激勵式仿真系統及DCS控制功能仿真測試

曾雪峰，祝建飛，沈建峰

（1.國家電投集團廣東電力有限公司，廣東廣州 510710；2.上海明華電力科技有限公司，上海 200090）

DCS 控制系統是發電機組的“中樞神經系統”，其能實現順序控制、保護跳閘、自動調節、參數監控等功能［1］。隨著發電機組自動化程度的提高，對DCS 控制系統提出的要求也越來越高，DCS 系統能否正確實現設備保護、自動控制等功能也密切關系到機組的正常安全運行，故在邏輯設計和功能組態時對DCS 系統進行全方位的控制功能仿真測試十分必要。通過仿真調試，對控制系統進行全面測試，將原先可能要在實際調試時才能發現的問題消除在萌芽狀態，減少設備實動帶來的安全風險，確保機組順利投產。在仿真調試中通過功能測試和參數初設后，大部分控制回路基本可用，待現場調試時再根據實際情況進行參數細調，這樣可以縮短實際調試時間，加快調試進程，節約調試費用。但由于模型搭建困難、測試方法缺乏等原因，在DCS 系統出廠前進行全面功能測試存在較大難度，往往要等到現場實際調試時，才能對控制系統進行功能測試，進而會帶來設備實動的安全風險，延長實際調試時間。

針對這一問題，本文給出一種基于激勵式仿真系統的火電機組DCS仿真測試方法。該方法采用已有的典型1000MW 直流機組激勵式仿真系統作為仿真支撐平臺，通過分析對比待測機組與激勵式仿真系統提供的機組特性，包括機組容量、蒸汽參數、輔機布置等，將待測DCS系統控制參數與激勵式仿真系統參數進行合理對接，快速建立仿真測試環境；同時，進行待測DCS系統與激勵式仿真系統DCS間數據跟蹤及無擾切換功能的設計。這一功能的實現可以應用激勵式仿真系統的裝載工況教練員功能，迅速建立測試狀態，實現了針對某一工況快速重復測試的功能，極大地方便在線測試的能力。

本文將這一方法應用到某新建電廠660MW 火電機組的DCS 仿真測試中，對各主要系統及整個協調系統進行了全工況測試，對DCS 系統中存在的問題及時進行了修改和完善。仿真測試結果表明這一方法的有效性，對在建機組降低設備實動風險，提高機組運行安全性，早日投入生產，提供了很大幫助。

1 激勵式仿真系統

目前，許多科研單位及電廠中均配置有激勵式仿真系統，基本上主要由模型機及虛擬DCS 系統構成［2-3］。本文給出的火電機組激勵式仿真系統結構如圖1所示。

圖1 火電機組激勵式仿真系統結構Fig. 1 Thermal power simulative simulation systemstructure

圖1 中，激勵式仿真系統包括仿真模型支撐系統及虛擬DCS 系統。該系統采用2 層結構來實現，且這兩部分相對獨立，以網絡通信的方式實現數據的交互操作。

1.1 仿真模型支撐系統

仿真模型支撐系統以通用的1000MW 超超臨界直流機組為原型，鍋爐為π 型爐，采用一次中間再熱、雙列輔機布置。模型采用機理建模的方法搭建了鍋爐、汽機、電氣等各個系統過程的動態模型。仿真系統實現了從冷態、溫態、熱態和極熱態啟動到滿負荷，從額定負荷到停機，以及鍋爐與汽輪發電機的各種不同組合工況，最大化地模擬現場實際的運行情況［4］。同時，該仿真模型支撐系統，可以方便加載實際運行中各種不同工況。在此基礎上實施火電機組相關方面的研究，具有很強的操作性及可信度。仿真模型支撐系統部分模型如圖2所示。

圖2 仿真模型支撐系統Fig. 2 Support system of simulation model

1.2 虛擬DCS系統

虛擬DCS 系統是將真實DCS 在非DCS 的計算機系統中以某種形式再現［5-8］。真實DCS 主要是由分散處理單元（DPU）和人機界面（HMI）構成的。同樣，虛擬DCS也由虛擬DPU 和HMI構成。其中，虛擬DPU 是虛擬DCS 的核心。虛擬DPU 是指將實際分散控制單元中的DPU 功能移植到虛擬DPU 軟件上，使DPU功能脫離實際硬件而實現的，這樣整個虛擬DCS 系統就可以脫離數據采集及數據運算硬件設備而工作，節省大量硬件投資。本文中虛擬DCS包含1000MW 超超臨界火電機組全部的控制邏輯，其中，DEH 及MEH 控制系統的控制邏輯也集成在虛擬DCS系統之中。

