基于虛擬DCS的仿真系統(tǒng)設計與開發(fā)

1、基于虛擬DCS的仿真系統(tǒng)設計與開發(fā)Design and Development of Simulation System Based on Virtual DCS程祥武1，李成成銀1，趙登科1，王自嶺2（1.上海大屯屯能源股份有有限公司，江江蘇 徐州 2216111；2.山山東電力研究究院，山東 濟南 2550002）摘要：根據(jù)虛擬擬DCS原理理與技術(shù)，設設計并開發(fā)了了一套基于虛虛擬DCS的的火電機組仿仿真系統(tǒng)，應應用于火電廠廠運行與控制制人員的培訓訓。關(guān)鍵詞：虛擬DDCS；火電電機組；仿真真系統(tǒng)Abstracct：By the pprinciiple aand teechnollogy oo

2、f virrtual DCS, a simmulatiion syystem basedd on vvirtuaal DCSS was ddesignned annd devvelopeed, whhich wwas ussed foor traainingg operrator and ccontrool enggineerr in ffossill poweer plaant.Key worrds：Viirtuall DCS, FFossill Poweer Uniit, Siimulattion SSystemm1 引言DCS操作員站DCS程序監(jiān)視操作DCS操作員站DCS程序監(jiān)視操作DC

3、S工程師站DCS程序監(jiān)視操作DCS操作員站DCS程序監(jiān)視操作DCS操作員站DCS程序監(jiān)視操作DCS工程師站DCS程序監(jiān)視操作DCS操作員站DCS程序監(jiān)視操作DCS操作員站DCS程序監(jiān)視操作DPUI/O卡件仿真服務器仿真支撐系統(tǒng)與模型 （不含控制部分）仿真服務器仿真支撐系統(tǒng)與模型 （包含控制部分）實際過程對象硬接線DPU運算站虛擬DPU程序數(shù)據(jù)通訊數(shù)據(jù)通訊虛擬DCS仿真模式傳統(tǒng)仿真模式實際過程圖1 實際過程與仿真的邏輯結(jié)構(gòu)單元機組采用DDCS后，火電廠直接面面對的一個問問題就是如何何有效地對運運行人員進行行培訓，如何何使運行人員員、熱工控制制人員對整個個DCS有一個個系統(tǒng)的了解解，這個問題題不僅

4、影響到到電廠的安全DCS操作員站DCS程序監(jiān)視操作DCS操作員站DCS程序監(jiān)視操作DCS工程師站DCS程序監(jiān)視操作DCS操作員站DCS程序監(jiān)視操作DCS操作員站DCS程序監(jiān)視操作DCS工程師站DCS程序監(jiān)視操作DCS操作員站DCS程序監(jiān)視操作DCS操作員站DCS程序監(jiān)視操作DPUI/O卡件仿真服務器仿真支撐系統(tǒng)與模型 （不含控制部分）仿真服務器仿真支撐系統(tǒng)與模型 （包含控制部分）實際過程對象硬接線DPU運算站虛擬DPU程序數(shù)據(jù)通訊數(shù)據(jù)通訊虛擬DCS仿真模式傳統(tǒng)仿真模式實際過程圖1 實際過程與仿真的邏輯結(jié)構(gòu)虛擬DCS就是是將真實DCCS系統(tǒng)以軟軟件的形式予予以再現(xiàn)，從從而實現(xiàn)控制制系統(tǒng)的激勵勵模

5、式仿真。因因此基于虛擬擬DCS的火火電機組仿真真機不僅可以以用來培訓集集控運行人員員，也可以用用于熱控人員員的培訓。大大屯電廠的仿仿真機正是以以LN20000控制系統(tǒng)統(tǒng)為基礎(chǔ)建立立的虛擬DCCS型激勵式式全范圍仿真真機。2 原理分析基于虛擬DCSS的火電機組組仿真機主要要由仿真支撐撐平臺、虛擬擬DCS、及及其之間的數(shù)數(shù)據(jù)接口組成成。傳統(tǒng)仿真機一般般存在于一個個支撐平臺上上，以現(xiàn)場的的實際設備或或者過程為原原型，構(gòu)建仿仿真模型。單單元火電機組組的仿真對象象主要包括鍋鍋爐、汽機、電電氣、熱控等等專業(yè)的設備備與過程。由由于虛擬DCCS實現(xiàn)了控控制系統(tǒng)的仿仿真，因此仿仿真支撐平臺臺可以不再包包含熱控仿

