新華DCS仿真教學技術研究與實踐

許紅兵　王亞青　閆蕾

摘 要

介紹了完全基于DCS自帶的虛擬DPU根據實驗室硬件自主設計DCS仿真教學系統的方法，設計的虛擬DCS仿真教學系統可在每臺計算機上實現，大大增加了學生的動手機會，并節約大量建設經費。

【關鍵詞】DCS 虛擬DPU 仿真 教學系統

1 引言

DCS在電廠中得到廣泛的應用，在為數眾多的工業企業中也得到大量的應用，是目前極為重要的控制方式，因此相關院校都很重視DCS教學。目前大多數院校采用的是購置真實DCS硬件系統的方式開展教學，少數院校采用購置DCS仿真教學系統開展教學。但是無論是購置DCS硬件系統還是購置DCS仿真教學系統費用都較高，各院校一般只配備少數幾套。在教學中，由于設備少，學生只能一組、一組的練習，大大影響了教學效果，不利于教學工作的開展。

在本文中，提出了基于虛擬DPU根據實驗室硬件自主設計DCS仿真教學系統的方法，設計的虛擬DCS系統可在每臺計算機上實現，大大增加了學生的動手機會，并節約大量建設經費。

2 常見DCS仿真教學系統的實現

目前，DCS仿真教學系統主要有兩種：全激勵式仿真系統和基于虛擬DCS的激勵式仿真系統。

1.1 全激勵式仿真系統

如圖1所示，全激勵式仿真系統保留分散控制系統的軟硬件，對象用仿真模型實現，仿真支撐系統模型運行在模型計算機上。在全激勵式仿真系統中，DCS部分與現場完全一樣，學生可在全激勵仿真系統上進行邏輯的組態、邏輯的修改，系統的運行、系統的調試等，學生可以得到在現場工作一樣的真實訓練效果。但該方案DCS硬件費用較高，因此采用的學校較少。

1.2 基于虛擬DCS的激勵式仿真系統

基于虛擬DCS的激勵式仿真系統采用虛擬DPU取代真實DPU硬件設備，虛擬DPU在非DCS的計算機上實現，實際分散控制單元中的DPU 功能移植到虛擬 DPU 軟件上。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。圖2是實際DCS系統與基于虛擬DCS的激勵式仿真機系統的比較。

在基于虛擬DCS的激勵式仿真系統上，可以完成除硬件維護外的所有邏輯組態、系統的運行、系統調試等教學工作。

基于虛擬DCS的激勵式仿真系統需要專門的仿真支撐系統平臺運行仿真對象模型，并完成和虛擬DPU通信與數據交換。因此，基于虛擬DCS的激勵式仿真系統一般價格也較貴，實訓室一般只購買幾套，學生動手機會還是相對比較少。

3 完全基于虛擬DPU的DCS仿真教學系統的開發

完全基于虛擬DPU的DCS仿真教學系統可采用如圖3所示方式進行開發。在此方式中采用多個虛擬DPU，部分虛擬DPU仿真DPU運算站；部分虛擬DPU作為仿真對象運行平臺，支撐仿真對象的運行計算。

在學校的DCS實訓室中一般建設有真實DCS硬件控制系統和真實的過程對象（例包含水箱、加熱器等的過程對象），但一般只建設少數幾套，學生難以得到充分訓練。在虛擬DPU中運行的仿真對象數學模型需用DCS軟件組態，用其組態大型火力發電廠對象比較困難，但用其組態搭建實驗室對象數學模型則不是很困難的事，而且教師一般也有能力完成實驗室對象數學模型的建立和組態。通過建立如圖3所示的仿真系統，則學生可以完成除硬件維護以外的所有DCS組態、下裝、運行、調試等。建立的仿真系統可以安裝到每一臺計算機上，大大提高學生動手練習的機會。

