控室内的盘台，通过图2基于虚拟DCS的仿真系统结构示意图软件来实现盘台的仿真，避免了硬件盘台的资金和维护困难。同时它可以连接到任意一台操作员站上，方便教学。4开发过程4.1虚拟DCS的开发虚拟DCS技术是整个项目的关键，整套虚拟DCS由LN控制系统改造而成，主要是虚拟DPU的实现。试验应用表明，一台性能较好的服务器即可完成一台火电单元机组所有DPU的运算量。根据仿真机的标准和培训需求，虚拟DCS必须实现与仿真模型同步的培训功能，如初始条件的加载、模型运算的冻结与解冻、临时状态的快照、回退和重演功能，而这些是真实的DCS系统所不具备的。由于大屯电厂的控制系统并不是LN系列产品，不能将现场实际的DCS工程文件直接拷贝使用，必须在新的虚拟DCS内重新组态。组态的内容包括DPU内运算的SAMA图和操作员站人机界面。虚拟DCS包括90多种控制算法模块，涵盖输入输出、数学运算、逻辑功能、控制功能、信号源、选择功能、时间功能、线性对象、非线性对象等常见类型，能够完成不同DCS系统SAMA图的重新组态仿真。为了能够仿真不同DCS系统的人机界面，对虚拟DCS的HMI组态工具进行了改造，扩充了图形控件。为了使仿真系统尽可能的简单以便于使用与维护，虚拟DCS的仿真内容除了现场DCS系统，还包括FSSS、DEH系统等独立于DCS之外的控制系统和就地操作的仿真，因此必须增加虚拟DPU的数量，HMI也同样增加。4.2仿真模型的开发设备的仿真模型是仿真系统的核心，算法模块是仿真精度的基础。所有的算法采用C语言开发，算法模块是模型的最小单元。一个（或一组）模块用于模拟一个仿真对象实体，模块间的连接关系体现了仿真对象中各实体间的关系。仿真模型构件可以由一个或多个模块组成，反映一定抽象层次上的实际系统部件的特性。根据仿真范围，单元火电机组的仿真型由锅炉模型构件、汽机模型构件、电气模型构件。而控制模型构件的功能由虚拟DCS支撑平台实现。工质的流动计算是热物理计算的基础，由专门流体网络程序进行模拟，保证了仿真精度和速度。电网络计算也采用了同样的方法。仿真的变速功能一般应用在大容量系统，如汽包上水、汽轮机暖缸等，由于并不涉及控制系统，实现方法与传统仿真机相同。4.3仿真系统的联调虚拟DCS数据库为实际运行系统的组态数据库，主要包括AI，AO，DI，DO数据类型，在实际DCS中对应现场的测点与执行机构，其构成、组态由控制工程设计人员完成。仿真模型数据库依据现场的实际设备及工艺流程，由仿真机建模人员使用仿真支撑系统设计完成。在虚拟DCS和仿真模型开发完成以后，就可以将二者连接起来进行整体调试。根据模型工程师和DCS工程师分别提供输入输出清单，使模型侧数据点和DCS侧数据点一一匹配起来。5应用与结论基于虚拟DCS的仿真系统清楚地界定了控制与控制对象，使得仿真系统的开发工作分工更加清晰和专业化，尤其是控制系统的仿真更加贴近真实DCS系统的组态。不仅降低了开发难度，而且有利于提高仿真逼真度。热控人员可以在仿真机上进行数据库组态、SAMA图组态、逻辑调整、HMI组态等培训，并成功地进行了一次热控技术比武。基于虚拟DCS的仿真系统的锅炉、汽机、电气模型的开发方式与常规仿真机相同，因此仿真范围和精度并没有改变，对集控运行人员培训的功能并没有减弱。作为仿真培训的辅助工具，抽点、回退、重演等功能得到了较好的解决。DCSAO仿真模型AIDCSDI仿真模型DODCSAI仿真模型AODCSDO仿真模型DI通信接口仿真模型数据库DCS数据库图3仿真模型与DCS间的通信接口基于虚拟DCS的激励式仿真系统能够很好地弥补这一缺点，是节省投资、缩短开发周期、获得最高逼真度和最多应用功能的理想技术方案。参考文献：[1]韩璞等，基于虚拟DCS的激励式仿真系统分析与设计，华北电力大学学报，2005，（32），2[2]王立志等，虚拟DCS技术及实现，山东电力技术，2004，5[3]冷杉，论虚拟分散控制系统技术，中国电力，2003，（36），2