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1　概述

目前，火電機(jī)組正向著大容量、高參數(shù)的方向發(fā)展，其運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性在一定程度上依賴(lài)于運(yùn)行控制水平的高低，因此對(duì)運(yùn)行人員的熟練操作及處理事故的能力有了更高的要求，同時(shí)隨著機(jī)組的自動(dòng)化控制水平的提高，運(yùn)行人員在實(shí)際機(jī)組上的操作機(jī)會(huì)將會(huì)更少，為了使運(yùn)行人員得到有效的運(yùn)行操作培訓(xùn)，也為了能培養(yǎng)出全能值班員，全范圍仿真培訓(xùn)裝置的必要性越來(lái)越明顯。

而OTS仿真培訓(xùn)系統(tǒng)能使電廠運(yùn)行人員熟練地掌握機(jī)組啟、停和正常運(yùn)行的全程操作，避免誤操作情況的發(fā)生，幫助運(yùn)行人員全面地掌握機(jī)組的運(yùn)行特性，可有效地提高運(yùn)行人員對(duì)機(jī)組的調(diào)控能力；同時(shí)仿真機(jī)具有電廠常見(jiàn)事故的模擬功能，事故現(xiàn)象逼真，能夠滿足運(yùn)行人員對(duì)運(yùn)行培訓(xùn)、熱工保護(hù)、調(diào)節(jié)控制、事故分析的學(xué)習(xí)要求，以及通過(guò)仿真機(jī)可以進(jìn)行機(jī)組運(yùn)行特性的分析研究，驗(yàn)證機(jī)組運(yùn)行操作規(guī)程，改善和提高機(jī)組的運(yùn)行操作技術(shù)方法，從而有效地提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

目前，企業(yè)對(duì)安全性、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)的要求越來(lái)越高，OTS仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面會(huì)發(fā)揮出越來(lái)越大的作用。

2　基于虛擬DCS的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前電廠仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中最常用的再現(xiàn)DCS的方法有仿真式和全激勵(lì)式兩種。仿真式是根據(jù)DCS的組態(tài)圖、屏幕顯示畫(huà)面及操作，在新的軟硬件環(huán)境下重新編程，實(shí)現(xiàn)其控制策略和人機(jī)接口等功能，最后達(dá)到與仿真對(duì)象一致的效果。這種方式實(shí)現(xiàn)成本不高，但有以下不足之處:

（1）仿真式只能實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的部分仿真，軟件逼真度和可信度不夠高，而且在操作員的操作方式、操作習(xí)慣方面都會(huì)因?yàn)槎叩拈_(kāi)發(fā)平臺(tái)不一樣，產(chǎn)生差異，難以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)完全相同的DCS環(huán)境，無(wú)法達(dá)到真正意義上的全仿真效果。

（2）當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)組態(tài)改動(dòng)時(shí)，仿真機(jī)的控制系統(tǒng)跟蹤修改繁瑣困難，擴(kuò)展性、適應(yīng)性差。

（3）對(duì)熱控人員無(wú)法進(jìn)行邏輯修改、控制參數(shù)整定等培訓(xùn)。

全激勵(lì)式DCS省略了輸入/輸出等卡件，采用真實(shí)DCS的硬件軟件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的適當(dāng)配置來(lái)再現(xiàn)DCS，它具有極高的軟硬件逼真度，可在仿真機(jī)上方便地進(jìn)行控制算法分析研究及改進(jìn)工作。這種方式的缺點(diǎn)是軟硬件實(shí)現(xiàn)成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、移植性差、與模型系統(tǒng)連接較困難。

