基于B/S模式的火電廠虛擬仿真研究與開發(fā)

馬 進(jìn)，楊 建，郝寧寧，劉倩倩

（華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

為推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，提高智能化背景下高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平，教育部從2017年起開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作[1-2]。對于火電廠相關(guān)知識教學(xué)來說，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程存在設(shè)備成本高、消耗大、不可逆、安全隱患較大等缺陷[3]，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用局域網(wǎng)在計(jì)算機(jī)上模擬電廠實(shí)際運(yùn)行過程，操作安全高效，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的缺陷。因此開展火電機(jī)組的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)來讓學(xué)員進(jìn)行運(yùn)行操作是有必要的，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[4-5]。

在實(shí)際教學(xué)過程中，教學(xué)科目往往是理論和實(shí)踐的交互結(jié)合。通過構(gòu)建與真實(shí)電廠一致的虛擬電廠環(huán)境，可以幫助學(xué)員更好地理解火電廠的生產(chǎn)原理及工作流程。傳統(tǒng)的虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)都依托于相對固有的設(shè)施，需要在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行練習(xí)或者需要學(xué)生下載相應(yīng)的軟件、插件，未能開拓暢通的開放共享渠道，在一定程度上限制了資源的共享。文獻(xiàn)[6]中采用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真教學(xué)系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)習(xí)，增進(jìn)了學(xué)生對火電廠各環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，但是該系統(tǒng)僅服務(wù)于校內(nèi)，需要在特定的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行學(xué)習(xí)，受眾較為有限。文獻(xiàn)[7]中研發(fā)的宇龍機(jī)電控制仿真軟件，可以解決電氣部分的電路搭建，但是需要安裝軟件，并插入對應(yīng)的加密狗才能使用。2020年，全球爆發(fā)新冠病毒疫情，導(dǎo)致學(xué)生不能返校，員工不能復(fù)工，體現(xiàn)了傳統(tǒng)培訓(xùn)教學(xué)的局限性。此次開發(fā)的火電廠虛擬仿真教學(xué)軟件，基于B/S模式，采用HTML5、CSS和JavaScript進(jìn)行網(wǎng)頁設(shè)計(jì)，軟件仿真的火電廠鍋爐輔機(jī)啟動的動態(tài)過程，將功能實(shí)現(xiàn)的核心部分集中到瀏覽器上，用戶通過1臺聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)，即可使用瀏覽器進(jìn)行訪問學(xué)習(xí)。相對傳統(tǒng)模式而言，軟件對電腦的系統(tǒng)沒有要求，突破了傳統(tǒng)仿真機(jī)對時間和空間的限制，實(shí)現(xiàn)了資源共享。基于B/S模式開發(fā)的軟件，對后期系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)更加簡便。分別邀請具有專業(yè)經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)人員和相關(guān)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行測試，測試效果均良好。

1 鍋爐輔機(jī)啟動過程系統(tǒng)

1.1 鍋爐上水流程系統(tǒng)

水量通過給水泵進(jìn)行供給，流水通過3個全開全關(guān)閥門（fwv1、fwv2、fwv4）和1個調(diào)節(jié)閥門（fwv3）進(jìn)入到汽包，水量的大小通過調(diào)節(jié)閥門和給水泵少管的位置進(jìn)行控制，汽包中的水由爐水循環(huán)泵送到水冷壁中，當(dāng)水冷壁被汽包中的水注滿后，水冷壁中的水再流向汽包，從而形成水循環(huán)。鍋爐上水流程系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 鍋爐上水流程示意圖

1.2 風(fēng)煙系統(tǒng)

風(fēng)煙系統(tǒng)的設(shè)備主要包含送風(fēng)機(jī)A/B，引風(fēng)機(jī)A/B及空預(yù)器A/B（AHA，AHB）。其中送風(fēng)機(jī)的功能主要是增加氧量，引風(fēng)機(jī)的功能主要是維持爐膛壓力，通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)靜葉實(shí)現(xiàn)該功能。風(fēng)煙系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)煙系統(tǒng)示意圖

