仿真培训系统在电厂中的应用

赵莉，傅海浩，杨明明，陈燎原

(浙江中控技术股份有限公司，杭州 310053)

1 电厂仿真培训系统技术发展概述

1.1 电厂仿真培训系统简介

仿真培训系统(OTS)通过模拟工厂的生产和各种事故的过程，来对操作人员进行培训。OTS的作用主要有：(1)缩短设备启动时间，提高电厂经济效益；(2)提高操作员运行水平，减少非正常停机次数，降低事故发生概率；(3)提高操作员处理事故能力，减少事故带来的经济损失；(4)降低培训成本，增强培训效果；(5)在不影响正常生产操作的前提下完成操作员的培训工作；(6)可评价操作，优化操作过程；(7)巩固操作技能，进行定期考核及反事故演习；(8)验证运行规程的正确性，优化规程。

1.2 基于虚拟分散控制系统的电厂OTS典型结构

目前电厂OTS中最常用的再现分散控制系统(DCS)的方法有仿真式和全激励式2种，仿真式是根据DCS的组态图屏幕显示画面及操作，在新的软、硬件环境下重新编程，来实现其控制策略和人机接口等功能，使之最后达到与仿真对象一致的效果；全激励式DCS省略了输入、输出等卡件，采用真实DCS的软、硬件和网络系统的适当配置来再现DCS，它具有极高的软、硬件逼真度，可在仿真机上方便地进行控制算法分析、研究及改进工作。

鉴于2种方式都存在缺陷，一种基于虚拟DCS的仿真系统被开发，其典型结构主要由工艺仿真、控制仿真和操作培训3部分组成。工艺仿真是指通过动态过程数学模型来模拟现场的实际装置，由工艺仿真服务器及工艺数学模型实现培训；控制仿真(即虚拟DCS技术)包括组态控制逻辑的仿真和虚拟分散处理单元(DPU)技术，由仿真控制器、主工程师站和DCS-OTS接口机组成；操作培训是指被培训人员在操作站进行实时操作，主要由主工程师站、操作员及操作站实现。

1.3 电厂OTS仿真过程

现场的实际生产过程如图1所示，OTS仿真过程如图2所示。

图1 实际生产过程

图2 OTS仿真过程

比较OTS仿真过程与实际生产过程，不难看出，采用OTS可以在不影响现场生产过程的前提下，实现与现场生产完全一致的操作体验，同时事故干扰采用教练员加载的方式，提高了操作员对突发事故的处理能力。此外，OTS还可以实现对操作培训过程的实时评分。

2 电厂OTS解决方案

2.1 电厂OTS解决方案的结构

电厂OTS解决方案采用虚拟DCS的仿真方式，其组成包括OTS接口软件、VisualField软件(包含控制器仿真软件)以及第三方OTS工艺仿真软件。

电厂OTS仿真培训系统由工艺数学模型、教练员站、工程师站和操作员站组成，操作员站包含DCS操作站和就地操作站，工程师站同时作为虚拟控制器服务器和OTS接口机，教练员站兼工艺模型服务器。

教练员站运行教练员站软件、工艺数学模型软件、评分软件和OPC Server软件；工程师站运行DCS组态及监控软件、虚拟控制器软件和DCS-OTS接口软件。整个解决方案的数据、命令通道由以下方式建立。

(1)DCS组态及监控软件通过内部通信协议与虚拟控制器软件进行通信，从而实现控制逻辑组态的编译、下载，虚拟控制器的逻辑运算及数据传递。

(2)工艺仿真服务器模拟现场的真实设备特性，同时产生各种信号，通过应用程序编程接口(API)上传至用于过程控制的对象连接与嵌入技术(OPC)服务器，VFExtend(OPC客户端)通过OPC接口进行访问。同时VFExtend通过共享内存API接口实现对虚拟控制器的数据读写。

(3)同时教练员站软件分别向模型服务器和虚拟控制器发送操作指令。指令通过OTS API接口传至OTS Link接口软件中，再由OTS Link接口软件通过联动命令的方式将操作指令传递至虚拟控制器中。

