仿真培訓系統在電廠中的應用

趙莉，傅海浩，楊明明，陳燎原

(浙江中控技術股份有限公司，杭州 310053)

1 電廠仿真培訓系統技術發展概述

1.1 電廠仿真培訓系統簡介

仿真培訓系統(OTS)通過模擬工廠的生產和各種事故的過程，來對操作人員進行培訓。OTS的作用主要有：(1)縮短設備啟動時間，提高電廠經濟效益；(2)提高操作員運行水平，減少非正常停機次數，降低事故發生概率；(3)提高操作員處理事故能力，減少事故帶來的經濟損失；(4)降低培訓成本，增強培訓效果；(5)在不影響正常生產操作的前提下完成操作員的培訓工作；(6)可評價操作，優化操作過程；(7)鞏固操作技能，進行定期考核及反事故演習；(8)驗證運行規程的正確性，優化規程。

1.2 基于虛擬分散控制系統的電廠OTS典型結構

目前電廠OTS中最常用的再現分散控制系統(DCS)的方法有仿真式和全激勵式2種，仿真式是根據DCS的組態圖屏幕顯示畫面及操作，在新的軟、硬件環境下重新編程，來實現其控制策略和人機接口等功能，使之最后達到與仿真對象一致的效果；全激勵式DCS省略了輸入、輸出等卡件，采用真實DCS的軟、硬件和網絡系統的適當配置來再現DCS，它具有極高的軟、硬件逼真度，可在仿真機上方便地進行控制算法分析、研究及改進工作。

鑒于2種方式都存在缺陷，一種基于虛擬DCS的仿真系統被開發，其典型結構主要由工藝仿真、控制仿真和操作培訓3部分組成。工藝仿真是指通過動態過程數學模型來模擬現場的實際裝置，由工藝仿真服務器及工藝數學模型實現培訓；控制仿真(即虛擬DCS技術)包括組態控制邏輯的仿真和虛擬分散處理單元(DPU)技術，由仿真控制器、主工程師站和DCS-OTS接口機組成；操作培訓是指被培訓人員在操作站進行實時操作，主要由主工程師站、操作員及操作站實現。

1.3 電廠OTS仿真過程

現場的實際生產過程如圖1所示，OTS仿真過程如圖2所示。

圖1 實際生產過程

圖2 OTS仿真過程

比較OTS仿真過程與實際生產過程，不難看出，采用OTS可以在不影響現場生產過程的前提下，實現與現場生產完全一致的操作體驗，同時事故干擾采用教練員加載的方式，提高了操作員對突發事故的處理能力。此外，OTS還可以實現對操作培訓過程的實時評分。

2 電廠OTS解決方案

2.1 電廠OTS解決方案的結構

電廠OTS解決方案采用虛擬DCS的仿真方式，其組成包括OTS接口軟件、VisualField軟件(包含控制器仿真軟件)以及第三方OTS工藝仿真軟件。

電廠OTS仿真培訓系統由工藝數學模型、教練員站、工程師站和操作員站組成，操作員站包含DCS操作站和就地操作站，工程師站同時作為虛擬控制器服務器和OTS接口機，教練員站兼工藝模型服務器。

教練員站運行教練員站軟件、工藝數學模型軟件、評分軟件和OPC Server軟件；工程師站運行DCS組態及監控軟件、虛擬控制器軟件和DCS-OTS接口軟件。整個解決方案的數據、命令通道由以下方式建立。

(1)DCS組態及監控軟件通過內部通信協議與虛擬控制器軟件進行通信，從而實現控制邏輯組態的編譯、下載，虛擬控制器的邏輯運算及數據傳遞。

(2)工藝仿真服務器模擬現場的真實設備特性，同時產生各種信號，通過應用程序編程接口(API)上傳至用于過程控制的對象連接與嵌入技術(OPC)服務器，VFExtend(OPC客戶端)通過OPC接口進行訪問。同時VFExtend通過共享內存API接口實現對虛擬控制器的數據讀寫。

(3)同時教練員站軟件分別向模型服務器和虛擬控制器發送操作指令。指令通過OTS API接口傳至OTS Link接口軟件中，再由OTS Link接口軟件通過聯動命令的方式將操作指令傳遞至虛擬控制器中。

