基于火力發(fā)電廠運(yùn)行環(huán)境的模擬機(jī)設(shè)計(jì)*

溫濟(jì)霞

技術(shù)應(yīng)用

基于火力發(fā)電廠運(yùn)行環(huán)境的模擬機(jī)設(shè)計(jì)*

溫濟(jì)霞

（山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）責(zé)任有限公司，山西 長治 046204）

為更真實(shí)地反映火電廠運(yùn)行狀態(tài)，基于火電廠現(xiàn)場設(shè)備集散控制操作臺(tái)的實(shí)際架構(gòu)，提出火電廠模擬機(jī)設(shè)計(jì)方法。火電廠模擬機(jī)分為Level 0，Level 1，Level 2三個(gè)層級(jí)，可分別實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)備、控制器、主控室、盤臺(tái)和操作員站畫面的模擬；同時(shí)，對(duì)各層級(jí)間接口關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方法全面反映火電廠現(xiàn)場設(shè)備和運(yùn)行操作系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與關(guān)聯(lián)關(guān)系，正確反映火電廠運(yùn)行實(shí)際，各模塊的獨(dú)立設(shè)計(jì)提高了虛擬機(jī)的靈活性，可針對(duì)不同的機(jī)組進(jìn)行適應(yīng)性升級(jí)。

虛擬DCS；火電廠模擬機(jī)；接口

0　引言

火電廠模擬機(jī)對(duì)人員培訓(xùn)、故障模擬、組態(tài)驗(yàn)證等具有重要作用，是提升火電廠運(yùn)行人員能力水平的重要工具。許多專家學(xué)者對(duì)火電廠模擬機(jī)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)：張明明[1]設(shè)計(jì)某電廠1000 MW超超臨界機(jī)組的模擬機(jī)系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹鍋爐系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的建模方法；黃旭明[2]介紹基于LN2000系統(tǒng)的虛擬DCS開發(fā)過程，闡述Level 1各種仿真技術(shù)的區(qū)別與聯(lián)系；張金山[3]介紹半實(shí)物仿真技術(shù)、過程系統(tǒng)建模基本方法以及半實(shí)物仿真中分布式控制系統(tǒng)性能測試方法；高叔開[4]等介紹激勵(lì)式仿真機(jī)的設(shè)計(jì)方法，并以INFI-90 DCS系統(tǒng)為例，介紹激勵(lì)式DCS與仿真模型實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)的方法。

當(dāng)前研究多是對(duì)單個(gè)工藝流程或單個(gè)操作回路進(jìn)行模擬，而從現(xiàn)場設(shè)備、控制系統(tǒng)到操作臺(tái)全工況火電廠仿真模擬的研究較少。本文設(shè)計(jì)的火電廠模擬機(jī)，可達(dá)到操作人員在一臺(tái)虛擬機(jī)上全面模擬火電廠實(shí)際操作的目的。

1　總體框架

火電廠模擬機(jī)可分為Level 0，Level 1，Level 2 3個(gè)層級(jí)。其中，Level 0是過程模型層，實(shí)現(xiàn)火電廠鍋爐、汽輪機(jī)、管路、發(fā)電機(jī)及各種輔機(jī)等設(shè)備虛擬仿真，通過設(shè)備物理特性建模，抽象出輸入輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并以軟件形式實(shí)現(xiàn)；Level 1是控制器層，實(shí)現(xiàn)實(shí)物DCS控制邏輯的虛擬化等效；Level 2是人機(jī)接口層，實(shí)現(xiàn)主控制室、盤臺(tái)、操作員軟件畫面的再現(xiàn)，達(dá)到身臨其境的效果。