1.3 泵/風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

根據(jù)泵/風(fēng)機(jī)的上游壓力、下游壓力、轉(zhuǎn)速和導(dǎo)納來計(jì)算流量，泵/風(fēng)機(jī)的流量計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 泵/風(fēng)機(jī)的流量計(jì)算模型

根據(jù)相似定律，泵/風(fēng)機(jī)任意轉(zhuǎn)速N時的全壓PT滿足如下關(guān)系：

泵/風(fēng)機(jī)的流量計(jì)算如下：

式（1）（2）中：PT為泵/風(fēng)機(jī)的全壓；PT0為泵/風(fēng)機(jī)的最大揚(yáng)程；N為泵/風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；W為泵/風(fēng)機(jī)的流量；C為泵/風(fēng)機(jī)的導(dǎo)納；PS為泵/風(fēng)機(jī)的上游壓力；PD為泵/風(fēng)機(jī)的下游壓力。

2 基于B/S模式的操作軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

基于B/S模式的操作軟件模擬了某火電機(jī)組仿真機(jī)DCS界面的操作和顯示過程。軟件使用HTML5、CSS3和JavaScript進(jìn)行界面開發(fā)。整體畫面使用HTML5構(gòu)建，用CSS3進(jìn)行畫面渲染，采用JavaScript建立數(shù)學(xué)模型，模型代碼嵌入在網(wǎng)頁中。網(wǎng)頁能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)擊操作、設(shè)備狀態(tài)反饋、數(shù)據(jù)輸入及數(shù)值反饋等功能，達(dá)到動態(tài)操作的效果。

2.1 界面開發(fā)遵循的基本原則

界面開發(fā)要遵循一致性、完整性和易操作性3個原則，具體如下。

一致性：虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目軟件，基于原仿真機(jī)組通過B/S模型運(yùn)用到網(wǎng)頁端，其中操作畫面、操作步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，都應(yīng)與原仿真機(jī)組保持一致。

完整性：虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目軟件，包含火電廠中鍋爐輔機(jī)啟動的全部操作內(nèi)容，用戶在學(xué)習(xí)使用的過程中，可以全面了解到相關(guān)設(shè)備的特性及參數(shù)變化。

易操作性：使用軟件的學(xué)員，往往沒有豐富的相關(guān)知識儲備，軟件中的設(shè)備要易于操作，查看資料快捷、簡單。

2.2 利用JavaScript實(shí)現(xiàn)操作動態(tài)效果

閥門開關(guān)的動態(tài)過程：軟件的模型1 s更新一次，JavaScript利用document.getElementById（"閥門開度對應(yīng)的ID"）.innerHTML語句，獲取閥門開度的輸入值，閥門開度調(diào)節(jié)是從0～1的動態(tài)過程，設(shè)置閥門開度1 s變化0.1，調(diào)節(jié)閥門開度直至等于輸入的閥門開度時停止，將每秒鐘閥門開度變化的數(shù)值實(shí)時傳回網(wǎng)頁顯示界面，用戶便可以觀察到閥門調(diào)節(jié)的動態(tài)過程。

閥門開度數(shù)值的輸入處理：網(wǎng)頁端輸入數(shù)字，可能因?yàn)檎`操作輸入一些特殊符號，例如空格、逗號等。這樣的數(shù)據(jù)傳到后臺中，JavaScript編寫的數(shù)學(xué)模型就無法直接計(jì)算。程序?qū)?shù)值的誤操作處理，采用的是JavaScript中字符串替換函數(shù)replace（/s*/g，""），函數(shù)可將輸入的特殊符號直接剔除，通過字符串替換函數(shù)的使用，有效處理掉帶有符號的錯誤數(shù)據(jù)，同時，程序通過設(shè)置數(shù)值上限和下限，將數(shù)值控制在0～100之間，保證了數(shù)據(jù)的有效性。

