火電機(jī)組半實(shí)物仿真平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫宇貞， 彭道剛， 于會(huì)群， 李 芹， 徐春梅

(上海電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，上海發(fā)電過(guò)程智能管控工程技術(shù)研究中心，上海 200090)

0 引 言

半實(shí)物仿真也稱硬件在回路仿真(Hardware In The Loop Simulation，HILS)，是將數(shù)學(xué)模型、實(shí)體模型和系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)備聯(lián)系在一起進(jìn)行運(yùn)行的仿真系統(tǒng)[1-2]。與純計(jì)算機(jī)軟件仿真相比，半實(shí)物仿真是一種更接近實(shí)際的仿真試驗(yàn)技術(shù)[3]，具有有效性、可重復(fù)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等諸多優(yōu)點(diǎn)[4-5]。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展和集成度的提高，基于半實(shí)物仿真系統(tǒng)的方案在航空航天、武器設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、電力等各個(gè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[6-7]，在連續(xù)型流程生產(chǎn)工業(yè)也有越來(lái)越多的應(yīng)用案例[8-11]。近年來(lái)在高校的學(xué)科平臺(tái)建設(shè)與實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，半實(shí)物仿真系統(tǒng)因其科學(xué)性和先進(jìn)性，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[12]，提高創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力[13-14]，也越來(lái)越得到重視[15-18]。

本文針對(duì)電力生產(chǎn)的主要企業(yè)——火力發(fā)電廠，研制了一套超超臨界火力發(fā)電機(jī)組的半實(shí)物仿真平臺(tái)，幫助學(xué)生直觀理解和掌握現(xiàn)代化火力發(fā)電廠的生產(chǎn)工藝流程，針對(duì)其中的分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)進(jìn)行邏輯組態(tài)和控制操作。通過(guò)半實(shí)物仿真平臺(tái)，增加學(xué)生操作和體驗(yàn)的機(jī)會(huì)，將理論學(xué)習(xí)和實(shí)際工程技術(shù)緊密聯(lián)系，提高解決問(wèn)題的能力，為今后走上工作崗位打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[19-21]。

1 超超臨界火電機(jī)組半實(shí)物仿真平臺(tái)

火電機(jī)組半實(shí)物仿真平臺(tái)是以目前典型的超超臨界火力發(fā)電裝置為基礎(chǔ)，機(jī)械設(shè)備按一定比例縮小，工藝流程適當(dāng)簡(jiǎn)化，儀表和執(zhí)行器采用實(shí)際設(shè)備運(yùn)行，整個(gè)裝置有一定的工程化概念。平臺(tái)實(shí)物如圖1所示。

圖1 半實(shí)物仿真平臺(tái)實(shí)體圖

整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)由機(jī)械設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備、檢測(cè)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輔助系統(tǒng)等組成。其中機(jī)械設(shè)備按實(shí)際超超臨界燃煤機(jī)組的工藝流程設(shè)計(jì)，總體可以分為汽水流程和風(fēng)煙流程兩大類(lèi)。其中汽水流程的主要設(shè)備有凝汽器V101、熱井V102、精處理裝置V103、軸封加熱器V104、低壓加熱器V105、除氧器V106、高壓加熱器V108、省煤器V109、汽水分離器V110、鍋爐V113、汽輪機(jī)組V115；風(fēng)煙流程的主要設(shè)備有鍋爐系統(tǒng)延伸的除塵器V118、脫硫塔V119、煙囪V120等設(shè)備。動(dòng)力設(shè)備包括了給水泵P101、P102，凝水泵P103、P104，鍋爐啟動(dòng)疏水泵P105，送風(fēng)機(jī)C101、C102，一次風(fēng)機(jī)C103、C104，引風(fēng)機(jī)C105、C106、電加熱器HV101等。檢測(cè)儀表包括了基于4～20 mA模擬量的鍋爐給水流量傳感器，Pt100熱電阻溫度傳感器(檢測(cè)凝汽器溫度、凝水泵母管出口溫度、給水泵母管出口溫度、汽水分離器入口溫度等)，基于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的除氧器液位調(diào)節(jié)閥閥位反饋、凝結(jié)水泵出口壓力、給水泵出口壓力、分離器儲(chǔ)水罐液位等儀表，基于FF現(xiàn)場(chǎng)總線的除氧器液位、凝汽器熱井液位、疏水?dāng)U容器液位儀表，基于HART現(xiàn)場(chǎng)總線的鍋爐給水流量、凝汽器溫度、鍋爐給水調(diào)節(jié)、疏水?dāng)U容器液位調(diào)節(jié)、儲(chǔ)水罐液位調(diào)節(jié)等儀表，基于MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的給水泵和凝水泵變頻調(diào)節(jié)等儀表。半實(shí)物仿真平臺(tái)汽水系統(tǒng)相關(guān)的工藝與儀表流程圖如圖2所示。

