火电厂仿真机中的DCS仿真方式与关键技术

杨尤平++王晓波

摘 要：该文全面地介绍和分析了我国火电厂仿真机中的DCS仿真方式和关键技术，并细致、多角度地划分了虚拟DCS技术和仿真方式，精确地说明了其优缺点所在，对实行虚拟DCS的关键技术以及我国火电厂仿真机中不同DCS产品的应用情况进行了分析，阐述了其自身先进功能的可行性，最后合理地规划了该领域今后的发展方向和学术研究。

关键词：虚拟 电厂 仿真机 DCS

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（c）-0022-01

模拟控制仪表系统在早期火电厂已被采用，控制系统由三部分组成：模拟仪表，操作盘台和控制对象。当时的仿真机只能对大部分进行相应简化，显示仪表、面板、按钮和开关只能被复制85%左右。早期火电厂仿真机最主要的形式便是这种全仿真机。由于造价高等限制，培训中心的设立也并不广泛，仿真机组模型不适合具体培训电厂的机组，只针对典型机组。运行人员需得了解各类工艺流程及操作，电厂运行人员则成为主要培训对象。随着当前科技的飞速发展，大部分火电厂普遍采用了DCS为控制平台，其范围也逐渐扩大，对热控人员的各方面要求也逐步提高。旧的培训手段及运行方式已不能满足当前水平要求，且未能充分发挥其优势所在，因此，DCS的仿真与培训的实现就变得尤为重要。

1 火电厂仿真机中DCS的仿真方式

DCS由工程师站、现场控制站、操作员站和系统网络组成，由CRT操作，与以往控制仪表不同，现由现场控制站进行操作，在这些设备改进的同时，仿真机也有了相应变化。

在根据离线组态、系统运行以及DCS的控制设计里，东南大学冷杉获取了相应资源，火电厂仿真机中DCS的仿真方式与DCS在非DCS系统中的再现形式相对应。按照机组本体模型与控制算法机型的关系划分，主要分为传统的全范围仿真方式与激励式仿真方式。

1.1 传统的全范围仿真方式

硬件仿真原DCS中的操作员站配以相似的计算机、鼠标、专用键盘、操作站，是传承早期的仿真方式，用非原DCS的组态软件来实现当中的人机界面，仿真实现其操作和显示功能。与机组本体模型和DCS的逻辑运算功能在同一软件平台上相同，一体化仿真模式由机组本体模式与控制算法模型构成。

总而言之，该仿真方式基于设计图纸实现，称作传统的全范围仿真方式。其控制算法并未从机组模型中分离。根据操作规程和实际DCS的组态逻辑图，控制算法模型建模并编程，主要存在以下问题。

（1）不便修整控制策略。仿真机的控制算法模型随着现场逻辑组态的改动，按照编程的方式也进行相应的修整，与调试方式及现场组态不同，跟踪修改不易。工作量大。其工作量相当于将DCS组态重新进行一次，且还会产生一系列问题，如开发周期长，容易在逻辑编写中产生错误，错误不易察觉等，与实际DCS相比，可信度和软件功能真实度较低，且通常情况下只实现控制系统主要部分。

（2）电厂对热控人员的培训无法满足。基于采用编程语言的方法，所有热控人员难以进行组态修改实验，这种控制逻辑的方法不同于现场，对于培育人员以外的一些高级应用功能，几乎无法完成。

1.2 激励式仿真方式

激励式仿真方式就是从机组本体模式中将控制算法模型分离出来，单独实现DCS里的逻辑运算功能。激励系统就是仿真机里的DCS系统，这种方式可以分为虚拟DCS激励方式、全激励方式和混合激励方式。

