基于火力发电厂运行环境的模拟机设计*

温济霞

技术应用

基于火力发电厂运行环境的模拟机设计*

温济霞

（山西潞安矿业（集团）责任有限公司，山西 长治 046204）

为更真实地反映火电厂运行状态，基于火电厂现场设备集散控制操作台的实际架构，提出火电厂模拟机设计方法。火电厂模拟机分为Level 0，Level 1，Level 2三个层级，可分别实现工艺设备、控制器、主控室、盘台和操作员站画面的模拟；同时，对各层级间接口关系进行设计。该设计方法全面反映火电厂现场设备和运行操作系统软硬件设计与关联关系，正确反映火电厂运行实际，各模块的独立设计提高了虚拟机的灵活性，可针对不同的机组进行适应性升级。

虚拟DCS；火电厂模拟机；接口

0　引言

火电厂模拟机对人员培训、故障模拟、组态验证等具有重要作用，是提升火电厂运行人员能力水平的重要工具。许多专家学者对火电厂模拟机进行研究设计：张明明[1]设计某电厂1000 MW超超临界机组的模拟机系统，重点介绍锅炉系统、汽轮机系统、电气系统的建模方法；黄旭明[2]介绍基于LN2000系统的虚拟DCS开发过程，阐述Level 1各种仿真技术的区别与联系；张金山[3]介绍半实物仿真技术、过程系统建模基本方法以及半实物仿真中分布式控制系统性能测试方法；高叔开[4]等介绍激励式仿真机的设计方法，并以INFI-90 DCS系统为例，介绍激励式DCS与仿真模型实时交换数据的方法。

当前研究多是对单个工艺流程或单个操作回路进行模拟，而从现场设备、控制系统到操作台全工况火电厂仿真模拟的研究较少。本文设计的火电厂模拟机，可达到操作人员在一台虚拟机上全面模拟火电厂实际操作的目的。

1　总体框架

火电厂模拟机可分为Level 0，Level 1，Level 2 3个层级。其中，Level 0是过程模型层，实现火电厂锅炉、汽轮机、管路、发电机及各种辅机等设备虚拟仿真，通过设备物理特性建模，抽象出输入输出关系的数学模型，并以软件形式实现；Level 1是控制器层，实现实物DCS控制逻辑的虚拟化等效；Level 2是人机接口层，实现主控制室、盘台、操作员软件画面的再现，达到身临其境的效果。

Level 1层由多个DCS控制站组成。在火电厂模拟机中，每个控制站可由虚拟DCS软件实现，也可由实物DCS控制站实现。在实物DCS控制站与虚拟DCS控制站软件之间、虚拟DCS控制站软件与盘台设备（仪表、指示灯等）之间、实物DCS控制站与Level 0模型软件之间，存在软件与硬件的转接接口。火电厂模拟机由软件部分（Level 0过程模型、Level 1虚拟DCS控制站软件）和硬件部分（Level 1实物DCS控制站、Level 2盘台等），构成半实物仿真系统。

2　系统设计

2.1　Level 1设计

Level 1控制器层仿真包括模拟、仿真和激励[5]3种常用技术。其中，模拟式DCS是指采用自动化软件翻译或人工绘制的方法，将实物DCS控制站的控制逻辑移植到虚拟DCS控制站软件，实现控制算法的再现及仿真功能。仿真式DCS是将实物DCS主控制器软件的运行环境由DCS主控制器板卡移植到通用计算机上，采用与实物DCS控制站相同的组态文件和工程师站，具有更高的仿真度。激励式DCS采用真实DCS的硬件、软件以及网络系统，简化外设部分，形成最小系统。激励式DCS与模拟或仿真式DCS可结合使用（下文二者分别简称实物DC控制站与虚拟DCS控制站软件），形成如图1所示设计。

图1　Level 1实物DCS与虚拟DCS结合使用设计图

实物DCS控制站与虚拟DCS控制站软件之间的信息交互为站间通信数据，虚拟DCS控制站软件的上位机和实物DCS控制站通过交换机连接；各虚拟DCS控制站或实物DCS控制站之间按照工程师站下装的设备组态信息，根据本端与对端IP，建立TCP连接，实现站间通信。

采用自定义协议的通信架构，通常在虚拟DCS控制站软件中不虚拟自定义通信协议，而采用TCP/IP协议，因而还应在上位机增加协议翻译的组件模块，实现虚拟DCS控制站软件与实物DCS控制站的互通[6]。

2.2　Level 0设计

火电厂模拟机Level 0过程模型包括锅炉模型、汽机模型和电气系统模型。Level 0过程模型包含的子系统如表1所示[7]。

表1　Level 0过程模型子系统

3　接口设计

3.1　Level 1与 Level 0接口设计

Level 1与Level 0的接口分为过程模型软件与虚拟DCS控制站软件接口、过程模型软件与实物DCS控制站接口，接口设计图如图2所示。

图2　Level 1与Level 0接口设计图

过程模型软件与虚拟DCS控制站软件接口是软件之间的接口，可通过共享内存（同一台主机)、TCP通信（同主机或不同主机）等方式实现。通信内容包括I/O数据交互、仿真指令及参数反馈等。