2.2 电厂OTS硬件结构

为了提高仿真的逼真度，仿真室硬件结构应尽量和现场一致，如图3所示。

图3 OTS系统的硬件结构

仿真室硬件配置根据用户需求来定，其中操作台可直接采用现场操作台设计图纸，与现场保持一致；硬手操部分采用以太网工厂自动化(EPA)协议与模型接口，一般包括1个工艺模型服务器(兼教练员站)、1个工程师站(兼虚拟控制器服务器、DCS-OTS接口机)、多个DCS操作站(兼就地操作站)、1台网络交换机、1个不间断电源(UPS)、1套硬手操按钮盘、多套操作台、1台投影仪以及1台打印机。

2.3 电厂OTS软件功能介绍

电厂OTS解决方案中使用的VisualField软件与真实现场一致，可将现场真实机组的组态直接导入仿真机进行使用。同时，虚拟控制器软件能够完全模拟真实控制器的算法，从而真正摆脱硬件，实现DCS的激励仿真。电厂OTS软件主要包括虚拟控制器、OTS接口软件、工艺仿真软件(工艺数学模型)、教控台软件及数据通信OPC Server软件等。

虚拟控制器是VisualField软件本身包含的仿真部件，能够完全模拟真实控制器的运行和功能，帮助热控工程师和操作人员熟悉和了解DCS，也是分析和调整控制策略的绝佳分析工具，可提供I/O模块实时输入、输出、诊断数据等访问接口。

OTS接口软件主要用于工艺仿真模拟软件与虚拟控制器软件之间的通信，其中OTS Link负责教练员站与虚拟控制器之间联动命令的通信；VFExtend作为OPC客户端，可从OPC Server中读取数据，并与虚拟控制器进行数据通信。

工艺仿真软件使用的是SimuWorks软件。SimuWorks软件由SimuEngine，SimuBuilder，SimuManager 3部分组成，其结构如图4所示。

图4 SimuWorks结构

SimuEngine软件是主运行平台，它可实现多任务并行运算，同时支持客户机/服务器模式(C/S模式)，可实现多人在线调试与协同开发。其内部有实时网络数据库，在调试时可对各个参数进行实时监控。同时SimuEngine提供列表、趋势画面等数据查看方式，数据可视化程度较高。

SimuBuilder软件实现图形化建模，具有建立模型并调试模型的功能，它具有成熟的工艺模型库，可实现快速建模，同时分别支持动态调试和静态调试模型。

SimuManager软件主要用于模块的管理，包括现有模块的修改、新增模块的添加和模块的删除，支持Fortran，C及C++语言。

教控台主要负责对模型和虚拟控制器发送联动命令，对工况文件进行管理。联动命令包括冻结、解冻、运行、停止及单步运行；工况文件的管理包括保存、删除及重命名；教师站还有周期性点记录、回退重演以及平台加速、减速功能。

3 电厂OTS仿真应用实例

3.1 项目背景

新疆某电厂2×300 MW机组选用OTS作为仿真培训平台，现场位于新疆维吾尔自治区石河子市，项目以该电厂#11机组为仿真对象，DCS采用ECS-700系统，控制仿真以#11机组现场DCS组态为主要控制逻辑，结合虚拟DPU技术来实现仿真培训，工艺模型与虚拟控制器通过OPC通信实现数据传送。

3.2 项目范围及功能介绍

该电厂仿真培训系统包括锅炉、汽轮机、电气设备中的DCS控制部分及就地重要设备，如点火柜、吹灰柜等，控制逻辑主要采用现场DCS#11机组组态，汽轮机数字电液控制系统(DEH)及电力网络计算机监控系统(NCS)等控制逻辑独立于DCS，因此采用VisualField组态工具翻译控制逻辑来实现此部分的控制仿真。整个系统涵盖了运行操作人员启、停机需要操作的主要设备，其功能包括以下几个方面。