2 DCS控制系統仿真測試原理

2.1 通信原理

OPC（OLE for Process Control）通信協議是工業中應用比較普遍的工業通信標準。 OPC 以微軟的OLECOMDCOM 技術為基礎，采用客戶端/服務器模式，定義了一套適用于過程控制應用，支持過程數據訪問、報警、事件與歷史數據訪問等的功能接口［9］。在使用過程中，OPC服務器是數據的供應方，負責為OPC的客戶提供所需的數據；OPC 客戶是數據的使用方，可以對OPC 服務器提供的數據按需要進行處理。目前，國外DCS 系統諸如Ovation、ABB 及國內DCS 系統諸如國電智深、和利時、新華等系統均提供了OPC 的網絡通信協議，以保證這些系統與其他系統之間的連接。因此，本文在仿真測試通信部分采用OPC 的通信方式，具體通信結構如圖3所示。

圖3 仿真測試中OPC通信原理Fig. 3 OPC communication theory of simulation testing

由圖3 可以看出，仿真模型系統作為OPC 的客戶端，待測DCS 系統作為服務器端，通信過程中，客戶端向服務器端發送收發數據請求，服務器收到客戶端請求后進行數據的收發處理，以此實現激勵式仿真系統與待測DCS系統之間的數據交互。

2.2 仿真測試原理

2.2.1 數據連接

采用主干鏈接的方式，在通信數據連接中，僅將需要測試的部分邏輯及所需的點信息進行通信，包括鍋爐主控邏輯、燃料主控邏輯、給水主控邏輯、送引風控制、一次風壓控制等，以及凝結水水位控制、低加水位控制、高加水位控制、過再熱汽溫控制等。對于DEH的邏輯也將保持在原有仿真DCS系統中。這樣一方面滿足了對協調控制及各輔機的主要控制回路進行仿真測試的功能；另一方面減少了過多仿真模型點與DCS點的連接建立，節省人力成本。

2.2.2 數據匹配

由于待測DCS系統與激勵式仿真系統中機組參數不同，在進行模擬量通信時（諸如機組負荷、溫度、壓力、風量、流量等），需根據兩者機組運行參數進行轉換。若待測DCS為600MW 機組DCS系統，接收的信號需根據激勵式仿真系統機組負荷情況及待測機組設計參數進行折算，折算成待測DCS 的當量值后再將其應用到DCS 系統的測試中。同理，待測DCS 系統依據各激勵式仿真系統中設備的出力設置，將輸出指令經折算后，折算成激勵式仿真系統的當量值輸入到仿真模型中，產生控制作用。

2.2.3 邏輯切換及無擾跟蹤

將實際DCS中各回路的指令信號經通信傳輸到激勵式仿真系統的仿真模型站中，模型站設置為切換邏輯，即通過切換指令將待測DCS 信號及虛擬DCS 指令信號作二選一，送入相應的設備模型中，完成兩種DCS控制邏輯的切換。同時在虛擬DCS及待測DCS系統中搭建跟蹤邏輯，當模型側切換至原仿真DCS 控制回路時，待測DCS 系統信號跟蹤經當量折算后的原DCS 指令信號，待測系統處于跟蹤狀態。由于激勵式仿真系統具有裝載工況的功能，通過邏輯切換及無擾跟蹤的設計，在切至原回路并加載工況后可無擾地切至待測DCS 系統中進行該工況下的仿真測試，縮短了建立仿真測試工況的時間，提高測試效率。

通過通信數據點的連接、數據變換及邏輯切換與無擾跟蹤這三個方面的設計，即可實現待測DCS 系統在激勵式仿真系統中的測試。整個仿真測試設計原理如圖4所示。

圖4 仿真測試設計原理Fig. 4 Design principle of simulation test

圖4 中，F(x) 為仿真模型系統輸出信號至待測DCS 系統中折算函數；G(x) 為待測DCS 系統輸出信號至仿真模型系統的折算函數。

3 仿真測試實施

3.1 機組描述

某電廠新建660MW 燃煤火電的在建機組為超臨界直流機組。該機組DCS 系統為艾默生（Ovation）DCS系統。在設計過程中配置了單列輔機，即給水泵、送風機、引風機、一次風機等設備均為單臺布置；進行了煙塔合一設計，將涼水塔與煙囪合為一體。這些設計上的變化，必然會帶來邏輯上較大的改動，為了確保所設計的組態邏輯在機組中可行，滿足機組對控制性能的要求，保證機組安全穩定運行，同時避免后期運行調試期間邏輯較大改動的隱患，在邏輯設計完成后，采用文中所述方法對所設計邏輯的主要回路進行仿真測試，觀察運行效果并及時進行邏輯改進及參數調整。

3.2 控制回路連接

3.2.1 數字量連接

數字量連接主要涉及泵、風機、馬達、閥門等設備的操作指令與反饋狀態。連接時需將Ovation 系統設備驅動邏輯的開關指令通信至仿真模型中，同時仿真模型中設備狀態通信至Ovation 的設備邏輯反饋點。雖然該在建機組為單列輔機，仿真模型為雙列輔機布置，但仿真測試的目的在于對設備驅動邏輯正確的仿真驗證，因此，將Ovation 系統輔機驅動邏輯與仿真模型中對應的其中一臺設備連接即可實現對驅動邏輯的仿真測試。