圖2 半實(shí)物仿真平臺(tái)的汽水工藝與儀表流程圖

整個(gè)半實(shí)物仿真平臺(tái)的對(duì)象設(shè)備與控制裝置分離設(shè)計(jì)，控制裝置可采用主流的DCS系統(tǒng)或其他類(lèi)型控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。目前本平臺(tái)采用了ECS-700和SUPMAX兩套DCS系統(tǒng)，并且可以進(jìn)行DCS系統(tǒng)的自主切換。

平臺(tái)的工業(yè)過(guò)程是對(duì)實(shí)際電力生產(chǎn)過(guò)程的部分簡(jiǎn)化，檢測(cè)和控制儀表采用了目前國(guó)內(nèi)外主流的先進(jìn)儀表與控制系統(tǒng)。作為高校的研究與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以讓學(xué)生了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀況，掌握運(yùn)用與現(xiàn)場(chǎng)緊密聯(lián)系的儀表設(shè)備與控制系統(tǒng)，將理論學(xué)習(xí)與實(shí)際工程技術(shù)相聯(lián)系，提高學(xué)生綜合應(yīng)用的能力。

2 ECS-700控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

本半實(shí)物仿真平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)可以在主流的DCS或其他流程工業(yè)中常見(jiàn)的控制系統(tǒng)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。ECS-700是國(guó)產(chǎn)DCS的典型，具有高可靠性、高開(kāi)放性、高擴(kuò)展性、物美價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)的化工、電力、石油、冶金等各類(lèi)流程生產(chǎn)領(lǐng)域有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用，其具體特點(diǎn)包括[22-23]：

(1) 采用全冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括供電系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、控制站等，使用高可靠性部件及信息安全設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)連續(xù)正常運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的可靠性。

(2) 系統(tǒng)的硬件模塊抗環(huán)境干擾能力較強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)不停車(chē)更換硬件；控制器具有一定的防病毒能力，提高了系統(tǒng)的安全等級(jí)。

(3) 可以無(wú)縫整合PROFIBUS、FF、HART、EPA等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線，在統(tǒng)一的設(shè)備管理平臺(tái)上管理多種現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，且支持在線升級(jí)和擴(kuò)容，便于調(diào)試、管理、維護(hù)、擴(kuò)展。

(4) 組態(tài)軟件包括硬件組態(tài)、位號(hào)組態(tài)、軟件組態(tài)，國(guó)產(chǎn)組態(tài)軟件的全漢化界面對(duì)用戶友好。其中的用戶程序設(shè)計(jì)包含眾多常用的功能塊如手操器、PID、FF標(biāo)準(zhǔn)和濾波等模塊，還可以用戶自定義模塊，方便完成整個(gè)系統(tǒng)的控制策略設(shè)計(jì)。

3 ECS-700半實(shí)物仿真平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本平臺(tái)上的ECS-700控制系統(tǒng)由控制節(jié)點(diǎn)、操作節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成。相關(guān)組態(tài)功能由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組態(tài)管理、硬件、位號(hào)、控制方案和監(jiān)控等組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)。

在超超臨界火電機(jī)組半實(shí)物仿真平臺(tái)上利用ECS-700進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)，主要包括了控制域組態(tài)和操作域組態(tài)兩部分。其中控制域組態(tài)主要完成硬件配置、位號(hào)配置以及程序的編寫(xiě)等，即把系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和關(guān)系在控制域中體現(xiàn)出來(lái)并且整理清楚。操作域組態(tài)主要完成監(jiān)控畫(huà)面和流程圖的組態(tài)，并且在流程圖中將位號(hào)與流程中的各種數(shù)據(jù)點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來(lái)，這樣一來(lái)控制域和操作域就可以關(guān)聯(lián)在一起，在操作域中進(jìn)行相關(guān)操作就可以通過(guò)控制域在控制器以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間進(jìn)行信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。

下面以半實(shí)物仿真平臺(tái)中汽水系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明本平臺(tái)上的監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程和實(shí)施效果。

3.1 ECS-700控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和配置

半實(shí)物仿真平臺(tái)組態(tài)設(shè)計(jì)首先需要配置控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及控制器參數(shù)，包括了ECS-700系統(tǒng)的控制域、操作域和通信網(wǎng)絡(luò)等。

控制域包括了冗余配置的控制器FCU712，模擬量輸入模塊AI711_S11、支持HART總線的模擬量輸入模塊AI711-H11、熱電偶輸入模塊AI722、熱電阻輸入模塊AI731、模擬量輸出模塊AO711-S11、支持HART總線的模擬量輸出模塊AO711-H11、開(kāi)關(guān)量輸入模塊DI716、開(kāi)關(guān)量輸出模塊DO711，以及支持FF現(xiàn)場(chǎng)總線的I/O模塊AM712-S、支持MODBUS/TCP的以太網(wǎng)通信模塊COM742、支持MODBUS-RTU的串行通信模塊COM741、支持PROFIBUS主站通信模塊COM722。

