基于虛擬DCS的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

1、基于虛擬DCS的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)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(jì)南 2550002）摘要：根據(jù)虛擬擬DCS原理理與技術(shù)，設(shè)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了了一套基于虛虛擬DCS的的火電機(jī)組仿仿真系統(tǒng)，應(yīng)應(yīng)用于火電廠廠運(yùn)行與控制制人員的培訓(xùn)訓(xùn)。關(guān)鍵詞：虛擬DDCS；火電電機(jī)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(wù)器仿真支撐系統(tǒng)與模型 （不含控制部分）仿真服務(wù)器仿真支撐系統(tǒng)與模型 （包含控制部分）實(shí)際過(guò)程對(duì)象硬接線(xiàn)DPU運(yùn)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(shí)際過(guò)程圖1 實(shí)際過(guò)程與仿真的邏輯結(jié)構(gòu)單元機(jī)組采用DDCS后，火電廠直接面面對(duì)的一個(gè)問(wèn)問(wèn)題就是如何何有效地對(duì)運(yùn)運(yùn)行人員進(jìn)行行培訓(xùn)，如何何使運(yùn)行人員員、熱工控制制人員對(duì)整個(gè)個(gè)DCS有一個(gè)個(gè)系統(tǒng)的了解解，這個(gè)問(wèn)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(wù)器仿真支撐系統(tǒng)與模型 （不含控制部分）仿真服務(wù)器仿真支撐系統(tǒng)與模型 （包含控制部分）實(shí)際過(guò)程對(duì)象硬接線(xiàn)DPU運(yùn)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(shí)際過(guò)程圖1 實(shí)際過(guò)程與仿真的邏輯結(jié)構(gòu)虛擬DCS就是是將真實(shí)DCCS系統(tǒng)以軟軟件的形式予予以再現(xiàn)，從從而實(shí)現(xiàn)控制制系統(tǒng)的激勵(lì)勵(lì)模

5、式仿真。因因此基于虛擬擬DCS的火火電機(jī)組仿真真機(jī)不僅可以以用來(lái)培訓(xùn)集集控運(yùn)行人員員，也可以用用于熱控人員員的培訓(xùn)。大大屯電廠的仿仿真機(jī)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(lì)式式全范圍仿真真機(jī)。2 原理分析基于虛擬DCSS的火電機(jī)組組仿真機(jī)主要要由仿真支撐撐平臺(tái)、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(jī)一般般存在于一個(gè)個(gè)支撐平臺(tái)上上，以現(xiàn)場(chǎng)的的實(shí)際設(shè)備或或者過(guò)程為原原型，構(gòu)建仿仿真模型。單單元火電機(jī)組組的仿真對(duì)象象主要包括鍋鍋爐、汽機(jī)、電電氣、熱控等等專(zhuān)業(yè)的設(shè)備備與過(guò)程。由由于虛擬DCCS實(shí)現(xiàn)了控控制系統(tǒng)的仿仿真，因此仿仿真支撐平臺(tái)臺(tái)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(shí)際DCS一樣，主要是是由分散處理理單元（DPPU）和人機(jī)機(jī)界面（HMMI）構(gòu)成。虛虛擬DPU是虛擬擬DCS的核心心。是指將實(shí)實(shí)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(shí)實(shí)際硬件而實(shí)實(shí)現(xiàn)的。這樣樣整個(gè)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(yùn)算硬件件設(shè)備而工作作。人機(jī)界面面在虛擬DCCS中主要有有真實(shí)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(shí)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(duì)象象經(jīng)

7、過(guò)運(yùn)算之之后，各模型型的狀態(tài)數(shù)據(jù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(dòng)后，將將運(yùn)算結(jié)果傳傳遞給HMII顯示，同時(shí)時(shí)傳遞給仿真真模型，復(fù)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)際DCSS中的數(shù)據(jù)控控制運(yùn)算功能能。圖1為實(shí)際過(guò)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(fù)現(xiàn)實(shí)際際機(jī)組的DCCS系統(tǒng)，并并與實(shí)際系統(tǒng)統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)構(gòu)相同，沒(méi)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(shí)現(xiàn)了DDCS 外觀觀功能的仿真真，對(duì)于工程程師站的組態(tài)態(tài)仿真則無(wú)能能為力，仿

