浅谈电厂仿真系统

胡天濡

[摘要]DCS的应用也越来越广泛,企业对DCS提出许多新的要求,为此世界各国DCS厂商纷纷加强开发研究DCS系统的技术水平。仿真中所谓虚拟DPU,是指将实际DCS的组态数据直接输入至仿真机,使其能直接模拟实际DPU的计算行为,虚拟DPU的实现依赖于3个子系统的实现:即实际DCS的控制算法模块、实际DCS组态数据的识别和编译、实际DCS操作员端软件的通讯和翻译。

[关键词]电厂仿真DCS系统虚拟DUP

中图分类号:TM6文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110053-01

电厂仿真系统提高操作人员的正常操作水平。正常操作包括:冷态、温态、热态到满负荷的启动操作;停机到热备用或冷态的停机操作;其他指定的工况启、停、或升、降负荷的操作;运行人员对设备或系统进行可靠性试验及联锁保护试验;任意工况的稳定运行。对电厂运行人员(新)没有接触过新机组的运行,对新机组的特性、事故处理及如何调整运行参数,使机组处于最佳运行状态,减少由于运行人员人为操作错误引起的事故发生或事故扩大,保证电厂的安全运行,培训高素质的电厂运行人员。提高操作人员的事故处理水平。仿真机能模拟电厂实时运行中各种异常现象和故障情况,并将有正确的反映结果和保护动作。对于各种故障和事故,学员可在操作员站上进行操作处理。

一、电厂仿真中的DCS系统

(一)DCS系统组成

DCS系统包括三站一线:工程师站、操作员站、现场控制站、系统网络。

1.工程师站。对DCS进行进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络接点。主要功能:提供对DCS进行组态,配置工作的工具软件,并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况,使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定,使DCS随时处在最佳的工作状态之下。

2.操作员站。处理一切与运行操作有关的人机界面(OI,Operator Interface或MMI,Man Machine Interface)功能的网络节点。主要功能:为系统的运行操作人员提供人机界面,使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等,并可通过输入设备对工艺过程进行控制和调节,以保证生产过程的安全、可靠、高效、高质。

3.现场控制站。现场控制站是DCS的核心。对现场I/O处理并实现直接数字控制(DDC)功能的网络节点。系统主要的控制功能由它来完成。系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证。其设计、生产及安装都有很高的要求。分散控制系统中的主要任务执行者。

现场控制站组成:

现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统。

主要包括两部分:一部分是运算器(即主CPU)、存储器等组成的计算机单元,称之为逻辑部分或主控制器;另一部分是现场测量单元、执行单元的输入输出设备,即过程量I/O或现场I/O,称为过程通道。

4.系统网络。系统网络是连接系统各个站的桥梁。由于DCS是由各种不同功能的站组成的,这些站之间必须实现有效的数据传输,以实现系统总体的功能。系统网络的实时性、可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能,特别是网络的通信规约,关系到网络通信的效率和系统功能的实现。

(二)DCS得以实现的技术关键

主计算机:用于仿真机网络、数据库管理与模型数据运行,是整个仿真机的核心。

网络系统:使用100M以太网,通讯协议为TCP/IP。

DCS操作员站:用于电厂集控室操作。

就地操作站:用于模拟电厂集控室外炉、机、电的阀门、泵、开关等操作。

工程师站:用于仿真机的维护与开发。

大屏幕:用于投影显示DCS、盘台、就地操作画面或火焰等内容。

教练员站:教练员站的功能包括:

项目控制,可以运行/冻结仿真项目,并能够回退和加速、减速。

工况管理,可以设置、保存、删除、运行/冻结工况。

故障管理,可以打开、保存、设置、清除、删除故障。

任务管理,可以装载任务,并能够启动/暂停/停止任务。

操作一览,可以执行各种查询和命令,能够查看学员的各种操作记录,并能够对指定时间的操作进行重演。

二、DCS的发展

随着信息技术的发展,DCS的应用也越来越广泛,企业对DCS提出了许多新的要求,为此世界各国DCS厂商纷纷加强开发研究DCS系统的技术水平。近期,Foxboro公司的I/A Series系统。ABB公司的Industrial IT系统、Honeywell公司最新推出的Experion PKS(过程知识系统)、Siemens公司的PCS7系统、Emerson公司的PlantWeb(Emerson Process Management)这标志着新一代DCS已经形成,也就是第四代DCS。

三、先进的虚拟DPU技术在电厂仿真中的应用

仿真中所谓虚拟DPU,是指将实际DCS的组态数据直接输入至仿真机,使其能直接模拟实际DPU的计算行为,虚拟DPU的实现依赖于3个子系统的实现:即实际DCS的控制算法模块、实际DCS组态数据的识别和编译、实际DCS操作员端软件的通讯和翻译。

虚拟DPU方式将仿真机的开发与电厂DCS系统真正结合起来,成为仿真机的发展方向。虚拟DPU是与实际DPU完全一样,在完全不需要DCS硬件的基础上,采用与实际DCS相同的逻辑组态和画面组态程序,在PC机环境下就可以仿真运行实际DCS的所有功能。和实际的DPU一样,虚拟DPU可装载和运行控制逻辑。在仿真机中使用虚拟DPU,在完全实现控制系统的仿真的同时,可将DCS操作员站、工程师站与仿真机连接,构成和现场DCS非常相似的仿真系统,大大提高了培训操作人员的效果。热控工程师修改控制策略后,可先装载到虚拟DPU中,在仿真机上试运行验证效果,以避免可能存在的安全问题。基于虚拟DPU的仿真机总体架构基于虚拟DPU的电厂仿真机由热力模型、电气模型、虚拟DPU、操作员站、工程师站、教练员站和图形建模工具组成,所有模块运行在AnySimu仿真支撑平台上,通过API、COM、TCP/IP组播方式进行通信。

四、小结

从传统的工艺设备制造商到过程控制系统的供应商是一个飞跃。从ABB、西屋、三菱重工、西门子、GE、阿尔斯通、日立等跨国企业的成长历程可以看出,它们本身都是集电站设备制造、控制系统制造、集成于一身的大型综合性企业集团。这些集团的电站控制系统都是用于增强其工程实施能力和产品附加值的有力保证,很多企业都将成功控制对手的工艺设备看作企业的一种综合实力的体现。另外很重要的一点,能够独立进行控制系统配套对于这些企业还兼具着保护工艺系统知识产权的重任。

因此,像上海电气这样的国内综合性企业集团应当发展和拥有自己独立的控制系统,不仅使得在承接国际、国内的电站工程总承包方面更具竞争力,综合工程能力得到提升,还可以为用户提供运行品质更优良、系统特点更突出的电站成套设备。