激勵(lì)式仿真系統(tǒng)及DCS控制功能仿真測(cè)試

曾雪峰，祝建飛，沈建峰

（1.國(guó)家電投集團(tuán)廣東電力有限公司，廣東廣州 510710；2.上海明華電力科技有限公司，上海 200090）

DCS 控制系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)組的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，其能實(shí)現(xiàn)順序控制、保護(hù)跳閘、自動(dòng)調(diào)節(jié)、參數(shù)監(jiān)控等功能［1］。隨著發(fā)電機(jī)組自動(dòng)化程度的提高，對(duì)DCS 控制系統(tǒng)提出的要求也越來越高，DCS 系統(tǒng)能否正確實(shí)現(xiàn)設(shè)備保護(hù)、自動(dòng)控制等功能也密切關(guān)系到機(jī)組的正常安全運(yùn)行，故在邏輯設(shè)計(jì)和功能組態(tài)時(shí)對(duì)DCS 系統(tǒng)進(jìn)行全方位的控制功能仿真測(cè)試十分必要。通過仿真調(diào)試，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試，將原先可能要在實(shí)際調(diào)試時(shí)才能發(fā)現(xiàn)的問題消除在萌芽狀態(tài)，減少設(shè)備實(shí)動(dòng)帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，確保機(jī)組順利投產(chǎn)。在仿真調(diào)試中通過功能測(cè)試和參數(shù)初設(shè)后，大部分控制回路基本可用，待現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)細(xì)調(diào)，這樣可以縮短實(shí)際調(diào)試時(shí)間，加快調(diào)試進(jìn)程，節(jié)約調(diào)試費(fèi)用。但由于模型搭建困難、測(cè)試方法缺乏等原因，在DCS 系統(tǒng)出廠前進(jìn)行全面功能測(cè)試存在較大難度，往往要等到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試時(shí)，才能對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試，進(jìn)而會(huì)帶來設(shè)備實(shí)動(dòng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)實(shí)際調(diào)試時(shí)間。

針對(duì)這一問題，本文給出一種基于激勵(lì)式仿真系統(tǒng)的火電機(jī)組DCS仿真測(cè)試方法。該方法采用已有的典型1000MW 直流機(jī)組激勵(lì)式仿真系統(tǒng)作為仿真支撐平臺(tái)，通過分析對(duì)比待測(cè)機(jī)組與激勵(lì)式仿真系統(tǒng)提供的機(jī)組特性，包括機(jī)組容量、蒸汽參數(shù)、輔機(jī)布置等，將待測(cè)DCS系統(tǒng)控制參數(shù)與激勵(lì)式仿真系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行合理對(duì)接，快速建立仿真測(cè)試環(huán)境；同時(shí)，進(jìn)行待測(cè)DCS系統(tǒng)與激勵(lì)式仿真系統(tǒng)DCS間數(shù)據(jù)跟蹤及無擾切換功能的設(shè)計(jì)。這一功能的實(shí)現(xiàn)可以應(yīng)用激勵(lì)式仿真系統(tǒng)的裝載工況教練員功能，迅速建立測(cè)試狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)某一工況快速重復(fù)測(cè)試的功能，極大地方便在線測(cè)試的能力。

本文將這一方法應(yīng)用到某新建電廠660MW 火電機(jī)組的DCS 仿真測(cè)試中，對(duì)各主要系統(tǒng)及整個(gè)協(xié)調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了全工況測(cè)試，對(duì)DCS 系統(tǒng)中存在的問題及時(shí)進(jìn)行了修改和完善。仿真測(cè)試結(jié)果表明這一方法的有效性，對(duì)在建機(jī)組降低設(shè)備實(shí)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，提高機(jī)組運(yùn)行安全性，早日投入生產(chǎn)，提供了很大幫助。

1 激勵(lì)式仿真系統(tǒng)

目前，許多科研單位及電廠中均配置有激勵(lì)式仿真系統(tǒng)，基本上主要由模型機(jī)及虛擬DCS 系統(tǒng)構(gòu)成［2-3］。本文給出的火電機(jī)組激勵(lì)式仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 火電機(jī)組激勵(lì)式仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Thermal power simulative simulation systemstructure