8、真真培訓(xùn)對(duì)象只只能局限于運(yùn)運(yùn)行人員，缺缺乏對(duì)熱控人人員的培訓(xùn)功功能。3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真機(jī)的硬件包包括一臺(tái)模型型服務(wù)器（LLN服務(wù)器）、一一臺(tái)虛擬DPPU服務(wù)器（VVDPU服務(wù)務(wù)器）、一臺(tái)臺(tái)虛擬DCSS的工程師站站、若干臺(tái)操操作員站等主主要設(shè)備，以以及交換機(jī)、網(wǎng)網(wǎng)線(xiàn)、投影儀儀、打印機(jī)等等附屬設(shè)備。與傳統(tǒng)的仿真機(jī)機(jī)相比較，在在設(shè)備項(xiàng)目上上主要增加了了一臺(tái)虛擬DDPU服務(wù)器器。通過(guò)虛擬擬DPU主要要實(shí)現(xiàn)控制邏邏輯的仿真，并并將邏輯運(yùn)算算的結(jié)果發(fā)送送給操作員站站和模型服務(wù)務(wù)器。因此在在數(shù)據(jù)流程上上與傳統(tǒng)仿真真機(jī)也不再相相同，更加貼貼近真實(shí)系統(tǒng)統(tǒng)。模型服務(wù)務(wù)器不再直接接與操作員站站交換數(shù)據(jù)，而而是通過(guò)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(wù)器器主要用來(lái)運(yùn)運(yùn)行仿真支撐撐平臺(tái)和仿真真模型。LNN仿真支撐平平臺(tái)提供仿真真模型的運(yùn)行行環(huán)境，實(shí)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(gè)個(gè)模塊組成，實(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)被仿真真對(duì)象實(shí)際模模型的仿真，火火電機(jī)組的仿仿真模型包括括由鍋爐、汽汽機(jī)和電氣等等模型構(gòu)件。VDPU服務(wù)器器主要用來(lái)運(yùn)運(yùn)行虛擬DPPU程序，利利用多線(xiàn)程技技術(shù)，建立多多個(gè)虛擬DPPU，實(shí)現(xiàn)DDPU和控制制邏輯運(yùn)算的的仿真。而數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)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(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)。操作員站主要用用來(lái)模擬人機(jī)機(jī)交互界面，采采用真實(shí)的HHMI可以獲獲得與現(xiàn)場(chǎng)完完全一致的仿仿真效果，但但軟件的成本本往往過(guò)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(duì)于于大多數(shù)仿真真機(jī)來(lái)講是一一種非常實(shí)用用的技術(shù)方案案。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要用用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)據(jù)的傳輸與交交換，一是VVDPU服務(wù)務(wù)器與操作員員站之間的數(shù)數(shù)據(jù)傳輸，二二是VDPUU服務(wù)器與LLN服務(wù)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(kù)，在VVDPU服務(wù)務(wù)器中進(jìn)行配配置。而仿真真模型數(shù)據(jù)庫(kù)庫(kù)與虛擬DCCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)據(jù)庫(kù)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(jìn)進(jìn)行特殊的配配置。投影儀主要用來(lái)來(lái)模擬集控室室內(nèi)的盤(pán)臺(tái)，通通過(guò)軟件來(lái)實(shí)實(shí)現(xiàn)盤(pán)臺(tái)的仿仿真，避免了了硬件盤(pán)臺(tái)的的資金和維護(hù)護(hù)困難。同時(shí)時(shí)它可以連接接到任意一臺(tái)臺(tái)操作員站上上，方便教學(xué)學(xué)。4 開(kāi)發(fā)過(guò)程4.1 虛擬DDCS的開(kāi)發(fā)發(fā)虛擬DCS技術(shù)術(shù)是整個(gè)項(xiàng)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(shí)現(xiàn)。試試驗(yàn)應(yīng)用表明明，一臺(tái)性能能較好的服務(wù)務(wù)器即可完成成一臺(tái)火電單單元機(jī)組所有有DPU的運(yùn)運(yùn)算量。根據(jù)據(jù)仿真機(jī)的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)和培訓(xùn)需需求，虛擬DDCS必須實(shí)實(shí)現(xiàn)與仿真模模型同步的培培訓(xùn)功能，如如初始條件的的加載、模型型運(yùn)算的凍結(jié)結(jié)與解凍、臨臨時(shí)狀態(tài)