3 操作評分模塊

操作評分模塊集成小型在線考試系統(tǒng)，根據(jù)操作規(guī)范進(jìn)行評分，并且能夠?qū)W(xué)生的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括仿真操作成績、操作時間等信息。評分過程示意圖如圖4所示。

圖4 評分過程示意圖

設(shè)備操作的評分過程。程序主要設(shè)立名稱、設(shè)備編號、開關(guān)狀態(tài)、分值4部分內(nèi)容。程序通過讀取設(shè)備編號，找到后臺中對應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)數(shù)值，與程序設(shè)定的開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)數(shù)值進(jìn)行比較，若兩數(shù)值相等，程序返回設(shè)定的分值數(shù)值，否則計(jì)零分。

儀表數(shù)據(jù)的評分過程。程序增加數(shù)據(jù)上限和數(shù)據(jù)下限2部分內(nèi)容，與設(shè)備評分不同的是，儀表評分過程，只要儀表數(shù)據(jù)在正確范圍內(nèi)即可給分。程序通過儀表ID讀取儀表數(shù)據(jù)后，利用if語句進(jìn)行數(shù)值判斷，若數(shù)值在設(shè)定范圍內(nèi)即給對應(yīng)分值。

4 操作指導(dǎo)模塊

結(jié)合火電廠運(yùn)行培訓(xùn)教材，制作火電廠操作指導(dǎo)模塊，方便學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)和自學(xué)。在操作指導(dǎo)模塊中主要包含2部分內(nèi)容：運(yùn)行規(guī)程模塊和設(shè)備與系統(tǒng)模塊。

運(yùn)行規(guī)程模塊介紹了火電廠運(yùn)行中的操作步驟，主要有機(jī)組啟動、停機(jī)、輔機(jī)設(shè)備啟停與操作、機(jī)組的試驗(yàn)、連鎖與保護(hù)、機(jī)組事故與故障處理等幾個方面內(nèi)容。本軟件在運(yùn)行規(guī)程中鏈接了大量的操作演示，操作演示是在本軟件的界面上，用專業(yè)的錄屏軟件，進(jìn)行相關(guān)操作過程的錄制講解，在操作文檔對應(yīng)的步驟后，鏈接相關(guān)視頻。操作演示的視頻指導(dǎo)，大大降低了學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的難度，同時也大大減少了教師資源的配置。

設(shè)備與系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)主要目的是讓用戶熟悉火電廠的設(shè)備，包含鍋爐設(shè)備及系統(tǒng)、汽輪機(jī)設(shè)備及系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)4個方面內(nèi)容，分別對鍋爐、汽輪機(jī)、電氣以及控制進(jìn)行了詳細(xì)介紹，例如，對鍋爐的介紹包含鍋爐的整體布局、鍋爐的基本特性、鍋爐主要部件性能及參數(shù)、燃燒特性等。用戶在學(xué)習(xí)仿真操作的同時，對火電廠中的設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的了解，這樣能更深層次地培訓(xùn)火電廠中的儲備人才。

5 結(jié)論

軟件針對鍋爐輔機(jī)啟動的階段性操作進(jìn)行開發(fā)，采用HTML5和JavaScript語言建立的B/S模式的網(wǎng)頁操作界面，采用機(jī)理數(shù)學(xué)模型仿真鍋爐輔機(jī)啟動的動態(tài)過程，設(shè)置操作指導(dǎo)模塊和操作評分模塊。經(jīng)過測試，滿足遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的需要。虛擬仿真教學(xué)軟件擺脫了時間和空間的限制，只要利用一臺聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)登錄網(wǎng)站即可使用。它通過瀏覽器進(jìn)行登錄，不需要下載任何插件，使用簡單方便。軟件鏈接到實(shí)驗(yàn)空間對外開放，這種開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，推進(jìn)了現(xiàn)代信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的深度融合，有助于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)，拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的范圍。