圖1 中，激勵(lì)式仿真系統(tǒng)包括仿真模型支撐系統(tǒng)及虛擬DCS 系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用2 層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，且這兩部分相對(duì)獨(dú)立，以網(wǎng)絡(luò)通信的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互操作。

1.1 仿真模型支撐系統(tǒng)

仿真模型支撐系統(tǒng)以通用的1000MW 超超臨界直流機(jī)組為原型，鍋爐為π 型爐，采用一次中間再熱、雙列輔機(jī)布置。模型采用機(jī)理建模的方法搭建了鍋爐、汽機(jī)、電氣等各個(gè)系統(tǒng)過程的動(dòng)態(tài)模型。仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)和極熱態(tài)啟動(dòng)到滿負(fù)荷，從額定負(fù)荷到停機(jī)，以及鍋爐與汽輪發(fā)電機(jī)的各種不同組合工況，最大化地模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的運(yùn)行情況［4］。同時(shí)，該仿真模型支撐系統(tǒng)，可以方便加載實(shí)際運(yùn)行中各種不同工況。在此基礎(chǔ)上實(shí)施火電機(jī)組相關(guān)方面的研究，具有很強(qiáng)的操作性及可信度。仿真模型支撐系統(tǒng)部分模型如圖2所示。

圖2 仿真模型支撐系統(tǒng)Fig. 2 Support system of simulation model

1.2 虛擬DCS系統(tǒng)

虛擬DCS 系統(tǒng)是將真實(shí)DCS 在非DCS 的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中以某種形式再現(xiàn)［5-8］。真實(shí)DCS 主要是由分散處理單元（DPU）和人機(jī)界面（HMI）構(gòu)成的。同樣，虛擬DCS也由虛擬DPU 和HMI構(gòu)成。其中，虛擬DPU 是虛擬DCS 的核心。虛擬DPU 是指將實(shí)際分散控制單元中的DPU 功能移植到虛擬DPU 軟件上，使DPU功能脫離實(shí)際硬件而實(shí)現(xiàn)的，這樣整個(gè)虛擬DCS 系統(tǒng)就可以脫離數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)運(yùn)算硬件設(shè)備而工作，節(jié)省大量硬件投資。本文中虛擬DCS包含1000MW 超超臨界火電機(jī)組全部的控制邏輯，其中，DEH 及MEH 控制系統(tǒng)的控制邏輯也集成在虛擬DCS系統(tǒng)之中。

2 DCS控制系統(tǒng)仿真測(cè)試原理

2.1 通信原理

OPC（OLE for Process Control）通信協(xié)議是工業(yè)中應(yīng)用比較普遍的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)。 OPC 以微軟的OLECOMDCOM 技術(shù)為基礎(chǔ)，采用客戶端/服務(wù)器模式，定義了一套適用于過程控制應(yīng)用，支持過程數(shù)據(jù)訪問、報(bào)警、事件與歷史數(shù)據(jù)訪問等的功能接口［9］。在使用過程中，OPC服務(wù)器是數(shù)據(jù)的供應(yīng)方，負(fù)責(zé)為OPC的客戶提供所需的數(shù)據(jù)；OPC 客戶是數(shù)據(jù)的使用方，可以對(duì)OPC 服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)按需要進(jìn)行處理。目前，國(guó)外DCS 系統(tǒng)諸如Ovation、ABB 及國(guó)內(nèi)DCS 系統(tǒng)諸如國(guó)電智深、和利時(shí)、新華等系統(tǒng)均提供了OPC 的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，以保證這些系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的連接。因此，本文在仿真測(cè)試通信部分采用OPC 的通信方式，具體通信結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 仿真測(cè)試中OPC通信原理Fig. 3 OPC communication theory of simulation testing

由圖3 可以看出，仿真模型系統(tǒng)作為OPC 的客戶端，待測(cè)DCS 系統(tǒng)作為服務(wù)器端，通信過程中，客戶端向服務(wù)器端發(fā)送收發(fā)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，服務(wù)器收到客戶端請(qǐng)求后進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)處理，以此實(shí)現(xiàn)激勵(lì)式仿真系統(tǒng)與待測(cè)DCS系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。

