虛擬DCS在電廠仿真系統中的應用

葛怡蘇

摘 要：文章介紹了虛擬DCS的概念以及OVATION的虛擬DCS在電廠仿真系統中的應用過程。最后分析指出虛擬DCS式的電廠仿真系統是一種理想的和多應用功能的電廠仿真系統建設方式。

關鍵詞：虛擬DCS；電廠仿真系統

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）14-0038-02

1 DCS系統概述

大型集散控制系統（DCS）在現代電廠控制技術中占有重要的地位，它集計算機技術、網絡通訊技術、數據采集、過程控制技術于一體，把整個電廠的控制過程、操作報警及數據顯示等通過計算機或盤臺集中表現出來，猶如人的大腦，控制著整個電廠生產流程。

1.1 DCS系統的仿真方式

因此，控制系統的仿真是電廠仿真系統中一個非常重要的部分，其仿真方法和仿真精度直接影響整個電廠仿真系統的質量、成本和實施效果。在常規的電廠仿真系統中，DCS的仿真主要內容有數據采集和發送、操作員人機界面、邏輯與控制過程、數據記錄與輸出等。主要有三種仿真方式：

①Simulation方式：用軟件模擬DCS功能的實現方式。

②Stimulation方式：用原廠DCS硬件激勵式模擬的實現方式。

③Emulation方式：用原廠DCS軟件結合仿真其硬件環境的實現方式。

1.2 虛擬DCS系統的主要功能

虛擬DCS由原電廠控制系統廠商提供，是一種Emulation方式的仿真控制系統，它構建于虛擬控制器技術之上，采用原有控制硬件中的軟件及其環境實現仿真，可以與原DCS邏輯組態保持高度一致，雖然價格仍然較高，但是遠低于傳統Stimulation方法，對于電廠控制算法研究分析和改進能起到相同作用。

虛擬DCS式電廠仿真系統就是采用虛擬DCS方法開發的，它為電廠仿真系統的發展開拓了一個全新的領域，它的主要功能有：

①具備完善的與仿真機的接口，能夠模擬機組控制系統的運行狀態和功能。

②具備良好的控制系統虛擬組態、運行、修改等功能，采用圖形化、模塊化、交互方式的組態環境，可進行運行培訓、熱工培訓、DCS邏輯和運行規程檢測、優化運行分析等。

③虛擬DCS具有開放式的通訊接口，能時刻跟上電廠DCS的變化，可以直接利用真實DCS工程師站的控制邏輯組態文件以及相關數據庫技術實現仿真控制系統邏輯和畫面升級。

以下就是OVATION控制系統虛擬DCS在電廠仿真系統中的應用。

2 虛擬DCS仿真系統組成

2.1 仿真系統的軟件組成

系統軟件由虛擬DCS軟件和仿真服務軟件構成。虛擬DCS軟件由OVATION虛擬控制器軟件、OVATION Database Server、OVATION 工程師站軟件、操作員人機界面軟件和接口通訊程序組成，仿真服務軟件由仿真支撐平臺軟件和電廠過程（爐、機、電等）仿真模型組成。

系統軟件結構如圖1所示。

各個操作員人機界面接受操作員操作指令，發送到OVA-

TION Database Server，OVATION虛擬控制器軟件從OVATION Database Server中取出數據，模擬真實DPU的算法策略經行運算，運算完成后再將結果送回到OVATION Database Server中，再經接口通訊程序發送到仿真服務軟件，由仿真服務軟件進行運算，運算出的數據再通過相同路徑，反向傳輸到OVATION D-

atabase Server上，最后再將結果反饋到操作員人機界面上。

通過工程師站軟件可以訪問OVATION Database Server，修改其中的數據庫點名和配置信息。

由于虛擬DCS系統與仿真服務軟件分別處于兩個不同的運行環境，需要解決兩個系統之間的同步問題，如時間控制、復位、保存等，這里采用由仿真服務軟件控制虛擬DCS系統的方式實現。

