火電廠仿真機中的DCS仿真方式與關(guān)鍵技術(shù)

楊尤平++王曉波

摘 要：該文全面地介紹和分析了我國火電廠仿真機中的DCS仿真方式和關(guān)鍵技術(shù)，并細致、多角度地劃分了虛擬DCS技術(shù)和仿真方式，精確地說明了其優(yōu)缺點所在，對實行虛擬DCS的關(guān)鍵技術(shù)以及我國火電廠仿真機中不同DCS產(chǎn)品的應(yīng)用情況進行了分析，闡述了其自身先進功能的可行性，最后合理地規(guī)劃了該領(lǐng)域今后的發(fā)展方向和學(xué)術(shù)研究。

關(guān)鍵詞：虛擬 電廠 仿真機 DCS

中圖分類號：TM621 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（c）-0022-01

模擬控制儀表系統(tǒng)在早期火電廠已被采用，控制系統(tǒng)由三部分組成：模擬儀表，操作盤臺和控制對象。當(dāng)時的仿真機只能對大部分進行相應(yīng)簡化，顯示儀表、面板、按鈕和開關(guān)只能被復(fù)制85%左右。早期火電廠仿真機最主要的形式便是這種全仿真機。由于造價高等限制，培訓(xùn)中心的設(shè)立也并不廣泛，仿真機組模型不適合具體培訓(xùn)電廠的機組，只針對典型機組。運行人員需得了解各類工藝流程及操作，電廠運行人員則成為主要培訓(xùn)對象。隨著當(dāng)前科技的飛速發(fā)展，大部分火電廠普遍采用了DCS為控制平臺，其范圍也逐漸擴大，對熱控人員的各方面要求也逐步提高。舊的培訓(xùn)手段及運行方式已不能滿足當(dāng)前水平要求，且未能充分發(fā)揮其優(yōu)勢所在，因此，DCS的仿真與培訓(xùn)的實現(xiàn)就變得尤為重要。

1 火電廠仿真機中DCS的仿真方式

DCS由工程師站、現(xiàn)場控制站、操作員站和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成，由CRT操作，與以往控制儀表不同，現(xiàn)由現(xiàn)場控制站進行操作，在這些設(shè)備改進的同時，仿真機也有了相應(yīng)變化。

在根據(jù)離線組態(tài)、系統(tǒng)運行以及DCS的控制設(shè)計里，東南大學(xué)冷杉獲取了相應(yīng)資源，火電廠仿真機中DCS的仿真方式與DCS在非DCS系統(tǒng)中的再現(xiàn)形式相對應(yīng)。按照機組本體模型與控制算法機型的關(guān)系劃分，主要分為傳統(tǒng)的全范圍仿真方式與激勵式仿真方式。

1.1 傳統(tǒng)的全范圍仿真方式

硬件仿真原DCS中的操作員站配以相似的計算機、鼠標(biāo)、專用鍵盤、操作站，是傳承早期的仿真方式，用非原DCS的組態(tài)軟件來實現(xiàn)當(dāng)中的人機界面，仿真實現(xiàn)其操作和顯示功能。與機組本體模型和DCS的邏輯運算功能在同一軟件平臺上相同，一體化仿真模式由機組本體模式與控制算法模型構(gòu)成。

總而言之，該仿真方式基于設(shè)計圖紙實現(xiàn)，稱作傳統(tǒng)的全范圍仿真方式。其控制算法并未從機組模型中分離。根據(jù)操作規(guī)程和實際DCS的組態(tài)邏輯圖，控制算法模型建模并編程，主要存在以下問題。

（1）不便修整控制策略。仿真機的控制算法模型隨著現(xiàn)場邏輯組態(tài)的改動，按照編程的方式也進行相應(yīng)的修整，與調(diào)試方式及現(xiàn)場組態(tài)不同，跟蹤修改不易。工作量大。其工作量相當(dāng)于將DCS組態(tài)重新進行一次，且還會產(chǎn)生一系列問題，如開發(fā)周期長，容易在邏輯編寫中產(chǎn)生錯誤，錯誤不易察覺等，與實際DCS相比，可信度和軟件功能真實度較低，且通常情況下只實現(xiàn)控制系統(tǒng)主要部分。

（2）電廠對熱控人員的培訓(xùn)無法滿足?；诓捎镁幊陶Z言的方法，所有熱控人員難以進行組態(tài)修改實驗，這種控制邏輯的方法不同于現(xiàn)場，對于培育人員以外的一些高級應(yīng)用功能，幾乎無法完成。

1.2 激勵式仿真方式

激勵式仿真方式就是從機組本體模式中將控制算法模型分離出來，單獨實現(xiàn)DCS里的邏輯運算功能。激勵系統(tǒng)就是仿真機里的DCS系統(tǒng)，這種方式可以分為虛擬DCS激勵方式、全激勵方式和混合激勵方式。