Level 1層由多個(gè)DCS控制站組成。在火電廠模擬機(jī)中，每個(gè)控制站可由虛擬DCS軟件實(shí)現(xiàn)，也可由實(shí)物DCS控制站實(shí)現(xiàn)。在實(shí)物DCS控制站與虛擬DCS控制站軟件之間、虛擬DCS控制站軟件與盤臺(tái)設(shè)備（儀表、指示燈等）之間、實(shí)物DCS控制站與Level 0模型軟件之間，存在軟件與硬件的轉(zhuǎn)接接口?；痣姀S模擬機(jī)由軟件部分（Level 0過程模型、Level 1虛擬DCS控制站軟件）和硬件部分（Level 1實(shí)物DCS控制站、Level 2盤臺(tái)等），構(gòu)成半實(shí)物仿真系統(tǒng)。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　Level 1設(shè)計(jì)

Level 1控制器層仿真包括模擬、仿真和激勵(lì)[5]3種常用技術(shù)。其中，模擬式DCS是指采用自動(dòng)化軟件翻譯或人工繪制的方法，將實(shí)物DCS控制站的控制邏輯移植到虛擬DCS控制站軟件，實(shí)現(xiàn)控制算法的再現(xiàn)及仿真功能。仿真式DCS是將實(shí)物DCS主控制器軟件的運(yùn)行環(huán)境由DCS主控制器板卡移植到通用計(jì)算機(jī)上，采用與實(shí)物DCS控制站相同的組態(tài)文件和工程師站，具有更高的仿真度。激勵(lì)式DCS采用真實(shí)DCS的硬件、軟件以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，簡化外設(shè)部分，形成最小系統(tǒng)。激勵(lì)式DCS與模擬或仿真式DCS可結(jié)合使用（下文二者分別簡稱實(shí)物DC控制站與虛擬DCS控制站軟件），形成如圖1所示設(shè)計(jì)。

圖1　Level 1實(shí)物DCS與虛擬DCS結(jié)合使用設(shè)計(jì)圖

實(shí)物DCS控制站與虛擬DCS控制站軟件之間的信息交互為站間通信數(shù)據(jù)，虛擬DCS控制站軟件的上位機(jī)和實(shí)物DCS控制站通過交換機(jī)連接；各虛擬DCS控制站或?qū)嵨顳CS控制站之間按照工程師站下裝的設(shè)備組態(tài)信息，根據(jù)本端與對(duì)端IP，建立TCP連接，實(shí)現(xiàn)站間通信。

采用自定義協(xié)議的通信架構(gòu)，通常在虛擬DCS控制站軟件中不虛擬自定義通信協(xié)議，而采用TCP/IP協(xié)議，因而還應(yīng)在上位機(jī)增加協(xié)議翻譯的組件模塊，實(shí)現(xiàn)虛擬DCS控制站軟件與實(shí)物DCS控制站的互通[6]。

2.2　Level 0設(shè)計(jì)

火電廠模擬機(jī)Level 0過程模型包括鍋爐模型、汽機(jī)模型和電氣系統(tǒng)模型。Level 0過程模型包含的子系統(tǒng)如表1所示[7]。

表1　Level 0過程模型子系統(tǒng)

3　接口設(shè)計(jì)

3.1　Level 1與 Level 0接口設(shè)計(jì)

Level 1與Level 0的接口分為過程模型軟件與虛擬DCS控制站軟件接口、過程模型軟件與實(shí)物DCS控制站接口，接口設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2　Level 1與Level 0接口設(shè)計(jì)圖

過程模型軟件與虛擬DCS控制站軟件接口是軟件之間的接口，可通過共享內(nèi)存（同一臺(tái)主機(jī))、TCP通信（同主機(jī)或不同主機(jī)）等方式實(shí)現(xiàn)。通信內(nèi)容包括I/O數(shù)據(jù)交互、仿真指令及參數(shù)反饋等。

過程模型軟件與實(shí)物DCS控制站接口通過交換機(jī)與轉(zhuǎn)接設(shè)備實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)接設(shè)備一端通過網(wǎng)口連接交換機(jī)，進(jìn)而連接過程模型軟件，另一端與實(shí)物DCS控制站接口。