2.2 仿真測(cè)試原理

2.2.1 數(shù)據(jù)連接

采用主干鏈接的方式，在通信數(shù)據(jù)連接中，僅將需要測(cè)試的部分邏輯及所需的點(diǎn)信息進(jìn)行通信，包括鍋爐主控邏輯、燃料主控邏輯、給水主控邏輯、送引風(fēng)控制、一次風(fēng)壓控制等，以及凝結(jié)水水位控制、低加水位控制、高加水位控制、過再熱汽溫控制等。對(duì)于DEH的邏輯也將保持在原有仿真DCS系統(tǒng)中。這樣一方面滿足了對(duì)協(xié)調(diào)控制及各輔機(jī)的主要控制回路進(jìn)行仿真測(cè)試的功能；另一方面減少了過多仿真模型點(diǎn)與DCS點(diǎn)的連接建立，節(jié)省人力成本。

2.2.2 數(shù)據(jù)匹配

由于待測(cè)DCS系統(tǒng)與激勵(lì)式仿真系統(tǒng)中機(jī)組參數(shù)不同，在進(jìn)行模擬量通信時(shí)（諸如機(jī)組負(fù)荷、溫度、壓力、風(fēng)量、流量等），需根據(jù)兩者機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。若待測(cè)DCS為600MW 機(jī)組DCS系統(tǒng)，接收的信號(hào)需根據(jù)激勵(lì)式仿真系統(tǒng)機(jī)組負(fù)荷情況及待測(cè)機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行折算，折算成待測(cè)DCS 的當(dāng)量值后再將其應(yīng)用到DCS 系統(tǒng)的測(cè)試中。同理，待測(cè)DCS 系統(tǒng)依據(jù)各激勵(lì)式仿真系統(tǒng)中設(shè)備的出力設(shè)置，將輸出指令經(jīng)折算后，折算成激勵(lì)式仿真系統(tǒng)的當(dāng)量值輸入到仿真模型中，產(chǎn)生控制作用。

2.2.3 邏輯切換及無擾跟蹤

將實(shí)際DCS中各回路的指令信號(hào)經(jīng)通信傳輸?shù)郊?lì)式仿真系統(tǒng)的仿真模型站中，模型站設(shè)置為切換邏輯，即通過切換指令將待測(cè)DCS 信號(hào)及虛擬DCS 指令信號(hào)作二選一，送入相應(yīng)的設(shè)備模型中，完成兩種DCS控制邏輯的切換。同時(shí)在虛擬DCS及待測(cè)DCS系統(tǒng)中搭建跟蹤邏輯，當(dāng)模型側(cè)切換至原仿真DCS 控制回路時(shí)，待測(cè)DCS 系統(tǒng)信號(hào)跟蹤經(jīng)當(dāng)量折算后的原DCS 指令信號(hào)，待測(cè)系統(tǒng)處于跟蹤狀態(tài)。由于激勵(lì)式仿真系統(tǒng)具有裝載工況的功能，通過邏輯切換及無擾跟蹤的設(shè)計(jì)，在切至原回路并加載工況后可無擾地切至待測(cè)DCS 系統(tǒng)中進(jìn)行該工況下的仿真測(cè)試，縮短了建立仿真測(cè)試工況的時(shí)間，提高測(cè)試效率。

通過通信數(shù)據(jù)點(diǎn)的連接、數(shù)據(jù)變換及邏輯切換與無擾跟蹤這三個(gè)方面的設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)待測(cè)DCS 系統(tǒng)在激勵(lì)式仿真系統(tǒng)中的測(cè)試。整個(gè)仿真測(cè)試設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4 仿真測(cè)試設(shè)計(jì)原理Fig. 4 Design principle of simulation test

圖4 中，F(xiàn)(x) 為仿真模型系統(tǒng)輸出信號(hào)至待測(cè)DCS 系統(tǒng)中折算函數(shù)；G(x) 為待測(cè)DCS 系統(tǒng)輸出信號(hào)至仿真模型系統(tǒng)的折算函數(shù)。