6、真真模型。圖2 基于虛擬DCS的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖虛擬DCS的構(gòu)構(gòu)成與實際DCS一樣，主要是是由分散處理理單元（DPPU）和人機機界面（HMMI）構(gòu)成。虛虛擬DPU是虛擬擬DCS的核心心。是指將實實際分散控制制單元中的DDPU功能移移植到虛擬DDPU軟件上上，使DPUU功能脫離實實際硬件而實實現(xiàn)的。這樣樣整個虛擬DDCS系統(tǒng)就就可以脫離數(shù)數(shù)據(jù)采集及數(shù)數(shù)據(jù)運算硬件件設備而工作作。人機界面面在虛擬DCCS中主要有有真實HMII和仿真HMII兩種表現(xiàn)形形式。圖2 基于虛擬DCS的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖在實現(xiàn)虛擬DCCS的前提下下，建立虛擬擬DCS與仿真真模型的通信信接口，由仿仿真系統(tǒng)構(gòu)成成的仿真對象象經(jīng)

7、過運算之之后，各模型型的狀態(tài)數(shù)據(jù)據(jù)通過通信網(wǎng)網(wǎng)絡傳遞給虛虛擬DCS。虛擬擬DPU接受仿仿真系統(tǒng)的數(shù)數(shù)據(jù)驅(qū)動后，將將運算結(jié)果傳傳遞給HMII顯示，同時時傳遞給仿真真模型，復現(xiàn)現(xiàn)實際DCSS中的數(shù)據(jù)控控制運算功能能。圖1為實際過程程、虛擬DCCS仿真模式式、傳統(tǒng)仿真真模式的邏輯輯結(jié)構(gòu)比較。從從圖中可以看看出，與傳統(tǒng)統(tǒng)的仿真相比比，虛擬DCCS仿真更能能夠復現(xiàn)實際際機組的DCCS系統(tǒng)，并并與實際系統(tǒng)統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)構(gòu)相同，沒有有傳統(tǒng)仿真中中邏輯關(guān)系上上的混亂與邏邏輯環(huán)節(jié)的缺缺失。傳統(tǒng)仿仿真將控制算算法與模型連連接在一起，只只是實現(xiàn)了DDCS 外觀觀功能的仿真真，對于工程程師站的組態(tài)態(tài)仿真則無能能為力，仿

8、真真培訓對象只只能局限于運運行人員，缺缺乏對熱控人人員的培訓功功能。3 結(jié)構(gòu)設計仿真機的硬件包包括一臺模型型服務器（LLN服務器）、一一臺虛擬DPPU服務器（VVDPU服務務器）、一臺臺虛擬DCSS的工程師站站、若干臺操操作員站等主主要設備，以以及交換機、網(wǎng)網(wǎng)線、投影儀儀、打印機等等附屬設備。與傳統(tǒng)的仿真機機相比較，在在設備項目上上主要增加了了一臺虛擬DDPU服務器器。通過虛擬擬DPU主要要實現(xiàn)控制邏邏輯的仿真，并并將邏輯運算算的結(jié)果發(fā)送送給操作員站站和模型服務務器。因此在在數(shù)據(jù)流程上上與傳統(tǒng)仿真真機也不再相相同，更加貼貼近真實系統(tǒng)統(tǒng)。模型服務務器不再直接接與操作員站站交換數(shù)據(jù)，而而是通過數(shù)據(jù)