4 新華DCS完全基于虛擬DPU的DCS仿真教學系統的實現方法

4.1 總體設計

新華DCS自帶虛擬DPU功能，借助其虛擬DPU功能，建立二個虛擬DPU。用一個虛擬DPU仿真取代真實DPU控制柜硬件設備。在另一個虛擬DPU中運行過程控制對象仿真數學模型。仿真對象和虛擬DPU柜通過通信聯系。

4.2 建立虛擬網絡環境

通過操作系統添加硬件向導，添加虛擬網卡Microsoft Loopback Adapter建立虛擬網絡通信環境。或制作自環網頭插在計算機網口，實現虛擬網絡通信。

設置兩個虛擬DPU的Vdpu.cfg文件，將節點號NODE設為不同值（例1和2），虛擬DPU1仿真真實DPU，虛擬DPU2運行仿真對象數學模型。xnet.ini文件的設置與真實DCS一致。

4.3 輸入輸出卡件的仿真

模擬量輸入卡件采用模擬量下網功能塊XNETAI功能塊仿真、模擬量輸出卡件采用模擬量上網功能塊XNETAO功能塊仿真、開關量輸入卡件采用開關量下網功能塊XNETDI功能塊仿真、開關量輸出卡件采用開關量上網功能塊XNETDO功能塊仿真等，并設置相關參數。例XNETAO模塊參數設置如圖4所示。

4.4 過程對象的仿真

通過對象特性試驗測試實驗室過程對象特性，研究其數學模型。將過程對象數學模型采用DCS功能塊組態，并下裝到模型運算虛擬DPU2中。

4.5 控制設計組態

控制系統數據庫組態、邏輯組態、畫面組態、動畫連接等除輸入輸出采用仿真輸入輸出外，其余完全與真實DCS組態一致。

控制邏輯組態下裝到仿真真實DPU的虛擬DPU1中。

4.6 DPU運算站與仿真對象運算站之間的通信

DPU運算站與仿真對象運算站之間的通信通過上網功能塊和下網功能塊通信。

5 我校新華DCS仿真教學的實踐

我院自動化專業DCS實訓室建設了一套含有新華DCS控制柜和高級過程控制對象的真實DCS硬件系統，高級過程對象包含水箱、加熱鍋爐、恒壓泵、變頻泵等。我們按照圖3所示方法基于新華DCS的虛擬DPU設計了和實驗室真實硬件對象特性基本相同的仿真對象和虛擬DPU控制柜，并將仿真系統安裝在每一臺計算機上。教學中，學生首先在虛擬DCS仿真系統上進行數據庫、畫面、控制邏輯等等的組態，組態可下載到操作員站和虛擬DPU中，并可在虛擬DCS仿真系統中進行系統的運行、調試和投參數等。在虛擬DCS仿真系統上完成控制系統的設計、調試后，只需將組態中的輸入、輸出接口根據實驗室中真實DCS硬件的接口做相應修改（其余組態均不需改變），將組態下載到真實DCS中，即可實現對實驗室真實DCS硬件過程控制系統的控制。此種方式，學生可在虛擬DCS仿真系統上得到充分訓練，經過多年實踐取得了較好的教學效果。同時基于此系統我們還設計了水箱液位串級控制、鍋爐內膽水溫與循環水流量串級控制等22項實驗，供過程控制系統課進行實驗教學。

6 結束語

完全基于虛擬DPU設計仿真系統，由于不需購買專門的仿真支撐系統平臺，可大大節省建設經費。該仿真系統設計方法特別適合于建設與實驗室控制對象和控制系統完全一致的小型仿真系統，設計的仿真系統可安裝到每一臺計算機上，使學生得到充分的訓練。

參考文獻

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作者簡介

許紅兵（1968-），男，河北省易縣人。現為保定電力職業技術學院自動化教研室主任、教授，主要從事單片機、復雜系統建模與仿真、分散控制系統與現場總線控制系統研究。

作者單位

保定電力職業技術學院動力工程系 河北省保定市 071051