鑒于兩種方式都存在缺陷，和利時(shí)開(kāi)發(fā)了基于虛擬DCS的仿真系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的仿真采用真實(shí)DCS技術(shù)，以真正的DCS軟件及虛擬DPU軟件為基礎(chǔ)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、圖形組態(tài)、邏輯組態(tài)完全與現(xiàn)場(chǎng)一致，組態(tài)文件可被直接導(dǎo)入到仿真機(jī)。虛擬DCS的仿真系統(tǒng)具有仿真精度高、開(kāi)發(fā)周期短、仿真效果好的特點(diǎn)。虛擬DPU技術(shù)是指將真實(shí)DCS的DPU虛擬軟件化，開(kāi)發(fā)的虛擬DPU軟件能夠完全代替真實(shí)DPU的計(jì)算、通訊功能，從而降低用戶的使用與維護(hù)成本。

圖1 傳統(tǒng)仿真機(jī)與虛擬DCS仿真機(jī)比較

3　仿真系統(tǒng)硬件組成

仿真系統(tǒng)由仿真主機(jī)（模型站兼教練員站）、DCS&DEH操作站、就地操作站、DCS站（DCS服務(wù)器兼工程師站）、虛擬DPU站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。DCS操作員站的數(shù)量根據(jù)用戶需要配置，并且可以隨時(shí)擴(kuò)充，其硬件構(gòu)成如圖2所示：

圖2 仿真機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

4　仿真系統(tǒng)軟件組成及功能

仿真系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)軟件、仿真支撐平臺(tái)軟件、數(shù)學(xué)模型軟件、教練員功能軟件、DCS操作員站軟件、多媒體仿真軟件、DCS工程師站軟件、就地站及虛擬盤(pán)臺(tái)軟件等幾部分，圖3所示：

圖3 仿真機(jī)軟件構(gòu)成

4.1　系統(tǒng)軟件

主機(jī)和各操作站均采用Windows操作系統(tǒng)，具有界面友好、開(kāi)放性高、可適用于不同機(jī)型的特點(diǎn)。

4.2　仿真支撐平臺(tái)軟件

仿真支撐平臺(tái)軟件是介于仿真系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)之間的可視化仿真支撐系統(tǒng)，運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)上。其主要特點(diǎn)如下：

（1）實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)：專(zhuān)門(mén)為大型仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以管理變量達(dá)數(shù)百萬(wàn)個(gè)、數(shù)據(jù)上千萬(wàn)個(gè)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)模型的分布式計(jì)算、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示與在線數(shù)據(jù)修改，滿足大型實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行的需要。

（2）數(shù)據(jù)可視化：提供多種數(shù)據(jù)可視化方式，如表格、曲線、流程圖、直方圖和虛擬盤(pán)臺(tái)等。

（3）圖形化建模：用戶可以方便地利用系統(tǒng)提供的可視化單元，完成電站所需的運(yùn)行畫(huà)面的組態(tài)，提高工程化水平、提高開(kāi)發(fā)效率。

（4）在線調(diào)試：在各種顯示方式下，都可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的任意數(shù)據(jù)進(jìn)行在線修改。

（5）協(xié)同開(kāi)發(fā)：支持多人在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的程序協(xié)同開(kāi)發(fā)，提供了從程序編輯、變量掃描、編譯、連接到運(yùn)行、調(diào)試等全過(guò)程的支持。

（6）進(jìn)程控制：完整的指導(dǎo)教師工作站功能，主要包括模型的運(yùn)行與停止、凍結(jié)與解凍、故障設(shè)置、工況保存、運(yùn)行狀態(tài)的顯示。

（7）仿真精度高：具有高精度的仿真周期，最小仿真步長(zhǎng)可以達(dá)到10毫秒，數(shù)據(jù)刷新時(shí)間步長(zhǎng)可以達(dá)到50毫秒。

（8）多流程仿真：多流程支持功能，可以在一套硬件系統(tǒng)上同時(shí)開(kāi)發(fā)或運(yùn)行不同的仿真系統(tǒng)，或者同一套仿真系統(tǒng)的多個(gè)實(shí)例。