9、據(jù)接口與虛擬擬DCS系統(tǒng)統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。LN模型服務器器主要用來運運行仿真支撐撐平臺和仿真真模型。LNN仿真支撐平平臺提供仿真真模型的運行行環(huán)境，實現(xiàn)現(xiàn)仿真模型模模塊間的同步步、控制以及及數(shù)據(jù)接口，管管理仿真系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)據(jù)，并提提供仿真模型型的建立、修修改和調(diào)試的的功能。仿真真模型由多個個模塊組成，實實現(xiàn)對被仿真真對象實際模模型的仿真，火火電機組的仿仿真模型包括括由鍋爐、汽汽機和電氣等等模型構(gòu)件。VDPU服務器器主要用來運運行虛擬DPPU程序，利利用多線程技技術(shù)，建立多多個虛擬DPPU，實現(xiàn)DDPU和控制制邏輯運算的的仿真。而數(shù)數(shù)據(jù)庫的配置置、SAMAA圖的組態(tài)、操操作員界面的的組態(tài)等功能能則由虛擬D

10、DCS的工程程師站來實現(xiàn)現(xiàn)。操作員站主要用用來模擬人機機交互界面，采采用真實的HHMI可以獲獲得與現(xiàn)場完完全一致的仿仿真效果，但但軟件的成本本往往過高。利利用第三方軟軟件重新組態(tài)態(tài)的HMI，可可以獲得高逼逼真度的仿真真界面，對于于大多數(shù)仿真真機來講是一一種非常實用用的技術(shù)方案案。網(wǎng)絡設備主要用用來進行數(shù)據(jù)據(jù)的傳輸與交交換，一是VVDPU服務務器與操作員員站之間的數(shù)數(shù)據(jù)傳輸，二二是VDPUU服務器與LLN服務器之之間的數(shù)據(jù)傳傳輸。在虛擬擬DCS系統(tǒng)統(tǒng)中，虛擬DDPU和操作作員HMI采采用統(tǒng)一的數(shù)數(shù)據(jù)庫，在VVDPU服務務器中進行配配置。而仿真真模型數(shù)據(jù)庫庫與虛擬DCCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)據(jù)庫一般并不不相同

11、，二者者之間的數(shù)據(jù)據(jù)傳輸需要進進行特殊的配配置。投影儀主要用來來模擬集控室室內(nèi)的盤臺，通通過軟件來實實現(xiàn)盤臺的仿仿真，避免了了硬件盤臺的的資金和維護護困難。同時時它可以連接接到任意一臺臺操作員站上上，方便教學學。4 開發(fā)過程4.1 虛擬DDCS的開發(fā)發(fā)虛擬DCS技術(shù)術(shù)是整個項目目的關(guān)鍵，整整套虛擬DCCS由LN控控制系統(tǒng)改造造而成，主要要是虛擬DPPU的實現(xiàn)。試試驗應用表明明，一臺性能能較好的服務務器即可完成成一臺火電單單元機組所有有DPU的運運算量。根據(jù)據(jù)仿真機的標標準和培訓需需求，虛擬DDCS必須實實現(xiàn)與仿真模模型同步的培培訓功能，如如初始條件的的加載、模型型運算的凍結(jié)結(jié)與解凍、臨臨時狀態(tài)

12、的快快照、回退和和重演功能，而而這些是真實實的DCS系系統(tǒng)所不具備備的。DCS AO仿真模型AIDCS DI仿真模型DODCS AI仿真模型AODCS DO仿真模型DI通信接口仿真模型數(shù)據(jù)庫DCS數(shù)據(jù)庫圖3 仿真模型與DCS間的通信接口由于大屯電廠的的控制系統(tǒng)并并不是LN系系列產(chǎn)品，不不能將現(xiàn)場實實際的DCSS工程文件直直接拷貝使用用，必須在新新的虛擬DCCS內(nèi)重新組組態(tài)。組態(tài)的的內(nèi)容包括DDPU內(nèi)運算算的SAMAA圖和操作員員站人機界面面。虛擬DCCS包括900多種控制算算法模塊，涵涵蓋輸入輸出出、數(shù)學運算算、邏輯功能能、控制功能能、信號源、選選擇功能、時時間功能、線線性對象、非非線性對象等

