淺談電廠仿真系統

胡天濡

[摘要]DCS的應用也越來越廣泛,企業對DCS提出許多新的要求,為此世界各國DCS廠商紛紛加強開發研究DCS系統的技術水平。仿真中所謂虛擬DPU,是指將實際DCS的組態數據直接輸入至仿真機,使其能直接模擬實際DPU的計算行為,虛擬DPU的實現依賴于3個子系統的實現:即實際DCS的控制算法模塊、實際DCS組態數據的識別和編譯、實際DCS操作員端軟件的通訊和翻譯。

[關鍵詞]電廠仿真DCS系統虛擬DUP

中圖分類號:TM6文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1110053-01

電廠仿真系統提高操作人員的正常操作水平。正常操作包括:冷態、溫態、熱態到滿負荷的啟動操作;停機到熱備用或冷態的停機操作;其他指定的工況啟、停、或升、降負荷的操作;運行人員對設備或系統進行可靠性試驗及聯鎖保護試驗;任意工況的穩定運行。對電廠運行人員(新)沒有接觸過新機組的運行,對新機組的特性、事故處理及如何調整運行參數,使機組處于最佳運行狀態,減少由于運行人員人為操作錯誤引起的事故發生或事故擴大,保證電廠的安全運行,培訓高素質的電廠運行人員。提高操作人員的事故處理水平。仿真機能模擬電廠實時運行中各種異常現象和故障情況,并將有正確的反映結果和保護動作。對于各種故障和事故,學員可在操作員站上進行操作處理。

一、電廠仿真中的DCS系統

(一)DCS系統組成

DCS系統包括三站一線:工程師站、操作員站、現場控制站、系統網絡。

1.工程師站。對DCS進行進行離線的配置、組態工作和在線的系統監督、控制、維護的網絡接點。主要功能:提供對DCS進行組態,配置工作的工具軟件,并在DCS在線運行時實時地監視DCS網絡上各個節點的運行情況,使系統工程師可以通過工程師站及時調整系統配置及一些系統參數的設定,使DCS隨時處在最佳的工作狀態之下。

2.操作員站。處理一切與運行操作有關的人機界面(OI,Operator Interface或MMI,Man Machine Interface)功能的網絡節點。主要功能:為系統的運行操作人員提供人機界面,使操作員可以通過操作員站及時了解現場運行狀態、各種運行參數的當前值、是否有異常情況發生等,并可通過輸入設備對工藝過程進行控制和調節,以保證生產過程的安全、可靠、高效、高質。

3.現場控制站。現場控制站是DCS的核心。對現場I/O處理并實現直接數字控制(DDC)功能的網絡節點。系統主要的控制功能由它來完成。系統的性能、可靠性等重要指標也都要依靠現場控制站保證。其設計、生產及安裝都有很高的要求。分散控制系統中的主要任務執行者。

現場控制站組成:

現場控制站的硬件一般都采用專門的工業級計算機系統。

主要包括兩部分:一部分是運算器(即主CPU)、存儲器等組成的計算機單元,稱之為邏輯部分或主控制器;另一部分是現場測量單元、執行單元的輸入輸出設備,即過程量I/O或現場I/O,稱為過程通道。

4.系統網絡。系統網絡是連接系統各個站的橋梁。由于DCS是由各種不同功能的站組成的,這些站之間必須實現有效的數據傳輸,以實現系統總體的功能。系統網絡的實時性、可靠性和數據通信能力關系到整個系統的性能,特別是網絡的通信規約,關系到網絡通信的效率和系統功能的實現。

(二)DCS得以實現的技術關鍵

主計算機:用于仿真機網絡、數據庫管理與模型數據運行,是整個仿真機的核心。

網絡系統:使用100M以太網,通訊協議為TCP/IP。

DCS操作員站:用于電廠集控室操作。

就地操作站:用于模擬電廠集控室外爐、機、電的閥門、泵、開關等操作。

工程師站:用于仿真機的維護與開發。

大屏幕:用于投影顯示DCS、盤臺、就地操作畫面或火焰等內容。

教練員站:教練員站的功能包括:

項目控制,可以運行/凍結仿真項目,并能夠回退和加速、減速。

工況管理,可以設置、保存、刪除、運行/凍結工況。

故障管理,可以打開、保存、設置、清除、刪除故障。

任務管理,可以裝載任務,并能夠啟動/暫停/停止任務。

操作一覽,可以執行各種查詢和命令,能夠查看學員的各種操作記錄,并能夠對指定時間的操作進行重演。

二、DCS的發展

隨著信息技術的發展,DCS的應用也越來越廣泛,企業對DCS提出了許多新的要求,為此世界各國DCS廠商紛紛加強開發研究DCS系統的技術水平。近期,Foxboro公司的I/A Series系統。ABB公司的Industrial IT系統、Honeywell公司最新推出的Experion PKS(過程知識系統)、Siemens公司的PCS7系統、Emerson公司的PlantWeb(Emerson Process Management)這標志著新一代DCS已經形成,也就是第四代DCS。

三、先進的虛擬DPU技術在電廠仿真中的應用

仿真中所謂虛擬DPU,是指將實際DCS的組態數據直接輸入至仿真機,使其能直接模擬實際DPU的計算行為,虛擬DPU的實現依賴于3個子系統的實現:即實際DCS的控制算法模塊、實際DCS組態數據的識別和編譯、實際DCS操作員端軟件的通訊和翻譯。

虛擬DPU方式將仿真機的開發與電廠DCS系統真正結合起來,成為仿真機的發展方向。虛擬DPU是與實際DPU完全一樣,在完全不需要DCS硬件的基礎上,采用與實際DCS相同的邏輯組態和畫面組態程序,在PC機環境下就可以仿真運行實際DCS的所有功能。和實際的DPU一樣,虛擬DPU可裝載和運行控制邏輯。在仿真機中使用虛擬DPU,在完全實現控制系統的仿真的同時,可將DCS操作員站、工程師站與仿真機連接,構成和現場DCS非常相似的仿真系統,大大提高了培訓操作人員的效果。熱控工程師修改控制策略后,可先裝載到虛擬DPU中,在仿真機上試運行驗證效果,以避免可能存在的安全問題。基于虛擬DPU的仿真機總體架構基于虛擬DPU的電廠仿真機由熱力模型、電氣模型、虛擬DPU、操作員站、工程師站、教練員站和圖形建模工具組成,所有模塊運行在AnySimu仿真支撐平臺上,通過API、COM、TCP/IP組播方式進行通信。

四、小結

從傳統的工藝設備制造商到過程控制系統的供應商是一個飛躍。從ABB、西屋、三菱重工、西門子、GE、阿爾斯通、日立等跨國企業的成長歷程可以看出,它們本身都是集電站設備制造、控制系統制造、集成于一身的大型綜合性企業集團。這些集團的電站控制系統都是用于增強其工程實施能力和產品附加值的有力保證,很多企業都將成功控制對手的工藝設備看作企業的一種綜合實力的體現。另外很重要的一點,能夠獨立進行控制系統配套對于這些企業還兼具著保護工藝系統知識產權的重任。

因此,像上海電氣這樣的國內綜合性企業集團應當發展和擁有自己獨立的控制系統,不僅使得在承接國際、國內的電站工程總承包方面更具競爭力,綜合工程能力得到提升,還可以為用戶提供運行品質更優良、系統特點更突出的電站成套設備。