（9）支持OPC協(xié)議。

（10）可視化圖形建模系統(tǒng)與強(qiáng)大的在線調(diào)試功能，大大提高了開(kāi)發(fā)速度、降低了開(kāi)發(fā)難度、縮短了開(kāi)發(fā)周期、提高了系統(tǒng)可維護(hù)性。

4.3　數(shù)學(xué)模型軟件

數(shù)學(xué)模型根據(jù)工程實(shí)際訂制開(kāi)發(fā)，以基本物理原則為基礎(chǔ)，以實(shí)際機(jī)組的資料為依據(jù)，采用圖形化建模方式完成。所建模型精度高，能完整地描述機(jī)組的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的全過(guò)程，包括從鍋爐點(diǎn)火、升溫、升壓等各種工況下的啟動(dòng)、并網(wǎng)、升負(fù)荷以及正常停機(jī)和各種事故現(xiàn)象。數(shù)學(xué)模型軟件由以下幾部分組成：

（1）鍋爐系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型軟件；

（2）汽機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型軟件；

（3）電氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型軟件；

（4）控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型軟件；

（5）其他系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型軟件；

4.4　教練員站功能

仿真機(jī)的教練員站是多功能、多用途的培訓(xùn)訓(xùn)練中心。在教練員站軟件和硬件配置基礎(chǔ)上成為仿真機(jī)運(yùn)行的最主要的人機(jī)界面，在實(shí)時(shí)情況下進(jìn)行教練員與仿真機(jī)之間的信息傳輸。所完成的仿真培訓(xùn)的基本任務(wù)是：

（1）教練員能方便地控制和監(jiān)視學(xué)員的操作；

（2）教練員根據(jù)學(xué)員的業(yè)務(wù)能力選擇組合項(xiàng)目；

（3）教練員和軟件工程師可由教練員臺(tái)訪問(wèn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)；

（4）采用文字、數(shù)據(jù)、表格、圖形等方式顯示，借助彩色LCD，鍵盤(pán)等實(shí)現(xiàn)。

教練員站主要用來(lái)設(shè)定各種工況和事故，對(duì)學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)。仿真機(jī)的主要功能都是由教練員通過(guò)教練員工作站發(fā)出指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。教練員站功能軟件被集成在仿真支撐平臺(tái)軟件中，運(yùn)行于模型服務(wù)器上。

教練員功能用于控制整個(gè)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行，它主要包括以下項(xiàng)目：

（1）啟動(dòng)和停止

啟動(dòng)功能自動(dòng)裝入仿真程序，使系統(tǒng)進(jìn)入仿真機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。停止功能使教練員方便地停止仿真機(jī)的運(yùn)行。

（2）初始工況的選擇

教練員可方便地選擇所需的初始運(yùn)行工況，并使仿真機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)處于已選擇好的工況點(diǎn)。用戶可以自己設(shè)置任意多的初始工況。

（3）凍結(jié)與解凍

凍結(jié)功能允許教練員在仿真機(jī)運(yùn)行的任何時(shí)刻凍結(jié)，使之處于凍結(jié)狀態(tài)，凍結(jié)時(shí)刻存在的所有參數(shù)與狀態(tài)保持不變。解除凍結(jié)使系統(tǒng)重新進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

（4）工況存儲(chǔ)和調(diào)用

工況存儲(chǔ)和調(diào)用功能允許在仿真機(jī)運(yùn)行過(guò)程中隨時(shí)記錄當(dāng)前工況和調(diào)用任何一個(gè)已經(jīng)存儲(chǔ)的工況。

（5）監(jiān)視變量

在仿真機(jī)運(yùn)行中，教練員可以通過(guò)多種方式顯示模型中的任意變量，以監(jiān)視模型的運(yùn)行狀況。

（6）設(shè)置故障

允許教練員設(shè)置單個(gè)或成組故障。

（7）參數(shù)修改

允許教練員修改仿真機(jī)組的外部參數(shù)。

4.5　DCS工程師站

工程師站用于程序開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)診斷、控制系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)和畫(huà)面的編輯及修改、控制邏輯編譯和下裝。同時(shí)工程師能實(shí)現(xiàn)操作員所有的監(jiān)視和操作功能。