(1)操作过程与现场真实操作方式一致，实现了在不影响正常生产运行的前提下，提高运行操作人员的操作水平。仿真系统对机组锅炉、汽轮机、电气设备进行软仿真，热控系统采用真实人机接口(HMI)+虚拟DPU方式，可同时对运行人员、热控人员进行培训。

(2)DCS组态无需任何修改，能被直接用于仿真机，缩短了调试周期。

(3)OTS设有故障点加载功能，培训教师可在正常运行中随时加入故障点，以提高运行操作人员处理事故的能力。

(4)OTS仿真过程具有操作评价系统软件，可以实现对操作培训过程的实时评分。

(5)采用与现场一致的DCS组态逻辑，可以在仿真平台测试、优化改造方案后将其下载到真实的控制系统中，起到了降低风险的作用。

3.3 工艺模型特殊系统建模与测试

工艺模型是根据工艺图建立的，以图形建模的形式在SimuBuilder软件中完成常规建模工作，SimuBuilder软件实现图形化建模，具有建立模型并调试模型的功能。它具有成熟的工艺模型库，可实现快速建模，同时分别支持动态调试和静态调试模型，如图5所示。其中特殊模型需要在SimuManager中完成。如果特殊模型相关联的设备较多，参数较复杂，需要在建模开始前考虑与其他运行参数的关联。例如在该电厂仿真项目中，在锅炉侧有少数特殊模块，如烟温探针、微油点火等，烟温探针主要作用是在点火初期测量炉膛出口烟温，此设备相对独立，可在现场调试中完成；而微油点火则要关联燃烧、风烟等复杂系统，因此需要在前期建模时合理规划，预留各个系统的接口，以实现与其他运行参数的关联。

图5 Simubuilder界面

3.4 控制系统建模与测试

控制系统建模平台采用中控ECS-700系统的VisualField软件，首先根据仿真范围来确定控制仿真的实现方式，该电厂仿真项目的仿真范围包括了DCS，DEH(第三方)及NCS控制部分，其中DCS部分采用现场#11机组组态；DEH部分由于本身的特殊性，程序复杂且专业性强，所以移植了部分常规DEH控制逻辑，并结合《DEH功能说明书》来完成DEH部分的仿真；电气NCS部分根据逻辑说明完成控制逻辑。

3.5 工艺系统集成测试

在服务器端集成汽轮机、锅炉、电气设备3个专业的工艺模型，并进行联合调试。主要工作是将模块合并、变量梳理、数据库合并，并对集成后的模型进行数据预处理整定。根据真实的机组运行情况细化模型参数，最终达到设计精度。动态误差参数为关键参数±0.5％，主要参数±1％，一般参数±2％。

4 结束语

目前，新建火电组正向着大容量、高参数的方向发展，其运行安全性和经济性在一定程度上依赖于运行控制水平的高低，因此对运行人员的熟练操作及处理事故的能力有了更高的要求，而且新机组均采用DCS，机组的监控环境和界面发生了重大变化；同时，随着机组自动化控制水平的提高，运行人员在实际机组上的操作机会将会更少，为了使运行人员得到有效的运行操作培训，也为了培养出全能值班员，全范围仿真培训装置越来越必要。

OTS能使电厂运行人员熟练地掌握机组启、停和正常运行的全程操作，避免误操作情况的发生，帮助运行人员全面掌握机组的运行特性，可有效提高运行人员对机组的调控能力。同时仿真机具有电厂常见事故的模拟功能，事故现象逼真，能满足运行人员对运行培训、热工保护、调节控制、事故分析的学习要求，通过仿真机可以进行机组运行特性的分析研究，验证机组运行操作规程，改善机组的运行操作技术方法，从而有效地提高机组运行的经济性。

伴随着现代企业竞争越来越激烈，企业对安全性、经济性等指标的要求越来越高，OTS仿真培训系统在电厂的安全经济运行方面将发挥越来越大的作用。

参考文献：

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