13、等常見類型，能能夠完成不同同DCS系統(tǒng)統(tǒng)SAMA圖圖的重新組態(tài)態(tài)仿真。為了了能夠仿真DCS AO仿真模型AIDCS DI仿真模型DODCS AI仿真模型AODCS DO仿真模型DI通信接口仿真模型數(shù)據(jù)庫DCS數(shù)據(jù)庫圖3 仿真模型與DCS間的通信接口為了使仿真系統(tǒng)統(tǒng)盡可能的簡簡單以便于使使用與維護，虛虛擬DCS的的仿真內(nèi)容除除了現(xiàn)場DCCS系統(tǒng)，還還包括FSSSS、DEHH系統(tǒng)等獨立立于DCS之之外的控制系系統(tǒng)和就地操操作的仿真，因因此必須增加加虛擬DPUU的數(shù)量，HHMI也同樣樣增加。4.2 仿真模模型的開發(fā)設備的仿真模型型是仿真系統(tǒng)統(tǒng)的核心，算算法模塊是仿仿真精度的基基礎(chǔ)。所有的的算法采用C

14、C語言開發(fā)，算算法模塊是模模型的最小單單元。一個（或或一組）模塊塊用于模擬一一個仿真對象象實體，模塊塊間的連接關(guān)關(guān)系體現(xiàn)了仿仿真對象中各各實體間的關(guān)關(guān)系。仿真模模型構(gòu)件可以以由一個或多多個模塊組成成，反映一定定抽象層次上上的實際系統(tǒng)統(tǒng)部件的特性性。根據(jù)仿真真范圍，單元元火電機組的的仿真型由鍋鍋爐模型構(gòu)件件、汽機模型型構(gòu)件、電氣氣模型構(gòu)件。而而控制模型構(gòu)構(gòu)件的功能由由虛擬DCSS支撐平臺實實現(xiàn)。工質(zhì)的流動計算算是熱物理計計算的基礎(chǔ)，由由專門流體網(wǎng)網(wǎng)絡程序進行行模擬，保證證了仿真精度度和速度。電電網(wǎng)絡計算也也采用了同樣樣的方法。仿真的變速功能能一般應用在在大容量系統(tǒng)統(tǒng)，如汽包上上水、汽輪機機暖缸等

15、，由由于并不涉及及控制系統(tǒng)，實實現(xiàn)方法與傳傳統(tǒng)仿真機相相同。4.3 仿真系系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)虛擬DCS數(shù)據(jù)據(jù)庫為實際運運行系統(tǒng)的組組態(tài)數(shù)據(jù)庫，主主要包括AII，AO，DI，DO數(shù)據(jù)類型型，在實際DDCS中對應應現(xiàn)場的測點點與執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)，其構(gòu)成、組組態(tài)由控制工程設計計人員完成。仿仿真模型數(shù)據(jù)據(jù)庫依據(jù)現(xiàn)場場的實際設備備及工藝流程程，由仿真機機建模人員使使用仿真支撐撐系統(tǒng)設計完完成。在虛擬DCS和和仿真模型開開發(fā)完成以后后，就可以將將二者連接起起來進行整體體調(diào)試。根據(jù)據(jù)模型工程師師和DCS工工程師分別提提供輸入輸出出清單，使模模型側(cè)數(shù)據(jù)點點和DCS側(cè)側(cè)數(shù)據(jù)點一一一匹配起來。5 應用與結(jié)論論基于虛擬DCSS的仿真系統(tǒng)統(tǒng)清楚地界定定了控制與控控制對象，使使得仿真系統(tǒng)統(tǒng)的開發(fā)工作作分工更加清清晰和專業(yè)化化，尤其是控控制系統(tǒng)的仿仿真更加貼近近真實DCSS系統(tǒng)的組態(tài)態(tài)。不僅降低低了開發(fā)難度度，而且有利利于提高仿真真逼真度。熱控人員可以在在仿真機上進進行數(shù)據(jù)庫組組態(tài)、SAMMA圖組態(tài)、邏邏輯調(diào)整、HHMI組態(tài)等等培訓，并成成功地進行了了一次熱控技技術(shù)比武。基于虛擬DCSS的仿真系統(tǒng)統(tǒng)的鍋爐、汽汽機、電氣模模型的開發(fā)方方式與常規(guī)仿仿真機相同，因因此仿真范圍圍和精度并沒沒有改變，對對集控運行人人員培訓的功功能并