操作域包括了1臺(tái)組態(tài)服務(wù)器、1臺(tái)工程師站、8臺(tái)操作員站。通信網(wǎng)絡(luò)采用總線型雙網(wǎng)容冗余的高速工業(yè)以太網(wǎng)，其集線器采用冗余配置的SUP-5117。

需要通過(guò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組態(tài)軟件(VFSysBuilder)搭建出上述系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架，并配置工程師組及其權(quán)限，以及操作域、控制域、包括對(duì)應(yīng)的控制器總體參數(shù)。

3.2 控制域通信組態(tài)設(shè)計(jì)

配置好系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)后則應(yīng)進(jìn)行控制域組態(tài)，即需通過(guò)組態(tài)管理軟件(VFExplorer)進(jìn)行硬件的通信通道配置、位號(hào)組態(tài)配置等。根據(jù)控制域的設(shè)備狀況本工程需要配置的通信模塊有COM701-S虛擬I/O連接模塊、COM741-S串行通信模塊、COM742-S以太網(wǎng)通信模塊、COM722-S PROFIBUS主站通信模塊、AM712-S FF現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊等。其中COM701-S虛擬連接模塊負(fù)責(zé)4～20 mA模擬量輸入輸出、開(kāi)關(guān)量輸入輸出、熱電偶輸入、熱電阻輸入、滿足HART總線協(xié)議的I/O通信。COM741-S串行通信模塊能夠?qū)M足標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU協(xié)議的第三方設(shè)備(串行異構(gòu)設(shè)備)通過(guò)擴(kuò)展I/O總線接入系統(tǒng)。COM742-S以太網(wǎng)通信模塊主要負(fù)責(zé)MODBUS以及滿足TCP協(xié)議的以太網(wǎng)通信的I/O通道。COM722-S作為PROFIBUS-DP的主站接口，用于將標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS-DP從站設(shè)備接入ECS-700系統(tǒng)，也可以通過(guò)耦合器和鏈接器接入PROFIBUS-PA設(shè)備。AM712-S模塊是FF現(xiàn)場(chǎng)總線儀表與ECS-700控制系統(tǒng)間的通信接口模塊。

除AM712-S通信模塊需利用FF組態(tài)軟件(VFFFBuilder)配置外，其余通信模塊應(yīng)通過(guò)硬件組態(tài)軟件(VFIObuilder)配置。配置時(shí)需要注意機(jī)架的正確配置，并且應(yīng)按模塊物理地址逐一配置各個(gè)通信模塊參數(shù)。

在進(jìn)行了通信模塊的配置之后，應(yīng)通過(guò)位號(hào)組態(tài)軟件(VFTAGBuilder)來(lái)配置所有的輸入輸出設(shè)備以及相關(guān)通信模塊的位號(hào)，包括位號(hào)名稱、類(lèi)型、描述、量程上下限、信號(hào)類(lèi)型、地址等屬性。

3.3 控制域的功能塊和程序組態(tài)

半實(shí)物仿真平臺(tái)系統(tǒng)的控制需要利用控制程序進(jìn)行，控制程序以順序執(zhí)行為主，執(zhí)行周期為200 ms。對(duì)應(yīng)的控制方案組態(tài)軟件(VFFBDBuilder)能夠完成控制程序的組態(tài)，該軟件能夠提供功能塊圖(FBD)、梯形圖、ST語(yǔ)言等編程方式，并具有在線調(diào)試、位號(hào)智能輸入、圖形縮放等功能。其中FBD功能塊中除了常見(jiàn)的系統(tǒng)功能塊外，還包括Smith預(yù)估器、模糊控制、預(yù)測(cè)控制、自整定PID等先進(jìn)控制的功能塊。同時(shí)也可以根據(jù)需要自己采用ST語(yǔ)言、SFC語(yǔ)言編寫(xiě)用戶自定義的功能塊邏輯，或者自己采用VBScript腳本語(yǔ)言編輯流程圖腳本。

本工程中采用了FBD這種常用的控制組態(tài)方式，通過(guò)調(diào)用FBD庫(kù)中的FBD模塊并按要求進(jìn)行信號(hào)連接，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)控制程序的編寫(xiě)。