（1）虚拟DCS激励方式：这种方式之所以称为部分激励方式或虚拟DCS激励方式，是因为其使用了实际DCS系统中的一部分软硬件。冷杉对“虚拟分散控制系统”进行了完整的定义和细致的分类：虚拟DCS是与真实DCS相对而言的，一般意义上说，它是真实DCS的某种再现，真实地再现固有的分散控制计算机系统。由于操作员站人机界面（HMI）和分散处理单元（DPU）构成了DCS，其再现时就有“虚拟HMI”、“仿真DPU”、“虚拟DPU”和“仿真HMI”的划分。划分仿真与虚拟的主要标志是对实际DCS中组态文件的使用。

（2）全激励方式：全激励方式的原理与虚拟DCS的激励方式不同，在使用实际DCS的全部软硬件的同时，与机组模型计算机相互连接，对实际DCS的所有功能进行保留，与实际DCS并无差别。

（3）混合激励式：混合激励仿真方式是实现虚拟DCS和实际控制设备相结合的不同仿真，其原理是将虚拟DCS与实际DCS的部分硬件相连接。混合激励仿真机可以充分利用诸多设备条件，进行卡件的更换、维修，对各个零件的修改也更加直观，且造价低、效果明显。但也有其问题所在，两套系统与系统程序切换尤为复杂，使得该仿真模式存在明显的优劣。

2 虚拟DCS的分类

虚拟DCS由HMI、DPU的多种不同组合构成，该分类有利于利用与开发，有利于该领域的研究和实践。

2.1 对HMI的功能再现方式

对HMI的功能再现主要分为三种方式：真实HMI、虚拟HMI与仿真HMI，这三种方式都是对操作界面的仿真。

2.2 对DPU的功能再现

对DPU的功能再现可分为三种主要方式：（1）最小配置DPU，其去最小激励配置，相对于全激励方式，节省了大量投资；（2）虚拟DPU，使用现场控制站实际组态文件，可进一步分为编译转换方式和平台移植方式；（3）仿真DPU。

2.3 虚拟DCS的组合方式

不同形式DPU与HMI结合。形成多种形式虚拟DCS，主要包括：虚拟DPU+仿真HMI，仿真DPU+仿真HMI，虚拟DPU+真实HMI，最小配置DPU+仿真HMI等。

3 虚拟DCS的关键技术

3.1 编译转换技术

编译转换方式中重要程序通常包括虚拟DPU运行平台和DPU组态文件转换程序两部分。DPU组态文件转换程序主要包括虚拟功能模拟的编制和文件格式的转换两大类。

3.2 数据连接与通信

仿真模拟数据库和DCS数据库存在于虚拟DCS仿真机中，由于仿真模拟数据库的各类工艺流程要依照仿真支撑系统完成，这就要求DCS数据点与模拟侧数据点进行匹配，最终与应子程序建立关联。

3.3 平台移植技术

这种技术使用较广泛，操作简易方便，国内很多厂商都采用其建立虚拟DCS平台。这种方式能够完整的实现工程站师的仿真，热控人员的操作也更加多样。

4 结语

虚拟DCS的激励式仿真技术是发展到一定阶段的产物，是各个发展路线不断融合的结果，是一种崭新的仿真模式，它经过科研人员的不断努力和交流，其逼真度和应用功能都达到很高的标准，表现出其相对的综合优势。火电厂中虚拟DCS技术和DCS的广泛应用大幅度降低了成本，满足了操作的实际需要。这种产品的实际应用，为实现真正数字化电厂提供了基础，使仿真技术进入一个全新化时代。

参考文献

[1] 蒋忠民.WinMOD自动化仿真技术在水泥行业中的应用[D].武汉：武汉理工大学，2013（6）.

[2] 唐玉贺.人工神经网络算法的研究与在DCS控制系统中的应用[D].青岛：青岛科技大学，2013（5）.

[3] 胡波，王喆.集中式仿真系统的数据通信优化设计[J].热力发电，2012（8）.

[4] 杨宏民，孙为民，杨雪萍.仿真机在火电厂集控运行专业教学中的应用分析[J].中国电力教育，2013（36）.