2.2 電廠OTS硬件結構

為了提高仿真的逼真度，仿真室硬件結構應盡量和現場一致，如圖3所示。

圖3 OTS系統的硬件結構

仿真室硬件配置根據用戶需求來定，其中操作臺可直接采用現場操作臺設計圖紙，與現場保持一致；硬手操部分采用以太網工廠自動化(EPA)協議與模型接口，一般包括1個工藝模型服務器(兼教練員站)、1個工程師站(兼虛擬控制器服務器、DCS-OTS接口機)、多個DCS操作站(兼就地操作站)、1臺網絡交換機、1個不間斷電源(UPS)、1套硬手操按鈕盤、多套操作臺、1臺投影儀以及1臺打印機。

2.3 電廠OTS軟件功能介紹

電廠OTS解決方案中使用的VisualField軟件與真實現場一致，可將現場真實機組的組態直接導入仿真機進行使用。同時，虛擬控制器軟件能夠完全模擬真實控制器的算法，從而真正擺脫硬件，實現DCS的激勵仿真。電廠OTS軟件主要包括虛擬控制器、OTS接口軟件、工藝仿真軟件(工藝數學模型)、教控臺軟件及數據通信OPC Server軟件等。

虛擬控制器是VisualField軟件本身包含的仿真部件，能夠完全模擬真實控制器的運行和功能，幫助熱控工程師和操作人員熟悉和了解DCS，也是分析和調整控制策略的絕佳分析工具，可提供I/O模塊實時輸入、輸出、診斷數據等訪問接口。

OTS接口軟件主要用于工藝仿真模擬軟件與虛擬控制器軟件之間的通信，其中OTS Link負責教練員站與虛擬控制器之間聯動命令的通信；VFExtend作為OPC客戶端，可從OPC Server中讀取數據，并與虛擬控制器進行數據通信。

工藝仿真軟件使用的是SimuWorks軟件。SimuWorks軟件由SimuEngine，SimuBuilder，SimuManager 3部分組成，其結構如圖4所示。

圖4 SimuWorks結構

SimuEngine軟件是主運行平臺，它可實現多任務并行運算，同時支持客戶機/服務器模式(C/S模式)，可實現多人在線調試與協同開發。其內部有實時網絡數據庫，在調試時可對各個參數進行實時監控。同時SimuEngine提供列表、趨勢畫面等數據查看方式，數據可視化程度較高。

SimuBuilder軟件實現圖形化建模，具有建立模型并調試模型的功能，它具有成熟的工藝模型庫，可實現快速建模，同時分別支持動態調試和靜態調試模型。

SimuManager軟件主要用于模塊的管理，包括現有模塊的修改、新增模塊的添加和模塊的刪除，支持Fortran，C及C++語言。

教控臺主要負責對模型和虛擬控制器發送聯動命令，對工況文件進行管理。聯動命令包括凍結、解凍、運行、停止及單步運行；工況文件的管理包括保存、刪除及重命名；教師站還有周期性點記錄、回退重演以及平臺加速、減速功能。

3 電廠OTS仿真應用實例

3.1 項目背景

新疆某電廠2×300 MW機組選用OTS作為仿真培訓平臺，現場位于新疆維吾爾自治區石河子市，項目以該電廠#11機組為仿真對象，DCS采用ECS-700系統，控制仿真以#11機組現場DCS組態為主要控制邏輯，結合虛擬DPU技術來實現仿真培訓，工藝模型與虛擬控制器通過OPC通信實現數據傳送。

3.2 項目范圍及功能介紹

該電廠仿真培訓系統包括鍋爐、汽輪機、電氣設備中的DCS控制部分及就地重要設備，如點火柜、吹灰柜等，控制邏輯主要采用現場DCS#11機組組態，汽輪機數字電液控制系統(DEH)及電力網絡計算機監控系統(NCS)等控制邏輯獨立于DCS，因此采用VisualField組態工具翻譯控制邏輯來實現此部分的控制仿真。整個系統涵蓋了運行操作人員啟、停機需要操作的主要設備，其功能包括以下幾個方面。