4.6　虛擬DPU軟件

虛擬DPU軟件完全實(shí)現(xiàn)真實(shí)DPU的計(jì)算與通訊功能，只需運(yùn)行在普通計(jì)算機(jī)上即可，不僅提高了仿真系統(tǒng)真實(shí)度和拓展了仿真系統(tǒng)功能，同時(shí)不需采用真實(shí)的DPU硬件，從而大大地降低了仿真機(jī)的使用與維護(hù)成本。正是由于采用了虛擬DPU技術(shù)，仿真系統(tǒng)才能夠使用真正的DCS軟件，才是真正意義上的虛擬DCS仿真機(jī)。

4.7　DCS/DEH操作員站功能

操作員站用于完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示、過(guò)程自動(dòng)控制、順序控制、高級(jí)控制、報(bào)警和日志檢測(cè)、監(jiān)視、操作，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)、顯示、打印等處理。對(duì)于虛擬DCS仿真機(jī)，采用真正的DCS操作員站軟件，其功能與真實(shí)DCS完全一樣，因此DCS的畫(huà)面顯示、操作界面以及用戶感受等都與現(xiàn)場(chǎng)完全一致。

操作員站的基本功能如下：

（1）監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)每一個(gè)模擬量和數(shù)字量及所有工藝流程，以列表的形式查看組成一組的點(diǎn)的信息；

（2）顯示并報(bào)警發(fā)聲，包括工藝報(bào)警、設(shè)備報(bào)警；

（3）顯示操作指導(dǎo)、操作記錄；

（4）建立趨勢(shì)畫(huà)面并獲得趨勢(shì)信息；

（5）打印報(bào)表；

（6）屏幕拷貝；

（7）自動(dòng)和手動(dòng)控制方式的選擇；

（8）調(diào)整過(guò)程設(shè)定值和偏置等；

（9）歷史數(shù)據(jù)查詢；

（10）查看日志信息。

4.8　就地操作站功能

就地操作站軟件采用了與DCS操作員站相同的軟件，其畫(huà)面顯示、操作界面以及用戶感受等都與DCS操作員站完全一致，使用戶更容易接受和習(xí)慣，同時(shí)也具備了DCS操作員站與就地操作員站之間任意切換的功能。

就地操作站功能軟件主要實(shí)現(xiàn)電廠中需到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行就地操作，以及實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)柜、勵(lì)磁柜，快切裝置柜、直流柜等虛擬盤(pán)臺(tái)上的操作。

5　應(yīng)用實(shí)例

5.1　項(xiàng)目背景

陜西某電廠2×600MW機(jī)組選用OTS作為仿真培訓(xùn)平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)位于陜西省榆林市。項(xiàng)目以其電廠#3機(jī)組為仿真對(duì)象，DCS采用改為：HOLLiASMACSV6系統(tǒng)，鍋爐是由上海鍋爐廠有限公司制造的亞臨界參數(shù)Ⅱ型汽包爐，汽輪機(jī)采用上海汽輪機(jī)有限公司設(shè)計(jì)制造的亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)采用上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司生產(chǎn)的QFSN-600-2型600MW汽輪發(fā)電機(jī)。仿真系統(tǒng)采用虛擬DPU技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，工藝模型與虛擬控制器通過(guò)OPC通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

5.2　項(xiàng)目仿真范圍及功能

整個(gè)仿真系統(tǒng)涵蓋了運(yùn)行操作人員啟停機(jī)需要操作的主要設(shè)備，以及從冷態(tài)到最大連續(xù)出力運(yùn)行的所有運(yùn)行方式，保證在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的連續(xù)性。仿真機(jī)還能仿真包括涉及故障、非正常操作事件和事故及相應(yīng)的瞬態(tài)過(guò)程。其功能如下：