轉(zhuǎn)接設(shè)備與實(shí)物DCS通過硬接線連接。轉(zhuǎn)接設(shè)備對(duì)于實(shí)物DCS相當(dāng)于火電廠實(shí)際運(yùn)行過程中的傳感器、泵閥、指示燈等。轉(zhuǎn)接設(shè)備與實(shí)物DCS控制站I/O反接，即實(shí)物DCS的輸入卡件（模擬量輸入卡AI、數(shù)字量輸入卡DI）對(duì)接轉(zhuǎn)接設(shè)備的輸出卡件（模擬量輸出卡AO、數(shù)字量輸出卡DO），實(shí)物DCS的輸出卡件（AO，DO）對(duì)接轉(zhuǎn)接設(shè)備的輸入卡件（AI，DI），接口設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3　轉(zhuǎn)接設(shè)備與實(shí)物DCS接口設(shè)計(jì)圖

轉(zhuǎn)接設(shè)備的信號(hào)來自上位機(jī)過程模型軟件。過程模型軟件與轉(zhuǎn)接設(shè)備的信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系根據(jù)I/O清單確定。轉(zhuǎn)接設(shè)備CPU對(duì)信號(hào)的組態(tài)邏輯統(tǒng)一采用透傳方式，實(shí)現(xiàn)過程模型軟件與實(shí)物DCS之間的數(shù)據(jù)交互。

3.2　Level 1與Level 2接口設(shè)計(jì)

Level 1與Level 2接口包括DCS與工程師站接口、DCS與操作員畫面接口、DCS與主控室、盤臺(tái)接口等。

DCS與工程師站接口形式取決于Level 1仿真形式。仿真式DCS采用與實(shí)物系統(tǒng)一致的工程師站；模擬式DCS采用組態(tài)翻譯的目標(biāo)平臺(tái)配套的工程師站。DCS與操作員畫面接口、過程模型軟件接口類型，本文不再贅述。DCS與主控室、盤臺(tái)接口包括半實(shí)物仿真中的實(shí)物DCS控制站與盤臺(tái)接口、虛擬DCS控制站軟件與盤臺(tái)接口。實(shí)物DCS與盤臺(tái)接口與實(shí)際系統(tǒng)相同，虛擬DCS與盤臺(tái)接口通過轉(zhuǎn)接設(shè)備實(shí)現(xiàn)。按鈕、旋鈕等信號(hào)輸入元件線路接至轉(zhuǎn)接設(shè)備的輸入模塊，通過接口設(shè)備經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)通信傳至虛擬DCS上位機(jī)。虛擬DCS對(duì)指示燈等信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)接設(shè)備轉(zhuǎn)換為硬接線的高低電平信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)指示燈亮滅或類似的設(shè)備動(dòng)作。

Level 1實(shí)物DCS或虛擬DCS與Level 2盤臺(tái)接口關(guān)系由接線表體現(xiàn)。其中，虛擬DCS與盤臺(tái)接線表實(shí)際是盤臺(tái)與轉(zhuǎn)接設(shè)備的接線表。接線表作為2個(gè)系統(tǒng)的交匯點(diǎn)，降低了2個(gè)系統(tǒng)的耦合度。

4　實(shí)例分析

以某火電廠模擬機(jī)為例，系統(tǒng)配置包括：

Level 2，與實(shí)際電廠1:1的主控制室，提供與實(shí)際電廠完全一致的操作員工作環(huán)境；

Level 1，既包括部分實(shí)物DCS控制站，也包括部分虛擬DCS控制站軟件，同時(shí)體現(xiàn)模擬和激勵(lì)2種仿真方式；

Level 0，電廠工藝系統(tǒng)模型，包括鍋爐，汽輪機(jī)、電氣系統(tǒng)3部分，還包括主要的輔機(jī)、控制回路，對(duì)電廠熱工水力模型、電氣回路模型等部分完整的仿真。