以本半實(shí)物仿真平臺(tái)中汽水系統(tǒng)的除氧器液位控制系統(tǒng)為例，考慮到除氧器液位自身無(wú)自衡能力特性，且除了凝水泵的控制信號(hào)外，鍋爐給水流量和凝水泵出口壓力都對(duì)除氧器液位高度有較明顯的影響，采用以凝結(jié)水泵出口壓力作為串級(jí)副變量，保證在凝水側(cè)壓力變化下快速抑制擾動(dòng)；鍋爐給水流量引入前饋補(bǔ)償控制，以提前消除鍋爐給水側(cè)的擾動(dòng)。設(shè)計(jì)了如圖3所示的除氧器液位串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)控制策略，該控制策略也與目前超超臨界機(jī)組實(shí)際主控制策略相一致。

3.4 操作域組態(tài)設(shè)計(jì)

通過(guò)監(jiān)控組態(tài)軟件(VFHMICfg)進(jìn)行操作域中監(jiān)控運(yùn)行所需相關(guān)組態(tài)，包括配置操作小組以及配置域變量、監(jiān)控用戶授權(quán)、歷史趨勢(shì)、自定義報(bào)警分組、面板權(quán)限、報(bào)警擱置、工況管理、規(guī)程管理等；并且設(shè)計(jì)包括總貌畫(huà)面、一覽畫(huà)面、分組畫(huà)面、趨勢(shì)畫(huà)面、流程圖、報(bào)警面板、報(bào)警聲音、操作指導(dǎo)、位號(hào)關(guān)聯(lián)流程圖、位號(hào)關(guān)聯(lián)趨勢(shì)畫(huà)面等操作界面。應(yīng)將操作域需進(jìn)行監(jiān)控的相關(guān)輸入輸出參數(shù)的位號(hào)與實(shí)際輸入輸出點(diǎn)的位號(hào)相吻合，保證聯(lián)系到控制域中的對(duì)應(yīng)位號(hào)。其中設(shè)計(jì)的汽水流程操作界面圖如圖4所示。

圖3 除氧器液位串級(jí)三沖量控制策略

圖4 半實(shí)物仿真平臺(tái)汽水系統(tǒng)操作界面組態(tài)圖

4 火電機(jī)組半實(shí)物仿真平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施效果

在完成所有的控制域和操作域的組態(tài)設(shè)計(jì)后，將相關(guān)監(jiān)控程序編譯、下載至控制器，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布控制域與操作域程序。操作員站啟動(dòng)監(jiān)控組態(tài)軟件后，在流程圖界面將機(jī)組汽水系統(tǒng)水循環(huán)回路上的調(diào)節(jié)閥和電動(dòng)泵依次打開(kāi)，待除氧器液位穩(wěn)定后，打開(kāi)除氧器的副調(diào)節(jié)由手動(dòng)切為串級(jí)自動(dòng)，將主調(diào)節(jié)由手動(dòng)切為自動(dòng)，修改SV即除氧器液位設(shè)定值，由圖5所示的除氧器液位實(shí)時(shí)曲線圖可知，采用串級(jí)三沖量控制的除氧器液位能較快速地穩(wěn)定在設(shè)定值，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的控制效果。

圖5 除氧器液位串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)效果圖

注：圖中藍(lán)色線為除氧器水位設(shè)定值；橘色線為除氧器液位實(shí)時(shí)值；綠色線為除氧器液位主調(diào)節(jié)閥輸出值

5 結(jié) 語(yǔ)

超超臨界半實(shí)物仿真平臺(tái)是以電力生產(chǎn)工藝中主流的超超臨界火電機(jī)組為模板設(shè)計(jì)研制的，部分工藝流程也采用實(shí)際的工質(zhì)，平臺(tái)上所有儀表、執(zhí)行器、控制器皆使用與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一致的設(shè)備，包括有傳統(tǒng)的模擬量和開(kāi)關(guān)量通道以及先進(jìn)的各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)總線通道。控制器和控制系統(tǒng)選用國(guó)產(chǎn)先進(jìn)DCS系統(tǒng)，并可以在各系統(tǒng)間切換。文中介紹了如何利用ECS-700 DCS設(shè)計(jì)針對(duì)該平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)，本監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是在學(xué)生的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等各項(xiàng)實(shí)踐類(lèi)活動(dòng)中不斷完善成形的。該監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際的半實(shí)物仿真平臺(tái)上能夠穩(wěn)定運(yùn)行，且控制效果符合設(shè)計(jì)預(yù)期。通過(guò)在本半實(shí)物仿真平臺(tái)上進(jìn)行的相關(guān)實(shí)踐類(lèi)學(xué)習(xí)、操作，以及深入的設(shè)計(jì)工作，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了平臺(tái)的相關(guān)功能，同時(shí)也提高了學(xué)生的實(shí)踐能力和研究開(kāi)發(fā)能力，為自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)更好培養(yǎng)懂技術(shù)、能應(yīng)用、能創(chuàng)新的人才奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。