虛擬DCS在電廠仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用

葛怡蘇

摘 要：文章介紹了虛擬DCS的概念以及OVATION的虛擬DCS在電廠仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用過程。最后分析指出虛擬DCS式的電廠仿真系統(tǒng)是一種理想的和多應(yīng)用功能的電廠仿真系統(tǒng)建設(shè)方式。

關(guān)鍵詞：虛擬DCS；電廠仿真系統(tǒng)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）14-0038-02

1 DCS系統(tǒng)概述

大型集散控制系統(tǒng)（DCS）在現(xiàn)代電廠控制技術(shù)中占有重要的地位，它集計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)采集、過程控制技術(shù)于一體，把整個電廠的控制過程、操作報警及數(shù)據(jù)顯示等通過計算機(jī)或盤臺集中表現(xiàn)出來，猶如人的大腦，控制著整個電廠生產(chǎn)流程。

1.1 DCS系統(tǒng)的仿真方式

因此，控制系統(tǒng)的仿真是電廠仿真系統(tǒng)中一個非常重要的部分，其仿真方法和仿真精度直接影響整個電廠仿真系統(tǒng)的質(zhì)量、成本和實施效果。在常規(guī)的電廠仿真系統(tǒng)中，DCS的仿真主要內(nèi)容有數(shù)據(jù)采集和發(fā)送、操作員人機(jī)界面、邏輯與控制過程、數(shù)據(jù)記錄與輸出等。主要有三種仿真方式：

①Simulation方式：用軟件模擬DCS功能的實現(xiàn)方式。

②Stimulation方式：用原廠DCS硬件激勵式模擬的實現(xiàn)方式。

③Emulation方式：用原廠DCS軟件結(jié)合仿真其硬件環(huán)境的實現(xiàn)方式。

1.2 虛擬DCS系統(tǒng)的主要功能

虛擬DCS由原電廠控制系統(tǒng)廠商提供，是一種Emulation方式的仿真控制系統(tǒng)，它構(gòu)建于虛擬控制器技術(shù)之上，采用原有控制硬件中的軟件及其環(huán)境實現(xiàn)仿真，可以與原DCS邏輯組態(tài)保持高度一致，雖然價格仍然較高，但是遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)Stimulation方法，對于電廠控制算法研究分析和改進(jìn)能起到相同作用。

虛擬DCS式電廠仿真系統(tǒng)就是采用虛擬DCS方法開發(fā)的，它為電廠仿真系統(tǒng)的發(fā)展開拓了一個全新的領(lǐng)域，它的主要功能有：

①具備完善的與仿真機(jī)的接口，能夠模擬機(jī)組控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和功能。

②具備良好的控制系統(tǒng)虛擬組態(tài)、運(yùn)行、修改等功能，采用圖形化、模塊化、交互方式的組態(tài)環(huán)境，可進(jìn)行運(yùn)行培訓(xùn)、熱工培訓(xùn)、DCS邏輯和運(yùn)行規(guī)程檢測、優(yōu)化運(yùn)行分析等。

③虛擬DCS具有開放式的通訊接口，能時刻跟上電廠DCS的變化，可以直接利用真實DCS工程師站的控制邏輯組態(tài)文件以及相關(guān)數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)仿真控制系統(tǒng)邏輯和畫面升級。

以下就是OVATION控制系統(tǒng)虛擬DCS在電廠仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 虛擬DCS仿真系統(tǒng)組成

2.1 仿真系統(tǒng)的軟件組成

系統(tǒng)軟件由虛擬DCS軟件和仿真服務(wù)軟件構(gòu)成。虛擬DCS軟件由OVATION虛擬控制器軟件、OVATION Database Server、OVATION 工程師站軟件、操作員人機(jī)界面軟件和接口通訊程序組成，仿真服務(wù)軟件由仿真支撐平臺軟件和電廠過程（爐、機(jī)、電等）仿真模型組成。

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

各個操作員人機(jī)界面接受操作員操作指令，發(fā)送到OVA-

TION Database Server，OVATION虛擬控制器軟件從OVATION Database Server中取出數(shù)據(jù)，模擬真實DPU的算法策略經(jīng)行運(yùn)算，運(yùn)算完成后再將結(jié)果送回到OVATION Database Server中，再經(jīng)接口通訊程序發(fā)送到仿真服務(wù)軟件，由仿真服務(wù)軟件進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算出的數(shù)據(jù)再通過相同路徑，反向傳輸?shù)絆VATION D-

atabase Server上，最后再將結(jié)果反饋到操作員人機(jī)界面上。

通過工程師站軟件可以訪問OVATION Database Server，修改其中的數(shù)據(jù)庫點名和配置信息。

由于虛擬DCS系統(tǒng)與仿真服務(wù)軟件分別處于兩個不同的運(yùn)行環(huán)境，需要解決兩個系統(tǒng)之間的同步問題，如時間控制、復(fù)位、保存等，這里采用由仿真服務(wù)軟件控制虛擬DCS系統(tǒng)的方式實現(xiàn)。

2.2 仿真系統(tǒng)的硬件組成

系統(tǒng)硬件由虛擬DCS硬件和仿真服務(wù)器構(gòu)成。虛擬DCS硬件主要包括虛擬控制器服務(wù)器、虛擬DCS的工程師站、操作員站和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

OVATION虛擬控制器服務(wù)器主要用來為虛擬控制器軟件提供運(yùn)行環(huán)境，協(xié)調(diào)內(nèi)部各個虛擬控制器軟件的運(yùn)算。

如果系統(tǒng)中有多個虛擬控制器服務(wù)器，其中一個須配置Master Host軟件，它負(fù)責(zé)監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)所有控制器服務(wù)器的運(yùn)行，并發(fā)送指令控制各個服務(wù)器狀態(tài)。

