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基于虚拟DCS的火电机组仿真系统设计与开发
2010年11月4日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:程祥武,李成银,赵登科,王自岭
    单位:上海大屯能源股份有限公司
             山东电力研究院


    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。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。

    1 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
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。

    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

 

标签:电力火电风电仿真
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