某電廠熱工模擬仿真平臺簡介

孟 杰

（晉能控股電力集團(tuán)朔州熱電有限公司，山西 朔州 036000）

1 立項(xiàng)原因或背景

隨著分散控制系統(tǒng)（DCS）在火電廠的廣泛應(yīng)用，對電廠自動化水平的要求越來越高，對電廠熱工人員的技術(shù)水平要求也越來越高[1-3]。朔州熱電公司的熱工人員由大學(xué)生和電建人員組成，但控制技術(shù)水平較低，因此，對熱工人員進(jìn)行培訓(xùn)更顯得十分急迫。公司從基建到投產(chǎn)進(jìn)度非常快，某些局部系統(tǒng)自動控制方面的策略、功能不是十分完整，隨著復(fù)雜工況的出現(xiàn)，運(yùn)行調(diào)整變得越來越精細(xì)，這就需要對系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行變更。由于在線更改邏輯組態(tài)存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，因此，開發(fā)一個(gè)熱工控制仿真平臺，在模擬平臺上預(yù)先確定控制方案和參數(shù)，可大大減少現(xiàn)場調(diào)試次數(shù)，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

熱工控制仿真平臺結(jié)合當(dāng)前我國工業(yè)自動化應(yīng)用技術(shù)及器件技術(shù)的發(fā)展，從朔州熱電公司的實(shí)際需要出發(fā)，充分考慮實(shí)用性、先進(jìn)性，模擬真實(shí)的DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并配有獨(dú)立的現(xiàn)場設(shè)備。整套裝置包含DCS控制系統(tǒng)、SIPOS電動執(zhí)行器和雙容水箱水位模擬系統(tǒng)。該裝置根據(jù)朔州熱電公司現(xiàn)場設(shè)備及人員配置情況，量身研發(fā)而成，遵循了培訓(xùn)、DCS邏輯組態(tài)模擬原則，主要思路是實(shí)訓(xùn)裝置可兼容各品牌PLC和DCS，適于公司勞動培訓(xùn)及實(shí)操技能考核的教學(xué)培訓(xùn)、DCS邏輯組態(tài)仿真模擬、控制回路參數(shù)的驗(yàn)證，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目豐富、綜合性強(qiáng)、緊跟工業(yè)自動化發(fā)展潮流。

2 仿真系統(tǒng)構(gòu)架

仿真系統(tǒng)構(gòu)架[4]如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 基礎(chǔ)部分

基礎(chǔ)部分主要由框架（三層結(jié)構(gòu)）、PP水箱（上、中、下3個(gè)水箱）、PPR管路等。

為了方便移動裝置，框架下設(shè)有4個(gè)腳輪，單只腳輪承重可達(dá)240 kg，腳輪自帶可調(diào)的鎖止地腳螺栓。所有工藝設(shè)備、管路均安裝或固定到框架上。管路采用耐高溫的PPR管，使用熱熔方式連接。所有接頭采用不銹鋼或不銹鋼螺紋。

中上層設(shè)有2個(gè)400 mm×400 mm×500 mm水箱，上、中水箱容量為80 L，主要用于模擬水位。管路系統(tǒng)有多分支、多回路，通過手閥切換實(shí)現(xiàn)不同的水循環(huán)。

框架底部安裝400 mm×400 mm×500 mm的下水箱，主要用來儲存系統(tǒng)所有用水，以防當(dāng)裝置內(nèi)有漏點(diǎn)時(shí)，水滿淋濕場地地面，造成安全隱患。

2.2 電氣部分

1）電氣部分主要有電源分配單元、負(fù)載驅(qū)動單元、接口單元、模擬演示板、漏電保護(hù)器、變頻器、DCS控制器及附屬卡件、線槽和接地點(diǎn)等。

2）電源分配單元主要向裝置內(nèi)保設(shè)備提供電源以及留有足夠外出的備用電源。輸入電源為AC 220 V，輸出電源有AC 220 V、DC 24 V。另外提供系統(tǒng)內(nèi)電流、電壓、功率的監(jiān)視與信號輸出。

3）負(fù)載驅(qū)動單元主要有變頻器，變頻器用來控制水泵變頻轉(zhuǎn)速。

4）接口單元中交換機(jī)采用CiscoWS-C2960+24TCLSwitch，主要是各設(shè)備、各單元的信號與數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)交換中心，并向外部系統(tǒng)如PLC、DCS提供接口。接口單元提供的連接方式有接線端子、各種插座。基本實(shí)現(xiàn)快速連接的功能。