过程模型软件与实物DCS控制站接口通过交换机与转接设备实现。转接设备一端通过网口连接交换机，进而连接过程模型软件，另一端与实物DCS控制站接口。

转接设备与实物DCS通过硬接线连接。转接设备对于实物DCS相当于火电厂实际运行过程中的传感器、泵阀、指示灯等。转接设备与实物DCS控制站I/O反接，即实物DCS的输入卡件（模拟量输入卡AI、数字量输入卡DI）对接转接设备的输出卡件（模拟量输出卡AO、数字量输出卡DO），实物DCS的输出卡件（AO，DO）对接转接设备的输入卡件（AI，DI），接口设计图如图3所示。

图3　转接设备与实物DCS接口设计图

转接设备的信号来自上位机过程模型软件。过程模型软件与转接设备的信号对应关系根据I/O清单确定。转接设备CPU对信号的组态逻辑统一采用透传方式，实现过程模型软件与实物DCS之间的数据交互。

3.2　Level 1与Level 2接口设计

Level 1与Level 2接口包括DCS与工程师站接口、DCS与操作员画面接口、DCS与主控室、盘台接口等。

DCS与工程师站接口形式取决于Level 1仿真形式。仿真式DCS采用与实物系统一致的工程师站；模拟式DCS采用组态翻译的目标平台配套的工程师站。DCS与操作员画面接口、过程模型软件接口类型，本文不再赘述。DCS与主控室、盘台接口包括半实物仿真中的实物DCS控制站与盘台接口、虚拟DCS控制站软件与盘台接口。实物DCS与盘台接口与实际系统相同，虚拟DCS与盘台接口通过转接设备实现。按钮、旋钮等信号输入元件线路接至转接设备的输入模块，通过接口设备经过网络通信传至虚拟DCS上位机。虚拟DCS对指示灯等信号经过转接设备转换为硬接线的高低电平信号，进而驱动指示灯亮灭或类似的设备动作。

Level 1实物DCS或虚拟DCS与Level 2盘台接口关系由接线表体现。其中，虚拟DCS与盘台接线表实际是盘台与转接设备的接线表。接线表作为2个系统的交汇点，降低了2个系统的耦合度。

4　实例分析

以某火电厂模拟机为例，系统配置包括：

Level 2，与实际电厂1:1的主控制室，提供与实际电厂完全一致的操作员工作环境；

Level 1，既包括部分实物DCS控制站，也包括部分虚拟DCS控制站软件，同时体现模拟和激励2种仿真方式；

Level 0，电厂工艺系统模型，包括锅炉，汽轮机、电气系统3部分，还包括主要的辅机、控制回路，对电厂热工水力模型、电气回路模型等部分完整的仿真。

火电厂模拟机设计图如图4所示。

图4　火电厂模拟机设计图

在火电厂模拟机设计实例中，过程模型软件与虚拟DCS及转接设备对接，发送仿真指令并进行数据交互。虚拟DCS控制站软件与实物DCS站间通信，经过转接设备连接盘台仪表，同时与操作员站画面对接。实物DCS控制站与操作员画面、盘台仪表的交互方式与现场实际相同。转接设备实现虚拟DCS控制站软件至盘台仪表、虚拟DCS与实物DCS站间通信、实物DCS与过程模型软件的数据交互。

5　结论

火电厂模拟机通过Level 0，Level 1和Level 2的分级设计实现对工艺设备过程模型、控制器、人机界面的全方位仿真，能够实现控制逻辑、被控对象数理特性的虚拟化。通过软件——软件或软件——硬件接口设计，将各子模块组合成完整的火电厂模拟机，实现可满足火电厂人员培训的虚拟机系统。同时，各模块具有相对独立的特点，降低了相互之间的耦合度，便于在后续项目中根据不同工程需求方便地替换子模块。

[1] 张明明.1000 MW超超临界机组激励式仿真机的设计与应用[D].保定:华北电力大学,2016.

[2] 黄旭明.基于虚拟DCS的激励式仿真系统分析与设计[D].保定:华北电力大学,2006.

[3] 张金山.基于OPC与半实物仿真技术的DCS测试系统的设计与应用[D].天津:天津理工大学,2013.

[4] 高叔开,彭峰,张聪师,等.火电机组激励式仿真系统的构建 [J].计算机仿真,2005,22(6):253-254,261.

[5] 许强,王红琰,陈妍,等.基于虚拟DCS的激励式火电机组仿真系统[J].华北水利水电学院学报,2007,28(3):43-44.

[6] 徐悦.虚拟DCS中数据通信和数据库应用技术的开发[D].南京:东南大学,2005.

[7] 华伟.600MW超临界机组仿真机设计与开发[D].华北电力大学,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

国家重大研发计划资助项目（2016YFB0600205）

温济霞，女，1986年生，硕士研究生，工程师，主要研究方向：信号与信号处理。E-mail: 240466061@qq.com