基于联合循环机组的虚拟DCS仿真系统方案介绍

凌海

【摘 要】针对目前电厂的发展趋势，文章明确了建立高逼真度仿真系统的必要性，对实现仿真系统的三种方式进行了说明，并以某电厂新建9F级燃气蒸汽联合循环机组为例，对虚拟DCS仿真系统的软硬件配置方案和功能作了介绍。

【关键词】虚拟DCS；仿真；联合循环机组；方案

中图分类号： TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）23-0088-002

【Abstract】In view of the current development trend of power plants，the necessity of establishing a high-fidelity simulation system is clarified and three ways of realizing the simulation system are described.Taking a new 9F-class gas-steam combined cycle unit of a power plant as an example，The software and hardware configuration scheme and function of virtual DCS simulation system are introduced.

【Key words】Virtual DCS；Simulation；Combined cycle unit；Program

0 前言

目前，高參数，大容量已经成为新建机组的发展趋势，机组运行的安全性，可靠性和经济性主要取决于运行控制水平的高低，以及运行人员操作的熟练程度和事故的处理能力。相比于常规燃煤机组，燃气蒸汽联合循环机组具有设备较少，系统相对简单，启停频繁等特点，多被用于调峰调频；加之，燃机电厂的定员一般都较少，这对机组自动化以及运行人员的操作水平都提出了较高要求。为使运行人员得到有效的运行操作培训，培养出全能值班员，设置全范围，高逼真度仿真系统的必要性显得越来越重要。

本文基于广东某电厂“一拖一”9F级燃气蒸汽联合循环机组，对虚拟DCS仿真系统的实施方案进行探讨。

1 仿真系统的技术路线

目前电厂的仿真系统，主要有以下3种实现方式：激励DCS（Stimulation DCS），虚拟DCS（Virtual DCS），仿真DCS（Simulation DCS）。

激励DCS采用与实际DCS控制系统1：1的软硬件配置和网络系统架构，是软硬件逼真度最高，实现成本也最高的一种仿真方式。

仿真DCS也被称为翻译式仿真，根据DCS组态图等相关资料，采用翻译算法完成控制系统内部的全部运算逻辑和控制功能，达到与仿真对象一致的效果。这种方式实现成本较低，但软件逼真度和可信度相对不高，且很难跟随现场控制系统组态的改动做出及时的修改。

虚拟DCS兼顾了以上二者的优缺点，采用DCS厂家专用的软件仿真系统在计算机上模拟DCS控制器的工作过程，通过直接下载DCS组态文件的方式，实现DCS平台的虚拟化转移和再现。虚拟DCS仿真系统使用与DCS相同的算法、模块、时间片、位号等，开发周期短，逼真度高，既可以实现运行人员的仿真培训，还可满足热工人员进行机组性能实验的需求。

2 虚拟DCS仿真系统方案简介

本工程燃机控制系统随燃机配供，采用三菱DIASYS系统，除燃机以外的其他系统和设备采用ABB Symphony Plus最新的DCS系统进行控制。DCS系统仿真采用ABB公司正版授权的Harmony电站仿真系统（HTS），出于成本的考虑，燃机控制系统采用“翻译”式仿真实现。

2.1 硬件方案

整个仿真系统包括主计算机、教练员站、工程师站、操作员站、就地操作站、网络交换机、UPS不间断电源、投影仪和幕布，以及多媒体音箱等。

2.1.1 服务器主机（HTS MAMAGER）

服务器主机用于仿真模型，仿真接口和通讯网络的运行，以及数据库管理和模型数据的分析计算，协调Harmony培训仿真系统全部的运转。

2.1.2 教练员站

教练员站主要用于教练员完成对仿真系统的各种操作和设置，如启动/停止、运行/冻结、速度选择（正常、快、慢），初始状态选择及开关位置检查、回退、重演、事故插入、外部参数修改、报警等各种功能。教练员可以通过教练员站对受训者的能力进行监视。

2.1.3 工程师站

工程师站用于开发机组模型、系统诊断、仿真系统组态、数据库和画面的编辑及修改。可控制仿真系统操作和监视受训人员在操作员站操作。

2.1.4 操作员站

操作员站主要用于运行人员的培训，培训运行人员对机组的运行工况进行监视和控制。其功能和画面与实际DCS操作员站的功能和画面高度相同。

2.1.5 就地操作站

就地操作站是对锅炉、汽机和电气等机组启、停或事故处理过程中必要的就地操作设备的仿真，是对只能在现场进行，不能在集控室中进行的操作仿真。

2.2 软件方案

2.2.1 虚拟控制器VPCU：

VPCU是仿真系统的核心，负责模拟真实的控制器，执行与控制器完全相同的控制逻辑。将现场控制系统的文件拷贝到指定的仿真子目录下，就可以在仿真系统软件里面监控调整控制逻辑；如在仿真系统软件里修改了逻辑，仅需要编译和下装到VPCU里即可使用。VPCU大幅降低了硬件成本，而且也省去了以往翻译控制逻辑的大量工作。VPCU运行在WINDOWS环境下，最多可以支持40个虚拟控制器同时运行。

2.2.2 虚拟接口VICI：

在实际的控制系统中，操作员站是用标准的接口单元（CIU、ICI或HCC）与控制网络相连。在虚拟的仿真系统中，整个DCS通讯系统也都被仿真出来。VPCU与操作员站之间的通信，同真实的系统通信完全一致。所有的例外报告、操作指令、报警管理和调试功能都被VICI处理。VICI与操作员站之间采用串口通讯或者基于以太网的串口通讯（Serial over Ethernet）来实现。

2.3 系统架构

如图2所示，服务器主机通过监控仿真状态、接收到启动指令请求后对每个单独的VPCU初始化启动指令，自动地管理仿真网络。服务器主机在VPCU、VICI及OPC服务器之间建立通讯。它既管理着在OPC服务和VPCU之间通过DCOM通讯数据交接，也管理着使用标准OPC协议进行的OPC服务器与客户端之间的数据交换。此外，服务器主机处理教练员站的指令，并把它们传递到所有需要的VPCU，协调运行时间速率和数据交接速率，并为特定目录下的存储和恢复来组织数据。

此外，仿真系统与SIS系统设有通讯接口，可记录从机组获取的运行参数，并根据机组的历史运行参数和状态优化仿真系统模型。

3 结语

虚拟DCS技术在仿真系统中的应用，不仅极大地提高了仿真系统的逼真度，增强了电厂运行人员的培训效果，也为热工人员进行机组相关的故障诊断、性能预测、控制策略优化等研究和测试提供了良好的平台，从而为机组日后的安全、可靠、经济运行打下了坚实的基础。

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