火電廠模擬機(jī)設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4　火電廠模擬機(jī)設(shè)計(jì)圖

在火電廠模擬機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例中，過程模型軟件與虛擬DCS及轉(zhuǎn)接設(shè)備對(duì)接，發(fā)送仿真指令并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。虛擬DCS控制站軟件與實(shí)物DCS站間通信，經(jīng)過轉(zhuǎn)接設(shè)備連接盤臺(tái)儀表，同時(shí)與操作員站畫面對(duì)接。實(shí)物DCS控制站與操作員畫面、盤臺(tái)儀表的交互方式與現(xiàn)場實(shí)際相同。轉(zhuǎn)接設(shè)備實(shí)現(xiàn)虛擬DCS控制站軟件至盤臺(tái)儀表、虛擬DCS與實(shí)物DCS站間通信、實(shí)物DCS與過程模型軟件的數(shù)據(jù)交互。

5　結(jié)論

火電廠模擬機(jī)通過Level 0，Level 1和Level 2的分級(jí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝設(shè)備過程模型、控制器、人機(jī)界面的全方位仿真，能夠?qū)崿F(xiàn)控制邏輯、被控對(duì)象數(shù)理特性的虛擬化。通過軟件——軟件或軟件——硬件接口設(shè)計(jì)，將各子模塊組合成完整的火電廠模擬機(jī)，實(shí)現(xiàn)可滿足火電廠人員培訓(xùn)的虛擬機(jī)系統(tǒng)。同時(shí)，各模塊具有相對(duì)獨(dú)立的特點(diǎn)，降低了相互之間的耦合度，便于在后續(xù)項(xiàng)目中根據(jù)不同工程需求方便地替換子模塊。

[1] 張明明.1000 MW超超臨界機(jī)組激勵(lì)式仿真機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].保定:華北電力大學(xué),2016.

[2] 黃旭明.基于虛擬DCS的激勵(lì)式仿真系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[D].保定:華北電力大學(xué),2006.

[3] 張金山.基于OPC與半實(shí)物仿真技術(shù)的DCS測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].天津:天津理工大學(xué),2013.

[4] 高叔開,彭峰,張聰師,等.火電機(jī)組激勵(lì)式仿真系統(tǒng)的構(gòu)建 [J].計(jì)算機(jī)仿真,2005,22(6):253-254,261.

[5] 許強(qiáng),王紅琰,陳妍,等.基于虛擬DCS的激勵(lì)式火電機(jī)組仿真系統(tǒng)[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2007,28(3):43-44.

[6] 徐悅.虛擬DCS中數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)[D].南京:東南大學(xué),2005.

[7] 華偉.600MW超臨界機(jī)組仿真機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].華北電力大學(xué),保定:2007.

Design of Simulator Based on Operation Environment of Thermal Power Plan

Wen Jixia

(Shanxi Lu'an Mining (Group) Co., Ltd. Changzhi 046204, China)

In order to more truly reflect the operation status of thermal power plant, based on the actual structure of distributed control console of field equipment in thermal power plant, the design method of thermal power plant simulator is proposed. The simulator of thermal power plant is divided into three levels: level 0, level 1 and level 2, which can simulate the pictures of process equipment, controller, main control room, panel and operator station respectively; at the same time, the interface relationship between each level is designed. The design method fully reflects the design and correlation relationship of the hardware and software of the field equipment and operation system of the thermal power plant, and correctly reflects the actual operation of the thermal power plant. The independent design of each module improves the flexibility of the virtual machine and can be upgraded adaptively for different units.

virtual DCS; thermal power plant simulator; interface

TP23

A

1674-2605(2020)06-0008-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.06.008

國家重大研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016YFB0600205）

溫濟(jì)霞，女，1986年生，碩士研究生，工程師，主要研究方向：信號(hào)與信號(hào)處理。E-mail: 240466061@qq.com