電站DCS嵌入式仿真技術及應用

梁東義，呂曉娟，李獻忠

電站DCS嵌入式仿真技術及應用

梁東義，呂曉娟，李獻忠

（鄭州電力高等專科學校 能源學院，河南 鄭州 450000）

電站DCS仿真技術隨著計算機技術及控制技術的發展也得到了快速發展。虛擬仿真技術因其具有較高的仿真精度而被廣泛應用，但傳統虛擬仿真技術仿真模型與虛擬控制器使用兩個平臺，存在仿真硬件兼容及通信故障等問題，而且仿真模型的搭建需要技術人員具有豐富的建模背景知識和編程能力，因此使用起來有一定的局限性，嵌入式仿真技術則是利用仿真平臺搭建模型，并將仿真模型直接載入虛擬控制器運行，嵌入式仿真機在項目改造、技術人員培訓及事故預測等方面都有較大的優勢。

電站仿真；虛擬控制器；嵌入式；仿真應用

電站仿真機經歷了半實物仿真、模擬式仿真、數字型激勵式仿真等發展過程，模擬仿真技術是在模擬式儀表的基礎上，對儀表和操作盤臺的一部分功能進行模擬而達到仿真的效果，隨著計算機技術和控制技術的發展，數字型電站仿真系統逐漸取代模擬式仿真系統。而數字式仿真也被更高效的虛擬嵌入式仿真機取代。

1 基于虛擬控制器的傳統仿真技術

基于虛擬控制器（VDPU）的仿真系統稱為虛擬DCS仿真系統。該仿真系統包括虛擬人機界面HMI、VDPU、仿真模型及虛擬通訊四部分，它們分別完成操作員監控、控制邏輯運算、建模及運算和現場通信四部分的功能。虛擬人機界面具有與真實DCS系統的人機界面相同的外觀與功能。VDPU主要實現真實DCS的過程控制站的功能，且過程控制站的軟、硬件在VDPU中都以軟件形式出現。而模型數據的采集、處理和傳遞等工作均由模型服務器完成。VDPU與仿真模型的數據交換模擬真實DCS的網絡及工業以太網等通信，電站真實控制系統與虛擬仿真機對比如圖1所示。

圖1 電站真實控制系統與虛擬仿真機

基于虛擬控制器的仿真機在運行時，是以虛擬DPU為核心，從真實的DCS獲取控制策略和組態畫面設計文件，從模型服務器上獲取控制對象的動態信息及控制結果的反饋信息，完成整個過程的仿真功能[1]。該仿真系統具有與真實DCS相同的組態開發環境，并可與實際DCS保持同步更新。控制對象模型由仿真支撐平臺開發，該平臺集成了高精度的模型算法。這種集合了虛擬DCS仿真和激勵DCS仿真兩者優點的方案，使得該仿真系統能夠為用戶提供更高效的運行和維護人員培訓[2]。但其也存在一些問題，該類型的仿真機是基于兩個平臺開發的，即仿真控制系統平臺和仿真模型支撐平臺[3]，這兩者之間存在大量的數據通訊，而大量的數據交換難免會出現實時性差和數據堵塞等問題，以及兩平臺間的兼容性問題，給系統的運行埋下安全隱患。隨著仿真對象的日益復雜及用戶對仿真精度和實時性方面的要求的提高，傳統的虛擬DCS仿真機已不能完全滿足要求。

針對傳統虛擬仿真機的不足，可以采用一種更為靈活方便的嵌入式仿真機，該仿真機具有一體化的軟硬件基礎，虛擬DCS與控制模型運行于同一平臺之上，使控制與仿真真正融為一體，不僅繼承了傳統仿真機的優點，而且能夠消除平臺間的不兼容帶來的各種問題。

2 基于虛擬DPU的嵌入式仿真技術

在電站仿真中模型的精度決定了仿真的精度，因此仿真系統的關鍵是其工藝仿真數學模型，模型的參數越接近真實的系統，仿真效果就越好。但模型太復雜會帶來幾個方面的問題，一是專業的建模軟件要求技術人員具有豐富的建模知識和專業的編程能力，才能進行支持和維護，對模型的更新也會帶來一定的困難。其次，復雜的模型可能會產生與仿真硬件的兼容性問題。另外，虛擬控制器與仿真模型結合是通過通信軟件實現的，如果模型太復雜，通信數據過多，就會出現通信故障的問題，而且每次啟動仿真系統都要先啟動模型服務器，再建立與虛擬控制器的通信連接，不但占用硬件資源，也不夠方便靈活。如何在既保證模型精度的同時又具有建模的便捷性和模型修改的靈活性，一種方法是可以連接第三方簡易模型，如EXCL或其他簡化模型，快速搭建一個具有簡單或者專項模型的仿真平臺[4]，這種方法雖然簡單快捷，能實現對控制系統的畫面、功能和邏輯進行檢查。但模型精度就沒法保證；另一種方法是通過建模工具建立模型，然后將模型載入虛擬控制器中運行，而不用在模型服務器上運行，這樣在啟動仿真時就不需要再運行模型服務器，也不需要通信軟件實時進行通信，避免了通信障礙等問題。這種將搭建好模型嵌入虛擬控制器進行仿真的方法就稱為嵌入式仿真，如圖2所示。

