虚拟DCS在电厂仿真系统中的应用

葛怡苏

摘 要：文章介绍了虚拟DCS的概念以及OVATION的虚拟DCS在电厂仿真系统中的应用过程。最后分析指出虚拟DCS式的电厂仿真系统是一种理想的和多应用功能的电厂仿真系统建设方式。

关键词：虚拟DCS；电厂仿真系统

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）14-0038-02

1 DCS系统概述

大型集散控制系统（DCS）在现代电厂控制技术中占有重要的地位，它集计算机技术、网络通讯技术、数据采集、过程控制技术于一体，把整个电厂的控制过程、操作报警及数据显示等通过计算机或盘台集中表现出来，犹如人的大脑，控制着整个电厂生产流程。

1.1 DCS系统的仿真方式

因此，控制系统的仿真是电厂仿真系统中一个非常重要的部分，其仿真方法和仿真精度直接影响整个电厂仿真系统的质量、成本和实施效果。在常规的电厂仿真系统中，DCS的仿真主要内容有数据采集和发送、操作员人机界面、逻辑与控制过程、数据记录与输出等。主要有三种仿真方式：

①Simulation方式：用软件模拟DCS功能的实现方式。

②Stimulation方式：用原厂DCS硬件激励式模拟的实现方式。

③Emulation方式：用原厂DCS软件结合仿真其硬件环境的实现方式。

1.2 虚拟DCS系统的主要功能

虚拟DCS由原电厂控制系统厂商提供，是一种Emulation方式的仿真控制系统，它构建于虚拟控制器技术之上，采用原有控制硬件中的软件及其环境实现仿真，可以与原DCS逻辑组态保持高度一致，虽然价格仍然较高，但是远低于传统Stimulation方法，对于电厂控制算法研究分析和改进能起到相同作用。

虚拟DCS式电厂仿真系统就是采用虚拟DCS方法开发的，它为电厂仿真系统的发展开拓了一个全新的领域，它的主要功能有：

①具备完善的与仿真机的接口，能够模拟机组控制系统的运行状态和功能。

②具备良好的控制系统虚拟组态、运行、修改等功能，采用图形化、模块化、交互方式的组态环境，可进行运行培训、热工培训、DCS逻辑和运行规程检测、优化运行分析等。

③虚拟DCS具有开放式的通讯接口，能时刻跟上电厂DCS的变化，可以直接利用真实DCS工程师站的控制逻辑组态文件以及相关数据库技术实现仿真控制系统逻辑和画面升级。

以下就是OVATION控制系统虚拟DCS在电厂仿真系统中的应用。

2 虚拟DCS仿真系统组成

2.1 仿真系统的软件组成

系统软件由虚拟DCS软件和仿真服务软件构成。虚拟DCS软件由OVATION虚拟控制器软件、OVATION Database Server、OVATION 工程师站软件、操作员人机界面软件和接口通讯程序组成，仿真服务软件由仿真支撑平台软件和电厂过程（炉、机、电等）仿真模型组成。

系统软件结构如图1所示。

各个操作员人机界面接受操作员操作指令，发送到OVA-

TION Database Server，OVATION虚拟控制器软件从OVATION Database Server中取出数据，模拟真实DPU的算法策略经行运算，运算完成后再将结果送回到OVATION Database Server中，再经接口通讯程序发送到仿真服务软件，由仿真服务软件进行运算，运算出的数据再通过相同路径，反向传输到OVATION D-

atabase Server上，最后再将结果反馈到操作员人机界面上。

通过工程师站软件可以访问OVATION Database Server，修改其中的数据库点名和配置信息。

由于虚拟DCS系统与仿真服务软件分别处于两个不同的运行环境，需要解决两个系统之间的同步问题，如时间控制、复位、保存等，这里采用由仿真服务软件控制虚拟DCS系统的方式实现。