12、的快快照、回退和和重演功能，而而這些是真實(shí)實(shí)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(kù)DCS數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǎng)實(shí)實(shí)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(yùn)算算的SAMAA圖和操作員員站人機(jī)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(xué)運(yùn)算算、邏輯功能能、控制功能能、信號(hào)源、選選擇功能、時(shí)時(shí)間功能、線(xiàn)線(xiàn)性對(duì)象、非非線(xiàn)性對(duì)象等

13、等常見(jiàn)類(lèi)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(kù)DCS數(shù)據(jù)庫(kù)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(jiǎn)簡(jiǎn)單以便于使使用與維護(hù)，虛虛擬DCS的的仿真內(nèi)容除除了現(xiàn)場(chǎng)DCCS系統(tǒng)，還還包括FSSSS、DEHH系統(tǒng)等獨(dú)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(kāi)發(fā)設(shè)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(yǔ)言開(kāi)發(fā)，算算法模塊是模模型的最小單單元。一個(gè)（或或一組）模塊塊用于模擬一一個(gè)仿真對(duì)象象實(shí)體，模塊塊間的連接關(guān)關(guān)系體現(xiàn)了仿仿真對(duì)象中各各實(shí)體間的關(guān)關(guān)系。仿真模模型構(gòu)件可以以由一個(gè)或多多個(gè)模塊組成成，反映一定定抽象層次上上的實(shí)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(jī)組的的仿真型由鍋鍋爐模型構(gòu)件件、汽機(jī)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(tái)實(shí)實(shí)現(xiàn)。工質(zhì)的流動(dòng)計(jì)算算是熱物理計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)，由由專(zhuān)門(mén)流體網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)程序進(jìn)行行模擬，保證證了仿真精度度和速度。電電網(wǎng)絡(luò)計(jì)算也也采用了同樣樣的方法。仿真的變速功能能一般應(yīng)用在在大容量系統(tǒng)統(tǒng)，如汽包上上水、汽輪機(jī)機(jī)暖缸等

15、，由由于并不涉及及控制系統(tǒng)，實(shí)實(shí)現(xiàn)方法與傳傳統(tǒng)仿真機(jī)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(kù)為實(shí)際運(yùn)運(yùn)行系統(tǒng)的組組態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，主主要包括AII，AO，DI，DO數(shù)據(jù)類(lèi)型型，在實(shí)際DDCS中對(duì)應(yīng)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)點(diǎn)點(diǎn)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)，其構(gòu)成、組組態(tài)由控制工程設(shè)計(jì)計(jì)人員完成。仿仿真模型數(shù)據(jù)據(jù)庫(kù)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)的實(shí)際設(shè)備備及工藝流程程，由仿真機(jī)機(jī)建模人員使使用仿真支撐撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)完完成。在虛擬DCS和和仿真模型開(kāi)開(kāi)發(fā)完成以后后，就可以將將二者連接起起來(lái)進(jìn)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(diǎn)點(diǎn)和DCS側(cè)側(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)一一一匹配起來(lái)。5 應(yīng)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(duì)象，使使得仿真系統(tǒng)統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作作分工更加清清晰和專(zhuān)業(yè)化化，尤其是控控制系統(tǒng)的仿仿真更加貼近近真實(shí)DCSS系統(tǒng)的組態(tài)態(tài)。不僅降低低了開(kāi)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(jī)上進(jìn)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)組組態(tài)、SAMMA圖組態(tài)、邏邏輯調(diào)整、HHMI組態(tài)等等培訓(xùn)，并成成功地進(jìn)行了了一次熱控技技術(shù)比武?；谔摂MDCSS的仿真系統(tǒng)統(tǒng)的鍋爐、汽汽機(jī)、電氣模模型的開(kāi)發(fā)方方式與常規(guī)仿仿真機(jī)相同，因因此仿真范圍圍和精度并沒(méi)沒(méi)有改變，對(duì)對(duì)集控運(yùn)行人人員培訓(xùn)的功功能并