(1)操作過程與現場真實操作方式一致，實現了在不影響正常生產運行的前提下，提高運行操作人員的操作水平。仿真系統對機組鍋爐、汽輪機、電氣設備進行軟仿真，熱控系統采用真實人機接口(HMI)+虛擬DPU方式，可同時對運行人員、熱控人員進行培訓。

(2)DCS組態無需任何修改，能被直接用于仿真機，縮短了調試周期。

(3)OTS設有故障點加載功能，培訓教師可在正常運行中隨時加入故障點，以提高運行操作人員處理事故的能力。

(4)OTS仿真過程具有操作評價系統軟件，可以實現對操作培訓過程的實時評分。

(5)采用與現場一致的DCS組態邏輯，可以在仿真平臺測試、優化改造方案后將其下載到真實的控制系統中，起到了降低風險的作用。

3.3 工藝模型特殊系統建模與測試

工藝模型是根據工藝圖建立的，以圖形建模的形式在SimuBuilder軟件中完成常規建模工作，SimuBuilder軟件實現圖形化建模，具有建立模型并調試模型的功能。它具有成熟的工藝模型庫，可實現快速建模，同時分別支持動態調試和靜態調試模型，如圖5所示。其中特殊模型需要在SimuManager中完成。如果特殊模型相關聯的設備較多，參數較復雜，需要在建模開始前考慮與其他運行參數的關聯。例如在該電廠仿真項目中，在鍋爐側有少數特殊模塊，如煙溫探針、微油點火等，煙溫探針主要作用是在點火初期測量爐膛出口煙溫，此設備相對獨立，可在現場調試中完成；而微油點火則要關聯燃燒、風煙等復雜系統，因此需要在前期建模時合理規劃，預留各個系統的接口，以實現與其他運行參數的關聯。

圖5 Simubuilder界面

3.4 控制系統建模與測試

控制系統建模平臺采用中控ECS-700系統的VisualField軟件，首先根據仿真范圍來確定控制仿真的實現方式，該電廠仿真項目的仿真范圍包括了DCS，DEH(第三方)及NCS控制部分，其中DCS部分采用現場#11機組組態；DEH部分由于本身的特殊性，程序復雜且專業性強，所以移植了部分常規DEH控制邏輯，并結合《DEH功能說明書》來完成DEH部分的仿真；電氣NCS部分根據邏輯說明完成控制邏輯。

3.5 工藝系統集成測試

在服務器端集成汽輪機、鍋爐、電氣設備3個專業的工藝模型，并進行聯合調試。主要工作是將模塊合并、變量梳理、數據庫合并，并對集成后的模型進行數據預處理整定。根據真實的機組運行情況細化模型參數，最終達到設計精度。動態誤差參數為關鍵參數±0.5％，主要參數±1％，一般參數±2％。

4 結束語

目前，新建火電組正向著大容量、高參數的方向發展，其運行安全性和經濟性在一定程度上依賴于運行控制水平的高低，因此對運行人員的熟練操作及處理事故的能力有了更高的要求，而且新機組均采用DCS，機組的監控環境和界面發生了重大變化；同時，隨著機組自動化控制水平的提高，運行人員在實際機組上的操作機會將會更少，為了使運行人員得到有效的運行操作培訓，也為了培養出全能值班員，全范圍仿真培訓裝置越來越必要。

OTS能使電廠運行人員熟練地掌握機組啟、停和正常運行的全程操作，避免誤操作情況的發生，幫助運行人員全面掌握機組的運行特性，可有效提高運行人員對機組的調控能力。同時仿真機具有電廠常見事故的模擬功能，事故現象逼真，能滿足運行人員對運行培訓、熱工保護、調節控制、事故分析的學習要求，通過仿真機可以進行機組運行特性的分析研究，驗證機組運行操作規程，改善機組的運行操作技術方法，從而有效地提高機組運行的經濟性。

伴隨著現代企業競爭越來越激烈，企業對安全性、經濟性等指標的要求越來越高，OTS仿真培訓系統在電廠的安全經濟運行方面將發揮越來越大的作用。

參考文獻：

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