3 仿真測(cè)試實(shí)施

3.1 機(jī)組描述

某電廠新建660MW 燃煤火電的在建機(jī)組為超臨界直流機(jī)組。該機(jī)組DCS 系統(tǒng)為艾默生（Ovation）DCS系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過程中配置了單列輔機(jī)，即給水泵、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)等設(shè)備均為單臺(tái)布置；進(jìn)行了煙塔合一設(shè)計(jì)，將涼水塔與煙囪合為一體。這些設(shè)計(jì)上的變化，必然會(huì)帶來邏輯上較大的改動(dòng)，為了確保所設(shè)計(jì)的組態(tài)邏輯在機(jī)組中可行，滿足機(jī)組對(duì)控制性能的要求，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)避免后期運(yùn)行調(diào)試期間邏輯較大改動(dòng)的隱患，在邏輯設(shè)計(jì)完成后，采用文中所述方法對(duì)所設(shè)計(jì)邏輯的主要回路進(jìn)行仿真測(cè)試，觀察運(yùn)行效果并及時(shí)進(jìn)行邏輯改進(jìn)及參數(shù)調(diào)整。

3.2 控制回路連接

3.2.1 數(shù)字量連接

數(shù)字量連接主要涉及泵、風(fēng)機(jī)、馬達(dá)、閥門等設(shè)備的操作指令與反饋狀態(tài)。連接時(shí)需將Ovation 系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)邏輯的開關(guān)指令通信至仿真模型中，同時(shí)仿真模型中設(shè)備狀態(tài)通信至Ovation 的設(shè)備邏輯反饋點(diǎn)。雖然該在建機(jī)組為單列輔機(jī)，仿真模型為雙列輔機(jī)布置，但仿真測(cè)試的目的在于對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)邏輯正確的仿真驗(yàn)證，因此，將Ovation 系統(tǒng)輔機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯與仿真模型中對(duì)應(yīng)的其中一臺(tái)設(shè)備連接即可實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)邏輯的仿真測(cè)試。

3.2.2 模擬量連接

該廠模擬量系統(tǒng)主要包括送引風(fēng)控制系統(tǒng)、一次風(fēng)機(jī)壓力控制系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、過再熱汽溫系統(tǒng)、協(xié)調(diào)系統(tǒng)、DEH 及MEH 系統(tǒng)等。由于該廠DEH及MEH 系統(tǒng)獨(dú)立于Ovation 系統(tǒng)之外，因此在仿真過程中DEH 及MEH 的控制仍在原有仿真DCS 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，僅將所需的負(fù)荷指令及轉(zhuǎn)速指令經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)通信，送入原有仿真DCS系統(tǒng)中，產(chǎn)生控制作用。

由于Ovation DCS 系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的機(jī)組為660MW 機(jī)組，仿真模型為1000MW 機(jī)組模型。為了保證仿真測(cè)試的正確性，在將模擬量從模型傳遞至Ovation DCS 系統(tǒng)中時(shí)，需將當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)折算成660MW 機(jī)組對(duì)應(yīng)的當(dāng)量值。比如給水流量信號(hào)，為了保證經(jīng)折算后系統(tǒng)的狀態(tài)與模型中運(yùn)行狀態(tài)一致，將其按照公式（1）進(jìn)行折算，即

其中，F(xiàn)100為模型機(jī)給水流量；F66為折算后給水流量；f1(P66)為Ovation DCS 對(duì)應(yīng)機(jī)組在當(dāng)量負(fù)荷下的設(shè)計(jì)給水流量；f2(P100)為模型機(jī)組在當(dāng)前負(fù)荷下的設(shè)計(jì)給水流量。

通過公式（1）的折算，可以將模型機(jī)組“欠負(fù)荷”與“過負(fù)荷”時(shí)的動(dòng)態(tài)過程更真實(shí)地傳輸?shù)絆vation DCS系統(tǒng)中。同理，諸如總風(fēng)量、總煤量等也可按照公式（1）給出的折算形式進(jìn)行折算。