2.2 仿真系統的硬件組成

系統硬件由虛擬DCS硬件和仿真服務器構成。虛擬DCS硬件主要包括虛擬控制器服務器、虛擬DCS的工程師站、操作員站和網絡交換機。系統硬件結構如圖2所示。

OVATION虛擬控制器服務器主要用來為虛擬控制器軟件提供運行環境，協調內部各個虛擬控制器軟件的運算。

如果系統中有多個虛擬控制器服務器，其中一個須配置Master Host軟件，它負責監視系統內所有控制器服務器的運行，并發送指令控制各個服務器狀態。

仿真服務器用于運行仿真服務軟件，包括支撐平臺和仿真模型，并通過通訊程序，調用SimAPI函數發送仿真系統指令到Master Host，實現對虛擬DCS的控制。

虛擬DCS的工程師站主要運行OVATION Database Server和工程師站軟件，實現數據庫的存儲和管理、SAMA圖的組態、操作員界面的組態等功能。

操作員站主要模擬人機交互界面。

網絡設備主要用來進行數據的傳輸與交換。

3 虛擬DCS應用于仿真系統的實現

3.1 仿真模型的開發

在仿真支撐軟件支持下，程序設計采取”自頂向下”的結構化程序設計，建立全物理過程數學模型，機組啟停、正常運行以及故障等全部直接包括在該模型中。

根據仿真范圍，火電機組的仿真模型包括鍋爐模型、汽機模型、電氣模型，仿真方法與傳統的Simulation方法一致，而控制模型的功能由虛擬DCS支撐平臺實現。

3.2 虛擬DCS的開發

虛擬DCS開發是整個項目的關鍵，整套虛擬DCS由OVATION控制系統改造而成。根據電廠仿真機的標準和培訓需求，虛擬DCS實現了與仿真模型同步的培訓功能，如初始條件的加載、模型運算的凍結與解凍、臨時工況的快存、回退和重演等功能，而這些是真實的DCS系統所不具備的。

整個虛擬DCS包括多個虛擬控制器，涵蓋輸入輸出、數值運算等常見類型，能夠完成整個DCS系統SAMA圖的組態仿真。另外，還提供DCS系統的人機界面繪制修改工具，可對虛擬DCS的人機界面進行重新組態，擴充圖形控件。

項目執行期間，先收集項目電廠的控制邏輯和畫面源文件，再導入虛擬控制器服務器，操作站從服務器下載匹配的控制器和畫面源文件，這樣就得到與項目電廠一樣的邏輯和畫面了。

3.3 虛擬DCS與仿真模型的聯調

虛擬DCS數據庫為實際控制系統的組態數據庫，與實際DCS點對應，其構成、組態由控制公司的設計人員完成。仿真模型數據庫按照收集現場的實際設備及工藝流程資料，由仿真機建模人員使用仿真支撐系統設計開發完成。

在虛擬DCS和仿真模型都開發完成后，就可以將兩者連接起來進行聯調。根據模型工程師和虛擬DCS工程師分別提供輸入輸出接口清單，把模型側數據點和DCS側數據點一一匹配起來。另外，編寫接口通訊程序，調試運行使兩者的數據庫能夠進行實時數據通訊交換。

3.4 虛擬DCS與仿真結合的難點問題及解決方法

在虛擬DCS與仿真結合過程中接口通訊程序的編寫是整個項目的難點問題，因為虛擬DCS數據庫平臺與仿真支撐平臺分屬兩個公司，數據庫結構、通訊模式都有很大差別。本項目中兩個平臺的通訊采用OPC通訊方式解決。

控制公司提供了OPC Server接口，仿真工程師開發一個O-

PC Client，通過這種OPC Server/OPC Client結構實現虛擬DCS系統與仿真平臺之間的數據交換。

OPC規范中提供了兩套接口方案，即定制接口方案和自動化接口方案。其中定制接口效率高，通過該接口能夠發揮OPC服務器的最佳性能，一般采用定制接口方案。

在VC環境下，使用定制接口方案開發OPC客戶應用程序實現的步驟如下：

①編寫OPC頭文件→②初始化COM支持庫→③連接OPC服務器→④創建OPC組→⑤添加數據項→⑥數據交換→⑦釋放接口指針。

4 結 語

仿真系統的設備模型的開發方式與常規Simulation方法仿真機相同，因此仿真范圍和精度沒有改變，培訓效果沒有削弱。熱控人員還可以利用虛擬DCS工程師站進行數據庫組態、邏輯組態調整、畫面修改等培訓，大大增強了培訓效果。同時，虛擬DCS式的電廠仿真系統保留了Simulation方法對于設備模型仿真的范圍和精度，兼顧了Stimulation方法對于控制系統高精度仿真的效果，又相對節省了硬件投資，縮短了開發周期，是一種理想和多應用功能的電廠仿真系統建設方式。

參考文獻：

[1] 游景玉.仿真控制論文集[M].珠海：珠海出版社，1999.

[2] 游景玉.亞仿技術開發及應用[M].珠海：珠海出版社，2000.

[3] 潘愛民.COM原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2002.

[4] 潘愛民.VC++技術內幕（第4版）[M].北京：清華大學出版社，2001.