（1）操作過(guò)程與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)操作方式一致，實(shí)現(xiàn)了在不影響正常生產(chǎn)運(yùn)行的前提下，提高了運(yùn)行操作人員的操作水平；仿真采用虛擬DPU方式，可同時(shí)對(duì)運(yùn)行人員、熱控人員進(jìn)行培訓(xùn)；

（2）DCS組態(tài)無(wú)需經(jīng)過(guò)任何修改，能被直接用于仿真機(jī)，縮短了調(diào)試周期；

（3）OTS仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)有故障點(diǎn)加載功能，培訓(xùn)教師可在正常運(yùn)行中隨時(shí)加入故障點(diǎn)，以達(dá)到提高運(yùn)行操作人員的事故處理能力；

（4）采用與現(xiàn)場(chǎng)一致的DCS組態(tài)邏輯，可以通過(guò)仿真平臺(tái)測(cè)試、優(yōu)化改造方案，試驗(yàn)成功后，再將修改后的組態(tài)導(dǎo)入到真實(shí)DCS軟件中，從而降低邏輯變更帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

5.3　應(yīng)用創(chuàng)新性

（1）先進(jìn)的虛擬DPU技術(shù)

• 實(shí)現(xiàn)DCS分散處理單元的仿真，模擬真實(shí)DPU的運(yùn)算過(guò)程；

• 與真實(shí)DCS軟件無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)DCS工程文件和仿真DCS工程文件相互導(dǎo)入；

• 模擬DCS主控、模塊、通道等儀控故障；

• 實(shí)現(xiàn)真實(shí)DCS仿真系統(tǒng)下的自由分組培訓(xùn)。

（2） 智能重演

• 歷史重演：回放現(xiàn)場(chǎng)DCS歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行事故分析；

• 數(shù)據(jù)重演：在仿真系統(tǒng)上還原事故操作過(guò)程，制定反事故規(guī)程；

• 操作重演：支持隨時(shí)暫停、回退進(jìn)行新操作，推演正確操作方式。

圖4 虛擬控制器

（3） DCS數(shù)字孿生

• 真實(shí)控制機(jī)柜1:1建模，實(shí)現(xiàn)電子間三維漫游；

• DCS模塊拆解、安裝與接線，實(shí)現(xiàn)自感知硬件設(shè)計(jì)與驗(yàn)證；

• 與真實(shí)控制器同步通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)；

• DCS故障診斷與演練，實(shí)現(xiàn)故障可視化。

圖5 三維電子間

6　結(jié)束語(yǔ)

由于目前火電廠自動(dòng)化程度大大提高，運(yùn)行人員操作機(jī)會(huì)相對(duì)減少，一旦發(fā)生故障和事故時(shí), 需要能夠進(jìn)行及時(shí)、正確的處理。在短暫的時(shí)間里，依據(jù)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn), 正確判斷出事故現(xiàn)象及故障原因, 進(jìn)行合理的操作與協(xié)調(diào), 排除事故現(xiàn)象, 保證機(jī)組安全運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高運(yùn)行人員對(duì)事故狀態(tài)的快速應(yīng)變及處理能力, 通過(guò)配置與單元機(jī)組完全一致的仿真系統(tǒng), 運(yùn)行人員可通過(guò)機(jī)組在各種工況下的啟動(dòng)、停止、正常運(yùn)行操作, 加深對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí), 提高準(zhǔn)確判斷、處理事故的能力, 并提高事故情況下操作的正確率。同時(shí)也為各種工況下運(yùn)行技術(shù)的分析和控制系統(tǒng)研究創(chuàng)造了實(shí)時(shí)和在線的環(huán)境, 應(yīng)用基于虛擬DCS的仿真系統(tǒng)可進(jìn)行發(fā)電機(jī)組運(yùn)行方式研究, 如機(jī)組啟、停、變工況等可能運(yùn)行方式的研究, 為提高機(jī)組運(yùn)行的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及確定相應(yīng)的規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年8月刊