3.2.2 模擬量連接

該廠模擬量系統主要包括送引風控制系統、一次風機壓力控制系統、燃燒系統、給水系統、過再熱汽溫系統、協調系統、DEH 及MEH 系統等。由于該廠DEH及MEH 系統獨立于Ovation 系統之外，因此在仿真過程中DEH 及MEH 的控制仍在原有仿真DCS 系統中實現，僅將所需的負荷指令及轉速指令經由網絡通信，送入原有仿真DCS系統中，產生控制作用。

由于Ovation DCS 系統所對應的機組為660MW 機組，仿真模型為1000MW 機組模型。為了保證仿真測試的正確性，在將模擬量從模型傳遞至Ovation DCS 系統中時，需將當前運行參數折算成660MW 機組對應的當量值。比如給水流量信號，為了保證經折算后系統的狀態與模型中運行狀態一致，將其按照公式（1）進行折算，即

其中，F100為模型機給水流量；F66為折算后給水流量；f1(P66)為Ovation DCS 對應機組在當量負荷下的設計給水流量；f2(P100)為模型機組在當前負荷下的設計給水流量。

通過公式（1）的折算，可以將模型機組“欠負荷”與“過負荷”時的動態過程更真實地傳輸到Ovation DCS系統中。同理，諸如總風量、總煤量等也可按照公式（1）給出的折算形式進行折算。

對于Ovation DCS 系統傳輸至模型機組中的指令信號，由于其生成的指令信號與模型機組所需的指令信號均為0～100% 的標稱化信號，因此無需對指令信號進行折算。另外，Ovation DCS 系統對應機組為單列輔機布置，因此在指令傳輸至模型機過程中需將其單列輔機指令信號傳輸至模型機組的兩臺輔機設備中。

3.2.3 跟蹤設置

為了保證由原虛擬DCS 控制切換至Ovation DCS控制過程無擾動，需將原虛擬DCS 指令送至Ovation DCS 控制邏輯中，在原虛擬DCS 控制時，Ovation DCS中指令跟蹤原虛擬DCS 控制指令，保證切換至Ovation DCS 時控制指令不發生跳變。另外由于其為單列輔機，模型機組中相關雙列輔機指令需取平均后再送至Ovation DCS 系統。本文以送風機指令為例，其跟蹤邏輯如圖5所示。

圖5 中，切換按鈕置1 時，送風機動葉調節裝置指令為仿真模型輸出的調節指令，同時邏輯中M/A 手操器輸出跟蹤仿真模型輸出指令；切換按鈕置0 時，送風機動葉調節裝置指令切為M/A 手操器輸出，經由通信程序傳遞到模型使控制指令作用到送風機模型中，實現無擾切換。

圖5 送風機系統及切換邏輯Fig. 5 The forced air fan system and the switching logic

3.3 仿真測試

經各部分與仿真模型通信及邏輯搭建完成后，仿真模型加載CCS協調方式工況，待系統運行穩定后，將其切換至Ovation DCS 控制邏輯對仿真模型進行控制，以測試所設計邏輯的有效性。通過協調方式的測試，發現并修改了原Ovation 控制邏輯中不足的部分，同時根據變負荷情況對邏輯中的相關參數進行適當的修改，使其能夠按照預定的結果運行。圖6 給出了DCS方式下，待測DCS 系統將負荷由620MW 升至640MW時的變負荷情況。

由圖6 可知，變負荷指令發出后，機組能夠平穩升至目標負荷，燃料量及給水流量等控制參數能夠按照預期平穩變化。通過對該新建機組DCS邏輯進行仿真測試，完善了DCS邏輯，同時也驗證了邏輯的正確性及有效性，基本達到了所設計的預期效果。將測試后的邏輯應用到實際中，可以有效縮短調試時間，降低由于邏輯不完善而造成設備誤動作的安全風險。

圖6 新建機組DCS仿真測試變負荷情況Fig. 6 The test of DCS changing load simulation

4 結論

對于在建機組而言，DCS 組態邏輯的仿真測試是至關重要的環節，通過仿真測試來對控制功能和軟件組態進行全面檢測，并對控制參數進行初步設置，以提高控制系統功能組態的實施質量，為控制系統的實際調試和正常投用創造有利條件。本文在全面了解激勵式仿真系統的基礎上，給出了一種基于激勵式仿真系統的火電機組仿真測試方法，并將其應用到在建機組中，仿真測試結果表明這一方法的有效性。這一方法的提出，對在建機組降低設備實動風險，提高機組運行安全性，早日投入生產，提供了很大幫助。