仿真服務(wù)器用于運(yùn)行仿真服務(wù)軟件，包括支撐平臺和仿真模型，并通過通訊程序，調(diào)用SimAPI函數(shù)發(fā)送仿真系統(tǒng)指令到Master Host，實現(xiàn)對虛擬DCS的控制。

虛擬DCS的工程師站主要運(yùn)行OVATION Database Server和工程師站軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的存儲和管理、SAMA圖的組態(tài)、操作員界面的組態(tài)等功能。

操作員站主要模擬人機(jī)交互界面。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與交換。

3 虛擬DCS應(yīng)用于仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 仿真模型的開發(fā)

在仿真支撐軟件支持下，程序設(shè)計采取”自頂向下”的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，建立全物理過程數(shù)學(xué)模型，機(jī)組啟停、正常運(yùn)行以及故障等全部直接包括在該模型中。

根據(jù)仿真范圍，火電機(jī)組的仿真模型包括鍋爐模型、汽機(jī)模型、電氣模型，仿真方法與傳統(tǒng)的Simulation方法一致，而控制模型的功能由虛擬DCS支撐平臺實現(xiàn)。

3.2 虛擬DCS的開發(fā)

虛擬DCS開發(fā)是整個項目的關(guān)鍵，整套虛擬DCS由OVATION控制系統(tǒng)改造而成。根據(jù)電廠仿真機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)和培訓(xùn)需求，虛擬DCS實現(xiàn)了與仿真模型同步的培訓(xùn)功能，如初始條件的加載、模型運(yùn)算的凍結(jié)與解凍、臨時工況的快存、回退和重演等功能，而這些是真實的DCS系統(tǒng)所不具備的。

整個虛擬DCS包括多個虛擬控制器，涵蓋輸入輸出、數(shù)值運(yùn)算等常見類型，能夠完成整個DCS系統(tǒng)SAMA圖的組態(tài)仿真。另外，還提供DCS系統(tǒng)的人機(jī)界面繪制修改工具，可對虛擬DCS的人機(jī)界面進(jìn)行重新組態(tài)，擴(kuò)充圖形控件。

項目執(zhí)行期間，先收集項目電廠的控制邏輯和畫面源文件，再導(dǎo)入虛擬控制器服務(wù)器，操作站從服務(wù)器下載匹配的控制器和畫面源文件，這樣就得到與項目電廠一樣的邏輯和畫面了。

3.3 虛擬DCS與仿真模型的聯(lián)調(diào)

虛擬DCS數(shù)據(jù)庫為實際控制系統(tǒng)的組態(tài)數(shù)據(jù)庫，與實際DCS點對應(yīng)，其構(gòu)成、組態(tài)由控制公司的設(shè)計人員完成。仿真模型數(shù)據(jù)庫按照收集現(xiàn)場的實際設(shè)備及工藝流程資料，由仿真機(jī)建模人員使用仿真支撐系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)完成。

在虛擬DCS和仿真模型都開發(fā)完成后，就可以將兩者連接起來進(jìn)行聯(lián)調(diào)。根據(jù)模型工程師和虛擬DCS工程師分別提供輸入輸出接口清單，把模型側(cè)數(shù)據(jù)點和DCS側(cè)數(shù)據(jù)點一一匹配起來。另外，編寫接口通訊程序，調(diào)試運(yùn)行使兩者的數(shù)據(jù)庫能夠進(jìn)行實時數(shù)據(jù)通訊交換。

3.4 虛擬DCS與仿真結(jié)合的難點問題及解決方法

在虛擬DCS與仿真結(jié)合過程中接口通訊程序的編寫是整個項目的難點問題，因為虛擬DCS數(shù)據(jù)庫平臺與仿真支撐平臺分屬兩個公司，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、通訊模式都有很大差別。本項目中兩個平臺的通訊采用OPC通訊方式解決。

控制公司提供了OPC Server接口，仿真工程師開發(fā)一個O-

PC Client，通過這種OPC Server/OPC Client結(jié)構(gòu)實現(xiàn)虛擬DCS系統(tǒng)與仿真平臺之間的數(shù)據(jù)交換。

OPC規(guī)范中提供了兩套接口方案，即定制接口方案和自動化接口方案。其中定制接口效率高，通過該接口能夠發(fā)揮OPC服務(wù)器的最佳性能，一般采用定制接口方案。

在VC環(huán)境下，使用定制接口方案開發(fā)OPC客戶應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的步驟如下：

①編寫OPC頭文件→②初始化COM支持庫→③連接OPC服務(wù)器→④創(chuàng)建OPC組→⑤添加數(shù)據(jù)項→⑥數(shù)據(jù)交換→⑦釋放接口指針。

4 結(jié) 語

仿真系統(tǒng)的設(shè)備模型的開發(fā)方式與常規(guī)Simulation方法仿真機(jī)相同，因此仿真范圍和精度沒有改變，培訓(xùn)效果沒有削弱。熱控人員還可以利用虛擬DCS工程師站進(jìn)行數(shù)據(jù)庫組態(tài)、邏輯組態(tài)調(diào)整、畫面修改等培訓(xùn)，大大增強(qiáng)了培訓(xùn)效果。同時，虛擬DCS式的電廠仿真系統(tǒng)保留了Simulation方法對于設(shè)備模型仿真的范圍和精度，兼顧了Stimulation方法對于控制系統(tǒng)高精度仿真的效果，又相對節(jié)省了硬件投資，縮短了開發(fā)周期，是一種理想和多應(yīng)用功能的電廠仿真系統(tǒng)建設(shè)方式。

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