圖2 電站嵌入式仿真機結構圖

嵌入式仿真技術為電站事故及異常狀況在線預測提供了基礎，如果將仿真系統與現場控制數據同步，使用來自DCS的實時數據修正仿真模型并實時跟蹤現場工況，則值班員就可以通過操作仿真系統上的實時數據，并根據當前條件預測未來趨勢。值班員可以提前響應不斷變化的工況，并在事故出現前調整運行操作。這將為電站的安全穩定經濟運行提供極大的幫助。除此以外，還可以根據仿真需要調整模型精度，方便靈活。控制與仿真在同一平臺使仿真運行更加流暢，既節省了硬件成本，又能減少仿真運行時的通信錯誤。

在嵌入式仿真技術的開發上一些DCS廠家走在了前列，例如艾默生公司基于OVATION系統開發的新一代嵌入式仿真系統，該系統通過OVATION模型軟件開發高精度仿真模型，并將模型嵌入帶有復雜流網求解器的虛擬控制器中運算。而且該模型的搭建工具與DCS控制邏輯的組態工具相同，對于不懂得專業建模知識的熱工人員也能自如地更新、修改系統模型。該仿真系統的控制系統和仿真模型由同一個供應商提供，共用一個仿真平臺，提高了仿真系統的易用性，并降低了維護的難度。

3 嵌入式仿真技術的應用

嵌入式仿真在運行人員及熱工人員培訓方面已廣泛應用，在事故預測方面的應用也前景廣闊。除此以外，嵌入式仿真在電站控制策略優化中的應用以及在電站改造項目的應用優點也非常突出。

某電廠脫硫系統改造，因為工期方面限制，改造時間非常短，而且要求新系統盤柜接線完成后即刻投入運行，由于電廠的安全規范要求，在新的監控系統投運之前必須對邏輯進行驗證，防止改造過程中發生意外。這就要求在改造前對控制邏輯、控制畫面及操作功能提前驗證并確保正確，因此采用仿真進行驗證的就成為可行的方法，傳統DCS系統雖然有虛擬DPU的功能，但是模型較為復雜，建模與修改都比較困難，因此在指定時間內無法完成項目的測試與驗證，而嵌入式仿真可以直接復制DCS的邏輯組態到仿真機上，利用組態工具跟據實際需求搭建不同精度要求的仿真模型，滿足了改造的工期要求。

另外，在專業技術人員的培訓方面的應用，尤其是在對多人進行培訓時嵌入式仿真系統優勢更加明顯，運行調試是電站工程技術人員完成組態以后進行邏輯錯誤查找、控制效果驗證的重要途徑，只有經過多次的練習才能熟練掌握該項技能，基于現場安全考慮，在學員練習階段無法使用實際控制器與控制對象，因此只能使用虛擬的控制器和虛擬的控制對象，而傳統仿真機只能在工程師站安裝虛擬控制器，控制對象模型需要在模型服務器上運行，如果多人同時練習，則需要多臺模型服務器，對硬件需求就大大增加，要實現一個人控制一個模型就顯得困難，而嵌入式仿真就解決了這個問題，其控制對象模型可以嵌入虛擬控制器中運行，不需單獨的模型服務器，一臺電腦就可以完成組態調試，仿真驗證等功能，可以大大提高培訓效率和經濟性。

4 結語

嵌入式仿真以其便捷的建模方法，以及可以將模型嵌入虛擬控制器中運行的特點在電站DCS改造、控制策略驗證、技術人員培訓中發揮了獨特的優勢，尤其在電站事故預測以及設備缺陷的提前預知方面，如果能進一步提高預測精度，嵌入式仿真將會有將更大的商業價值。

［1］王鵬，楊衛民，吳科.基于虛擬分散控制系統激勵模式的電站仿真支撐系統的設計與實現［J］.華電技術，2012，34（8）：10-13，77.

［2］梁東義，倪桂杰，呂曉娟，等.電站DCS開發與系統仿真一體化解決方案［J］.企業技術開發，2016，35（23）：69-71，86.

［3］姚民康.多模型激勵式的工業過程仿真支撐系統的設計與實現［D］.北京：華北電力大學，2019.

［4］巢嶺，李昱，馮茂，等.輕仿真系統在火電DCS一體化改造中的研究及應用［J］.自動化博覽，2019（10）：62-66.

TP391.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.18.067

2095－6835（2020）18－0160－02

梁東義（1980—），男，2013年畢業于重慶大學，研究生學歷，講師，研究方向為智能控制應用。

〔編輯：王霞〕