對(duì)于Ovation DCS 系統(tǒng)傳輸至模型機(jī)組中的指令信號(hào)，由于其生成的指令信號(hào)與模型機(jī)組所需的指令信號(hào)均為0～100% 的標(biāo)稱化信號(hào)，因此無需對(duì)指令信號(hào)進(jìn)行折算。另外，Ovation DCS 系統(tǒng)對(duì)應(yīng)機(jī)組為單列輔機(jī)布置，因此在指令傳輸至模型機(jī)過程中需將其單列輔機(jī)指令信號(hào)傳輸至模型機(jī)組的兩臺(tái)輔機(jī)設(shè)備中。

3.2.3 跟蹤設(shè)置

為了保證由原虛擬DCS 控制切換至Ovation DCS控制過程無擾動(dòng)，需將原虛擬DCS 指令送至Ovation DCS 控制邏輯中，在原虛擬DCS 控制時(shí)，Ovation DCS中指令跟蹤原虛擬DCS 控制指令，保證切換至Ovation DCS 時(shí)控制指令不發(fā)生跳變。另外由于其為單列輔機(jī)，模型機(jī)組中相關(guān)雙列輔機(jī)指令需取平均后再送至Ovation DCS 系統(tǒng)。本文以送風(fēng)機(jī)指令為例，其跟蹤邏輯如圖5所示。

圖5 中，切換按鈕置1 時(shí)，送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉調(diào)節(jié)裝置指令為仿真模型輸出的調(diào)節(jié)指令，同時(shí)邏輯中M/A 手操器輸出跟蹤仿真模型輸出指令；切換按鈕置0 時(shí)，送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉調(diào)節(jié)裝置指令切為M/A 手操器輸出，經(jīng)由通信程序傳遞到模型使控制指令作用到送風(fēng)機(jī)模型中，實(shí)現(xiàn)無擾切換。

圖5 送風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及切換邏輯Fig. 5 The forced air fan system and the switching logic

3.3 仿真測(cè)試

經(jīng)各部分與仿真模型通信及邏輯搭建完成后，仿真模型加載CCS協(xié)調(diào)方式工況，待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，將其切換至Ovation DCS 控制邏輯對(duì)仿真模型進(jìn)行控制，以測(cè)試所設(shè)計(jì)邏輯的有效性。通過協(xié)調(diào)方式的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)并修改了原Ovation 控制邏輯中不足的部分，同時(shí)根據(jù)變負(fù)荷情況對(duì)邏輯中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模蛊淠軌虬凑疹A(yù)定的結(jié)果運(yùn)行。圖6 給出了DCS方式下，待測(cè)DCS 系統(tǒng)將負(fù)荷由620MW 升至640MW時(shí)的變負(fù)荷情況。

由圖6 可知，變負(fù)荷指令發(fā)出后，機(jī)組能夠平穩(wěn)升至目標(biāo)負(fù)荷，燃料量及給水流量等控制參數(shù)能夠按照預(yù)期平穩(wěn)變化。通過對(duì)該新建機(jī)組DCS邏輯進(jìn)行仿真測(cè)試，完善了DCS邏輯，同時(shí)也驗(yàn)證了邏輯的正確性及有效性，基本達(dá)到了所設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。將測(cè)試后的邏輯應(yīng)用到實(shí)際中，可以有效縮短調(diào)試時(shí)間，降低由于邏輯不完善而造成設(shè)備誤動(dòng)作的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 新建機(jī)組DCS仿真測(cè)試變負(fù)荷情況Fig. 6 The test of DCS changing load simulation

4 結(jié)論

對(duì)于在建機(jī)組而言，DCS 組態(tài)邏輯的仿真測(cè)試是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，通過仿真測(cè)試來對(duì)控制功能和軟件組態(tài)進(jìn)行全面檢測(cè)，并對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)置，以提高控制系統(tǒng)功能組態(tài)的實(shí)施質(zhì)量，為控制系統(tǒng)的實(shí)際調(diào)試和正常投用創(chuàng)造有利條件。本文在全面了解激勵(lì)式仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，給出了一種基于激勵(lì)式仿真系統(tǒng)的火電機(jī)組仿真測(cè)試方法，并將其應(yīng)用到在建機(jī)組中，仿真測(cè)試結(jié)果表明這一方法的有效性。這一方法的提出，對(duì)在建機(jī)組降低設(shè)備實(shí)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，提高機(jī)組運(yùn)行安全性，早日投入生產(chǎn)，提供了很大幫助。