2.2 仿真系统的硬件组成

系统硬件由虚拟DCS硬件和仿真服务器构成。虚拟DCS硬件主要包括虚拟控制器服务器、虚拟DCS的工程师站、操作员站和网络交换机。系统硬件结构如图2所示。

OVATION虚拟控制器服务器主要用来为虚拟控制器软件提供运行环境，协调内部各个虚拟控制器软件的运算。

如果系统中有多个虚拟控制器服务器，其中一个须配置Master Host软件，它负责监视系统内所有控制器服务器的运行，并发送指令控制各个服务器状态。

仿真服务器用于运行仿真服务软件，包括支撑平台和仿真模型，并通过通讯程序，调用SimAPI函数发送仿真系统指令到Master Host，实现对虚拟DCS的控制。

虚拟DCS的工程师站主要运行OVATION Database Server和工程师站软件，实现数据库的存储和管理、SAMA图的组态、操作员界面的组态等功能。

操作员站主要模拟人机交互界面。

网络设备主要用来进行数据的传输与交换。

3 虚拟DCS应用于仿真系统的实现

3.1 仿真模型的开发

在仿真支撑软件支持下，程序设计采取”自顶向下”的结构化程序设计，建立全物理过程数学模型，机组启停、正常运行以及故障等全部直接包括在该模型中。

根据仿真范围，火电机组的仿真模型包括锅炉模型、汽机模型、电气模型，仿真方法与传统的Simulation方法一致，而控制模型的功能由虚拟DCS支撑平台实现。

3.2 虚拟DCS的开发

虚拟DCS开发是整个项目的关键，整套虚拟DCS由OVATION控制系统改造而成。根据电厂仿真机的标准和培训需求，虚拟DCS实现了与仿真模型同步的培训功能，如初始条件的加载、模型运算的冻结与解冻、临时工况的快存、回退和重演等功能，而这些是真实的DCS系统所不具备的。

整个虚拟DCS包括多个虚拟控制器，涵盖输入输出、数值运算等常见类型，能够完成整个DCS系统SAMA图的组态仿真。另外，还提供DCS系统的人机界面绘制修改工具，可对虚拟DCS的人机界面进行重新组态，扩充图形控件。

项目执行期间，先收集项目电厂的控制逻辑和画面源文件，再导入虚拟控制器服务器，操作站从服务器下载匹配的控制器和画面源文件，这样就得到与项目电厂一样的逻辑和画面了。

3.3 虚拟DCS与仿真模型的联调

虚拟DCS数据库为实际控制系统的组态数据库，与实际DCS点对应，其构成、组态由控制公司的设计人员完成。仿真模型数据库按照收集现场的实际设备及工艺流程资料，由仿真机建模人员使用仿真支撑系统设计开发完成。

在虚拟DCS和仿真模型都开发完成后，就可以将两者连接起来进行联调。根据模型工程师和虚拟DCS工程师分别提供输入输出接口清单，把模型侧数据点和DCS侧数据点一一匹配起来。另外，编写接口通讯程序，调试运行使两者的数据库能够进行实时数据通讯交换。

3.4 虚拟DCS与仿真结合的难点问题及解决方法

在虚拟DCS与仿真结合过程中接口通讯程序的编写是整个项目的难点问题，因为虚拟DCS数据库平台与仿真支撑平台分属两个公司，数据库结构、通讯模式都有很大差别。本项目中两个平台的通讯采用OPC通讯方式解决。

控制公司提供了OPC Server接口，仿真工程师开发一个O-

PC Client，通过这种OPC Server/OPC Client结构实现虚拟DCS系统与仿真平台之间的数据交换。

OPC规范中提供了两套接口方案，即定制接口方案和自动化接口方案。其中定制接口效率高，通过该接口能够发挥OPC服务器的最佳性能，一般采用定制接口方案。

在VC环境下，使用定制接口方案开发OPC客户应用程序实现的步骤如下：

①编写OPC头文件→②初始化COM支持库→③连接OPC服务器→④创建OPC组→⑤添加数据项→⑥数据交换→⑦释放接口指针。

4 结 语

仿真系统的设备模型的开发方式与常规Simulation方法仿真机相同，因此仿真范围和精度没有改变，培训效果没有削弱。热控人员还可以利用虚拟DCS工程师站进行数据库组态、逻辑组态调整、画面修改等培训，大大增强了培训效果。同时，虚拟DCS式的电厂仿真系统保留了Simulation方法对于设备模型仿真的范围和精度，兼顾了Stimulation方法对于控制系统高精度仿真的效果，又相对节省了硬件投资，缩短了开发周期，是一种理想和多应用功能的电厂仿真系统建设方式。

参考文献：

[1] 游景玉.仿真控制论文集[M].珠海：珠海出版社，1999.

[2] 游景玉.亚仿技术开发及应用[M].珠海：珠海出版社，2000.

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