（1）虛擬DCS激勵方式：這種方式之所以稱為部分激勵方式或虛擬DCS激勵方式，是因為其使用了實際DCS系統(tǒng)中的一部分軟硬件。冷杉對“虛擬分散控制系統(tǒng)”進行了完整的定義和細致的分類：虛擬DCS是與真實DCS相對而言的，一般意義上說，它是真實DCS的某種再現(xiàn)，真實地再現(xiàn)固有的分散控制計算機系統(tǒng)。由于操作員站人機界面（HMI）和分散處理單元（DPU）構(gòu)成了DCS，其再現(xiàn)時就有“虛擬HMI”、“仿真DPU”、“虛擬DPU”和“仿真HMI”的劃分。劃分仿真與虛擬的主要標(biāo)志是對實際DCS中組態(tài)文件的使用。

（2）全激勵方式：全激勵方式的原理與虛擬DCS的激勵方式不同，在使用實際DCS的全部軟硬件的同時，與機組模型計算機相互連接，對實際DCS的所有功能進行保留，與實際DCS并無差別。

（3）混合激勵式：混合激勵仿真方式是實現(xiàn)虛擬DCS和實際控制設(shè)備相結(jié)合的不同仿真，其原理是將虛擬DCS與實際DCS的部分硬件相連接?；旌霞罘抡鏅C可以充分利用諸多設(shè)備條件，進行卡件的更換、維修，對各個零件的修改也更加直觀，且造價低、效果明顯。但也有其問題所在，兩套系統(tǒng)與系統(tǒng)程序切換尤為復(fù)雜，使得該仿真模式存在明顯的優(yōu)劣。

2 虛擬DCS的分類

虛擬DCS由HMI、DPU的多種不同組合構(gòu)成，該分類有利于利用與開發(fā)，有利于該領(lǐng)域的研究和實踐。

2.1 對HMI的功能再現(xiàn)方式

對HMI的功能再現(xiàn)主要分為三種方式：真實HMI、虛擬HMI與仿真HMI，這三種方式都是對操作界面的仿真。

2.2 對DPU的功能再現(xiàn)

對DPU的功能再現(xiàn)可分為三種主要方式：（1）最小配置DPU，其去最小激勵配置，相對于全激勵方式，節(jié)省了大量投資；（2）虛擬DPU，使用現(xiàn)場控制站實際組態(tài)文件，可進一步分為編譯轉(zhuǎn)換方式和平臺移植方式；（3）仿真DPU。

2.3 虛擬DCS的組合方式

不同形式DPU與HMI結(jié)合。形成多種形式虛擬DCS，主要包括：虛擬DPU+仿真HMI，仿真DPU+仿真HMI，虛擬DPU+真實HMI，最小配置DPU+仿真HMI等。

3 虛擬DCS的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 編譯轉(zhuǎn)換技術(shù)

編譯轉(zhuǎn)換方式中重要程序通常包括虛擬DPU運行平臺和DPU組態(tài)文件轉(zhuǎn)換程序兩部分。DPU組態(tài)文件轉(zhuǎn)換程序主要包括虛擬功能模擬的編制和文件格式的轉(zhuǎn)換兩大類。

3.2 數(shù)據(jù)連接與通信

仿真模擬數(shù)據(jù)庫和DCS數(shù)據(jù)庫存在于虛擬DCS仿真機中，由于仿真模擬數(shù)據(jù)庫的各類工藝流程要依照仿真支撐系統(tǒng)完成，這就要求DCS數(shù)據(jù)點與模擬側(cè)數(shù)據(jù)點進行匹配，最終與應(yīng)子程序建立關(guān)聯(lián)。

3.3 平臺移植技術(shù)

這種技術(shù)使用較廣泛，操作簡易方便，國內(nèi)很多廠商都采用其建立虛擬DCS平臺。這種方式能夠完整的實現(xiàn)工程站師的仿真，熱控人員的操作也更加多樣。

4 結(jié)語

虛擬DCS的激勵式仿真技術(shù)是發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，是各個發(fā)展路線不斷融合的結(jié)果，是一種嶄新的仿真模式，它經(jīng)過科研人員的不斷努力和交流，其逼真度和應(yīng)用功能都達到很高的標(biāo)準，表現(xiàn)出其相對的綜合優(yōu)勢?；痣姀S中虛擬DCS技術(shù)和DCS的廣泛應(yīng)用大幅度降低了成本，滿足了操作的實際需要。這種產(chǎn)品的實際應(yīng)用，為實現(xiàn)真正數(shù)字化電廠提供了基礎(chǔ)，使仿真技術(shù)進入一個全新化時代。

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