5）漏電保護(hù)器。為了保證實(shí)驗(yàn)安全，設(shè)有漏電保護(hù)器，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生漏電時(shí)，裝置斷電。

6）變頻器采用ABB的的產(chǎn)品，并有中文顯示操作面版。

7）DCS控制系統(tǒng)。DCS采用Ovation公司OCR1100控制器及相應(yīng)背板、AI、AO、DI、DO、RTD等各類型常用卡件。

8）PLC使用SIEMENS的S7-300控制器。

2.3 工藝部分

工藝部分主要有閥門、電磁閥、電動調(diào)節(jié)閥和水泵等，如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

2.4 儀表部分

儀表部分主要有溫度、壓力、流量和液位等。所有儀表不但有遠(yuǎn)傳儀表，還配有就地顯示的指示儀表（如玻璃管浮子流量計(jì)、雙金屬溫度計(jì)等）。

2.5 監(jiān)控部分

監(jiān)控部分主要有計(jì)算機(jī)與觸摸屏。計(jì)算機(jī)采用2臺DELL 24″寬屏液晶顯示器，置于操作臺面上，用于邏輯組態(tài)編程、參數(shù)監(jiān)視，對整套系統(tǒng)進(jìn)行模擬運(yùn)行。

3 熱工模擬仿真平臺系統(tǒng)建模

3.1 仿真機(jī)的開發(fā)目的

本裝置平臺設(shè)置有DCS、PLC兩套控制系統(tǒng)，并有最下層被控設(shè)備：SIPOS電動執(zhí)行器和雙容水箱水位模擬系統(tǒng)等。可以利用此平臺裝置實(shí)現(xiàn)對DCS、PLC控制培訓(xùn)學(xué)習(xí)，從硬件的配置，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、組態(tài)編寫和系統(tǒng)調(diào)試等方面模擬現(xiàn)場，對熱工人員進(jìn)行從控制到終端的真實(shí)模擬培訓(xùn)。

可方便地利用仿真機(jī)的工程師站對培訓(xùn)熱控人員進(jìn)行熱控系統(tǒng)的組態(tài)分析和驗(yàn)證、調(diào)整參數(shù)、修改定值，尋求控制和保護(hù)系統(tǒng)的最佳控制策略和最佳整定值。具備在熱工仿真平臺對邏輯組態(tài)、參數(shù)和策略等方案進(jìn)行模擬運(yùn)行，對上述方案進(jìn)行DCS離線模擬驗(yàn)證的功能，從而保證本次改造方案的可行性和可靠性。

通過對現(xiàn)有模擬仿真平臺進(jìn)行局部干擾，提供某項(xiàng)故障現(xiàn)象，達(dá)到培訓(xùn)人員正確判斷故障、處理事故的應(yīng)變能力。對熱控專業(yè)各崗位定期輪訓(xùn)，在上崗和晉升前進(jìn)行實(shí)際操作能力和分析判斷能力的考核。

3.2 仿真機(jī)模型硬件配置及要求

為了達(dá)到仿真模擬不同控制系統(tǒng)的目的，裝置采用共用操作員站，執(zhí)行設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)，包括按鈕模塊、電源模塊、模擬生產(chǎn)設(shè)備實(shí)訓(xùn)模塊、接線端子排和各種傳感器、DCS及PLC主機(jī)模塊以及變頻器主機(jī)模塊等。

DCS、PLC系統(tǒng)能進(jìn)行切換，通過不同的控制系統(tǒng)對同一下級設(shè)備進(jìn)行控制。在主要構(gòu)架中，所有設(shè)備的輸入、輸出信號通過導(dǎo)線都連接到絕緣板的公共接線端子上，接線端子上級由每個(gè)回路繼電器進(jìn)行切換，通過繼電器整體動作實(shí)現(xiàn)各實(shí)驗(yàn)?zāi)K獨(dú)立的輸入、輸出，這樣在模擬仿真DCS或PLC系統(tǒng)時(shí)，只需進(jìn)行繼電器通斷切換，通過操作員站對不同的控制器（DCS、PLC）進(jìn)行操作、演練。

