基于聯合循環機組的虛擬DCS仿真系統方案介紹

凌海

【摘 要】針對目前電廠的發展趨勢，文章明確了建立高逼真度仿真系統的必要性，對實現仿真系統的三種方式進行了說明，并以某電廠新建9F級燃氣蒸汽聯合循環機組為例，對虛擬DCS仿真系統的軟硬件配置方案和功能作了介紹。

【關鍵詞】虛擬DCS；仿真；聯合循環機組；方案

中圖分類號： TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0088-002

【Abstract】In view of the current development trend of power plants，the necessity of establishing a high-fidelity simulation system is clarified and three ways of realizing the simulation system are described.Taking a new 9F-class gas-steam combined cycle unit of a power plant as an example，The software and hardware configuration scheme and function of virtual DCS simulation system are introduced.

【Key words】Virtual DCS；Simulation；Combined cycle unit；Program

0 前言

目前，高參數，大容量已經成為新建機組的發展趨勢，機組運行的安全性，可靠性和經濟性主要取決于運行控制水平的高低，以及運行人員操作的熟練程度和事故的處理能力。相比于常規燃煤機組，燃氣蒸汽聯合循環機組具有設備較少，系統相對簡單，啟停頻繁等特點，多被用于調峰調頻；加之，燃機電廠的定員一般都較少，這對機組自動化以及運行人員的操作水平都提出了較高要求。為使運行人員得到有效的運行操作培訓，培養出全能值班員，設置全范圍，高逼真度仿真系統的必要性顯得越來越重要。

本文基于廣東某電廠“一拖一”9F級燃氣蒸汽聯合循環機組，對虛擬DCS仿真系統的實施方案進行探討。

1 仿真系統的技術路線

目前電廠的仿真系統，主要有以下3種實現方式：激勵DCS（Stimulation DCS），虛擬DCS（Virtual DCS），仿真DCS（Simulation DCS）。

激勵DCS采用與實際DCS控制系統1：1的軟硬件配置和網絡系統架構，是軟硬件逼真度最高，實現成本也最高的一種仿真方式。

仿真DCS也被稱為翻譯式仿真，根據DCS組態圖等相關資料，采用翻譯算法完成控制系統內部的全部運算邏輯和控制功能，達到與仿真對象一致的效果。這種方式實現成本較低，但軟件逼真度和可信度相對不高，且很難跟隨現場控制系統組態的改動做出及時的修改。

虛擬DCS兼顧了以上二者的優缺點，采用DCS廠家專用的軟件仿真系統在計算機上模擬DCS控制器的工作過程，通過直接下載DCS組態文件的方式，實現DCS平臺的虛擬化轉移和再現。虛擬DCS仿真系統使用與DCS相同的算法、模塊、時間片、位號等，開發周期短，逼真度高，既可以實現運行人員的仿真培訓，還可滿足熱工人員進行機組性能實驗的需求。

2 虛擬DCS仿真系統方案簡介

本工程燃機控制系統隨燃機配供，采用三菱DIASYS系統，除燃機以外的其他系統和設備采用ABB Symphony Plus最新的DCS系統進行控制。DCS系統仿真采用ABB公司正版授權的Harmony電站仿真系統（HTS），出于成本的考慮，燃機控制系統采用“翻譯”式仿真實現。

2.1 硬件方案

整個仿真系統包括主計算機、教練員站、工程師站、操作員站、就地操作站、網絡交換機、UPS不間斷電源、投影儀和幕布，以及多媒體音箱等。

2.1.1 服務器主機（HTS MAMAGER）

服務器主機用于仿真模型，仿真接口和通訊網絡的運行，以及數據庫管理和模型數據的分析計算，協調Harmony培訓仿真系統全部的運轉。

2.1.2 教練員站

教練員站主要用于教練員完成對仿真系統的各種操作和設置，如啟動/停止、運行/凍結、速度選擇（正常、快、慢），初始狀態選擇及開關位置檢查、回退、重演、事故插入、外部參數修改、報警等各種功能。教練員可以通過教練員站對受訓者的能力進行監視。

2.1.3 工程師站

工程師站用于開發機組模型、系統診斷、仿真系統組態、數據庫和畫面的編輯及修改?？煽刂品抡嫦到y操作和監視受訓人員在操作員站操作。

2.1.4 操作員站

操作員站主要用于運行人員的培訓，培訓運行人員對機組的運行工況進行監視和控制。其功能和畫面與實際DCS操作員站的功能和畫面高度相同。

2.1.5 就地操作站

就地操作站是對鍋爐、汽機和電氣等機組啟、?；蚴鹿侍幚磉^程中必要的就地操作設備的仿真，是對只能在現場進行，不能在集控室中進行的操作仿真。

2.2 軟件方案

2.2.1 虛擬控制器VPCU：

VPCU是仿真系統的核心，負責模擬真實的控制器，執行與控制器完全相同的控制邏輯。將現場控制系統的文件拷貝到指定的仿真子目錄下，就可以在仿真系統軟件里面監控調整控制邏輯；如在仿真系統軟件里修改了邏輯，僅需要編譯和下裝到VPCU里即可使用。VPCU大幅降低了硬件成本，而且也省去了以往翻譯控制邏輯的大量工作。VPCU運行在WINDOWS環境下，最多可以支持40個虛擬控制器同時運行。

2.2.2 虛擬接口VICI：

在實際的控制系統中，操作員站是用標準的接口單元（CIU、ICI或HCC）與控制網絡相連。在虛擬的仿真系統中，整個DCS通訊系統也都被仿真出來。VPCU與操作員站之間的通信，同真實的系統通信完全一致。所有的例外報告、操作指令、報警管理和調試功能都被VICI處理。VICI與操作員站之間采用串口通訊或者基于以太網的串口通訊（Serial over Ethernet）來實現。

2.3 系統架構

如圖2所示，服務器主機通過監控仿真狀態、接收到啟動指令請求后對每個單獨的VPCU初始化啟動指令，自動地管理仿真網絡。服務器主機在VPCU、VICI及OPC服務器之間建立通訊。它既管理著在OPC服務和VPCU之間通過DCOM通訊數據交接，也管理著使用標準OPC協議進行的OPC服務器與客戶端之間的數據交換。此外，服務器主機處理教練員站的指令，并把它們傳遞到所有需要的VPCU，協調運行時間速率和數據交接速率，并為特定目錄下的存儲和恢復來組織數據。

此外，仿真系統與SIS系統設有通訊接口，可記錄從機組獲取的運行參數，并根據機組的歷史運行參數和狀態優化仿真系統模型。

3 結語

虛擬DCS技術在仿真系統中的應用，不僅極大地提高了仿真系統的逼真度，增強了電廠運行人員的培訓效果，也為熱工人員進行機組相關的故障診斷、性能預測、控制策略優化等研究和測試提供了良好的平臺，從而為機組日后的安全、可靠、經濟運行打下了堅實的基礎。

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