火電廠仿真機中的DCS仿真方式與關鍵技術

楊尤平++王曉波

摘 要：該文全面地介紹和分析了我國火電廠仿真機中的DCS仿真方式和關鍵技術，并細致、多角度地劃分了虛擬DCS技術和仿真方式，精確地說明了其優缺點所在，對實行虛擬DCS的關鍵技術以及我國火電廠仿真機中不同DCS產品的應用情況進行了分析，闡述了其自身先進功能的可行性，最后合理地規劃了該領域今后的發展方向和學術研究。

關鍵詞：虛擬 電廠 仿真機 DCS

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（c）-0022-01

模擬控制儀表系統在早期火電廠已被采用，控制系統由三部分組成：模擬儀表，操作盤臺和控制對象。當時的仿真機只能對大部分進行相應簡化，顯示儀表、面板、按鈕和開關只能被復制85%左右。早期火電廠仿真機最主要的形式便是這種全仿真機。由于造價高等限制，培訓中心的設立也并不廣泛，仿真機組模型不適合具體培訓電廠的機組，只針對典型機組。運行人員需得了解各類工藝流程及操作，電廠運行人員則成為主要培訓對象。隨著當前科技的飛速發展，大部分火電廠普遍采用了DCS為控制平臺，其范圍也逐漸擴大，對熱控人員的各方面要求也逐步提高。舊的培訓手段及運行方式已不能滿足當前水平要求，且未能充分發揮其優勢所在，因此，DCS的仿真與培訓的實現就變得尤為重要。

1 火電廠仿真機中DCS的仿真方式

DCS由工程師站、現場控制站、操作員站和系統網絡組成，由CRT操作，與以往控制儀表不同，現由現場控制站進行操作，在這些設備改進的同時，仿真機也有了相應變化。

在根據離線組態、系統運行以及DCS的控制設計里，東南大學冷杉獲取了相應資源，火電廠仿真機中DCS的仿真方式與DCS在非DCS系統中的再現形式相對應。按照機組本體模型與控制算法機型的關系劃分，主要分為傳統的全范圍仿真方式與激勵式仿真方式。

1.1 傳統的全范圍仿真方式

硬件仿真原DCS中的操作員站配以相似的計算機、鼠標、專用鍵盤、操作站，是傳承早期的仿真方式，用非原DCS的組態軟件來實現當中的人機界面，仿真實現其操作和顯示功能。與機組本體模型和DCS的邏輯運算功能在同一軟件平臺上相同，一體化仿真模式由機組本體模式與控制算法模型構成。

總而言之，該仿真方式基于設計圖紙實現，稱作傳統的全范圍仿真方式。其控制算法并未從機組模型中分離。根據操作規程和實際DCS的組態邏輯圖，控制算法模型建模并編程，主要存在以下問題。

（1）不便修整控制策略。仿真機的控制算法模型隨著現場邏輯組態的改動，按照編程的方式也進行相應的修整，與調試方式及現場組態不同，跟蹤修改不易。工作量大。其工作量相當于將DCS組態重新進行一次，且還會產生一系列問題，如開發周期長，容易在邏輯編寫中產生錯誤，錯誤不易察覺等，與實際DCS相比，可信度和軟件功能真實度較低，且通常情況下只實現控制系統主要部分。

（2）電廠對熱控人員的培訓無法滿足。基于采用編程語言的方法，所有熱控人員難以進行組態修改實驗，這種控制邏輯的方法不同于現場，對于培育人員以外的一些高級應用功能，幾乎無法完成。

1.2 激勵式仿真方式

激勵式仿真方式就是從機組本體模式中將控制算法模型分離出來，單獨實現DCS里的邏輯運算功能。激勵系統就是仿真機里的DCS系統，這種方式可以分為虛擬DCS激勵方式、全激勵方式和混合激勵方式。

（1）虛擬DCS激勵方式：這種方式之所以稱為部分激勵方式或虛擬DCS激勵方式，是因為其使用了實際DCS系統中的一部分軟硬件。冷杉對“虛擬分散控制系統”進行了完整的定義和細致的分類：虛擬DCS是與真實DCS相對而言的，一般意義上說，它是真實DCS的某種再現，真實地再現固有的分散控制計算機系統。由于操作員站人機界面（HMI）和分散處理單元（DPU）構成了DCS，其再現時就有“虛擬HMI”、“仿真DPU”、“虛擬DPU”和“仿真HMI”的劃分。劃分仿真與虛擬的主要標志是對實際DCS中組態文件的使用。

（2）全激勵方式：全激勵方式的原理與虛擬DCS的激勵方式不同，在使用實際DCS的全部軟硬件的同時，與機組模型計算機相互連接，對實際DCS的所有功能進行保留，與實際DCS并無差別。

（3）混合激勵式：混合激勵仿真方式是實現虛擬DCS和實際控制設備相結合的不同仿真，其原理是將虛擬DCS與實際DCS的部分硬件相連接。混合激勵仿真機可以充分利用諸多設備條件，進行卡件的更換、維修，對各個零件的修改也更加直觀，且造價低、效果明顯。但也有其問題所在，兩套系統與系統程序切換尤為復雜，使得該仿真模式存在明顯的優劣。

2 虛擬DCS的分類

虛擬DCS由HMI、DPU的多種不同組合構成，該分類有利于利用與開發，有利于該領域的研究和實踐。

2.1 對HMI的功能再現方式

對HMI的功能再現主要分為三種方式：真實HMI、虛擬HMI與仿真HMI，這三種方式都是對操作界面的仿真。

2.2 對DPU的功能再現

對DPU的功能再現可分為三種主要方式：（1）最小配置DPU，其去最小激勵配置，相對于全激勵方式，節省了大量投資；（2）虛擬DPU，使用現場控制站實際組態文件，可進一步分為編譯轉換方式和平臺移植方式；（3）仿真DPU。

2.3 虛擬DCS的組合方式

不同形式DPU與HMI結合。形成多種形式虛擬DCS，主要包括：虛擬DPU+仿真HMI，仿真DPU+仿真HMI，虛擬DPU+真實HMI，最小配置DPU+仿真HMI等。

3 虛擬DCS的關鍵技術

3.1 編譯轉換技術

編譯轉換方式中重要程序通常包括虛擬DPU運行平臺和DPU組態文件轉換程序兩部分。DPU組態文件轉換程序主要包括虛擬功能模擬的編制和文件格式的轉換兩大類。

3.2 數據連接與通信

仿真模擬數據庫和DCS數據庫存在于虛擬DCS仿真機中，由于仿真模擬數據庫的各類工藝流程要依照仿真支撐系統完成，這就要求DCS數據點與模擬側數據點進行匹配，最終與應子程序建立關聯。

3.3 平臺移植技術

這種技術使用較廣泛，操作簡易方便，國內很多廠商都采用其建立虛擬DCS平臺。這種方式能夠完整的實現工程站師的仿真，熱控人員的操作也更加多樣。

4 結語

虛擬DCS的激勵式仿真技術是發展到一定階段的產物，是各個發展路線不斷融合的結果，是一種嶄新的仿真模式，它經過科研人員的不斷努力和交流，其逼真度和應用功能都達到很高的標準，表現出其相對的綜合優勢。火電廠中虛擬DCS技術和DCS的廣泛應用大幅度降低了成本，滿足了操作的實際需要。這種產品的實際應用，為實現真正數字化電廠提供了基礎，使仿真技術進入一個全新化時代。

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