除了控制系統(tǒng)外，還配有獨(dú)立工藝模組，如管道、水箱、水泵、風(fēng)機(jī)、調(diào)節(jié)閥和電動閥等，并設(shè)有溫度、流量、壓力、液位、電流和電壓等傳感器。驅(qū)動設(shè)備有變頻器、接觸器等，可提高實(shí)驗(yàn)與考核的真實(shí)性。

本裝置配備2臺操作員站（1臺兼工程師站），操作員站具有以下功能：

1）采用DELL產(chǎn)品并滿足以下要求：24″純平顯示器，防眩光，24位真彩色，分辨率為1920×1080，60 Hz，帶寬＞200 MHz。

2）每臺主機(jī)有其獨(dú)立的顯卡，處理器為i7，內(nèi)存為16 G，256SSD+2T硬盤。

3）每臺顯示器均配置有鍵盤，除具有完整的數(shù)字、字母鍵外，還有一定數(shù)量的操作功能鍵和用戶自定義功能鍵，操作人員可通過鍵盤調(diào)用、處理全部過程信息，操作所有控制設(shè)備。

4）具有防止誤操作的閉鎖功能，并在顯示器上顯示。

5）操作人員通過人機(jī)接口輸入等手段發(fā)出的任何操作指令執(zhí)行時(shí)間均＜1 s。操作人員從人機(jī)接口輸入的操作指令至顯示面板反饋結(jié)果的時(shí)間＜2 s。

6）操作員站顯示器高度、角度和操作鍵盤等符合人體工程學(xué)，便于操作人員操作、監(jiān)控畫面。

3.3 仿真機(jī)操作員站（兼工程師）功能

工程師站[5]功能與實(shí)際機(jī)組DCS工程師站相同，選用與主機(jī)同樣的方式進(jìn)行仿真，能完成控制系統(tǒng)的維護(hù)、調(diào)試、擴(kuò)充和修改，可在線進(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)、控制模塊參數(shù)修改調(diào)試等功能，擔(dān)負(fù)仿真系統(tǒng)熱工培訓(xùn)、熱工實(shí)驗(yàn)等功能。作為模擬實(shí)際機(jī)組DCS工程師站，需具有如下功能：

1）具有工程師站配置功能，能進(jìn)行點(diǎn)表配置、權(quán)限管理、日志配置、網(wǎng)絡(luò)配置、節(jié)點(diǎn)配置、DPU配置、報(bào)警配置和安全區(qū)配置。

2）類似實(shí)際機(jī)組DCS工程師站導(dǎo)出仿真系統(tǒng)的控制工程備份，包括畫面組態(tài)、邏輯組態(tài)。

3）下裝現(xiàn)場DCS工程師站的工程備份，包括畫面組態(tài)、邏輯組態(tài)。

4）具有工程備份、工程還原和工程刷新功能。

5）歷史、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫配置。

6）畫面組態(tài)編輯、修改、下裝功能。

7）邏輯組態(tài)編輯、修改、無擾下裝功能。

8）控制系統(tǒng)研究功能、修改控制參數(shù)、進(jìn)行試驗(yàn)研究。

9）仿真現(xiàn)場熱工工程師站功能，可以在線進(jìn)行控制系統(tǒng)的組態(tài)、控制模塊參數(shù)的修改等工作。

10）能夠進(jìn)行各種控制組態(tài)，形成的控制系統(tǒng)組態(tài)與實(shí)際機(jī)組一致。

11）控制系統(tǒng)中的控制模塊和I/O點(diǎn)信息必須遵循參考機(jī)組DCS控制組態(tài)中的控制模塊及I/O點(diǎn)信息完全一致。

12）控制模型中所有的功能模塊都能下載到仿真平臺中，并能利用原有功能模塊組合成新的功能模塊。

4 結(jié)論

根據(jù)朔州熱電公司熱控專業(yè)的實(shí)際情況配置，為公司火電機(jī)組的人員培訓(xùn)、熱控調(diào)試、運(yùn)行優(yōu)化和故障診斷提供一種理想的虛擬DCS先進(jìn)數(shù)字化平臺。

通過仿真機(jī)可對機(jī)組的故障原因和結(jié)果進(jìn)行分析，改進(jìn)運(yùn)行操作，提高處理事故的能力。數(shù)字化平臺具備對機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，以選擇最佳的控制方案和動態(tài)整定參數(shù)的能力和手段。通過培訓(xùn)學(xué)習(xí)，熱工人員可掌握部分典型事故的操作處理方法，并按正確按步驟和要求完成操作，確保機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。