发电厂

Design and Development of Simulation System Based on Virtual DCS

程祥武1，李成银1，赵登科1，王自岭2
（1.上海大屯能源股份有限公司，江苏 徐州 221611；2.山东电力研究院，山东 济南 250002）

摘要：根据虚拟DCS原理与技术，设计并开发了一套基于虚拟DCS的火电机组仿真系统，应用于火电厂运行与控制人员的培训。
关键词：虚拟DCS；火电机组；仿真系统
Abstract：By the principle and technology of virtual DCS, a simulation system based on virtual DCS was designed and developed, which was used for training operator and control engineer in fossil power plant.
Key words：Virtual DCS, Fossil Power Unit, Simulation System

1 引言
单元机组采用DCS后，火电厂直接面对的一个问题就是如何有效地对运行人员进行培训，如何使运行人员、热工控制人员对整个DCS有一个系统的了解，这个问题不仅影响到电厂的安全和经济运行，而且关系到能否充分发挥DCS的作用与功能。然而，当DCS系统投入后，为了保证运行可靠和安全，不允许对实际DCS进行频繁的试验性操作，因此，基于实际DCS的培训是不现实的，虚拟DCS技术则应运而生。
虚拟DCS就是将真实DCS系统以软件的形式予以再现，从而实现控制系统的激励模式仿真。因此基于虚拟DCS的火电机组仿真机不仅可以用来培训集控运行人员，也可以用于热控人员的培训。大屯电厂的仿真机正是以LN2000控制系统为基础建立的虚拟DCS型激励式全范围仿真机。
2 原理分析
基于虚拟DCS的火电机组仿真机主要由仿真支撑平台、虚拟DCS、及其之间的数据接口组成。
传统仿真机一般存在于一个支撑平台上，以现场的实际设备或者过程为原型，构建仿真模型。单元火电机组的仿真对象主要包括锅炉、汽机、电气、热控等专业的设备与过程。由于虚拟DCS实现了控制系统的仿真，因此仿真支撑平台可以不再包含热控仿真模型。
虚拟DCS的构成与实际DCS一样，主要是由分散处理单元（DPU）和人机界面（HMI）构成。虚拟DPU是虚拟DCS的核心。是指将实际分散控制单元中的DPU功能移植到虚拟DPU软件上，使DPU功能脱离实际硬件而实现的。这样整个虚拟DCS系统就可以脱离数据采集及数据运算硬件设备而工作。人机界面在虚拟DCS中主要有真实HMI和仿真HMI两种表现形式。
在实现虚拟DCS的前提下，建立虚拟DCS与仿真模型的通信接口，由仿真系统构成的仿真对象经过运算之后，各模型的状态数据通过通信网络传递给虚拟DCS。虚拟DPU接受仿真系统的数据驱动后，将运算结果传递给HMI显示，同时传递给仿真模型，复现实际DCS中的数据控制运算功能。

图1为实际过程、虚拟DCS仿真模式、传统仿真模式的逻辑结构比较。

从图中可以看出，与传统的仿真相比，虚拟DCS仿真更能够复现实际机组的DCS系统，并与实际系统的逻辑结构相同，没有传统仿真中逻辑关系上的混乱与逻辑环节的缺失。传统仿真将控制算法与模型连接在一起，只是实现了DCS 外观功能的仿真，对于工程师站的组态仿真则无能为力，仿真培训对象只能局限于运行人员，缺乏对热控人员的培训功能。
3 结构设计
仿真机的硬件包括一台模型服务器（LN服务器）、一台虚拟DPU服务器（VDPU服务器）、一台虚拟DCS的工程师站、若干台操作员站等主要设备，以及交换机、网线、投影仪、打印机等附属设备。
与传统的仿真机相比较，在设备项目上主要增加了一台虚拟DPU服务器。通过虚拟DPU主要实现控制逻辑的仿真，并将逻辑运算的结果发送给操作员站和模型服务器。因此在数据流程上与传统仿真机也不再相同，更加贴近真实系统。模型服务器不再直接与操作员站交换数据，而是通过数据接口与虚拟DCS系统交换数据。
LN模型服务器主要用来运行仿真支撑平台和仿真模型。LN仿真支撑平台提供仿真模型的运行环境，实现仿真模型模块间的同步、控制以及数据接口，管理仿真系统数据，并提供仿真模型的建立、修改和调试的功能。仿真模型由多个模块组成，实现对被仿真对象实际模型的仿真，火电机组的仿真模型包括由锅炉、汽机和电气等模型构件。
VDPU服务器主要用来运行虚拟DPU程序，利用多线程技术，建立多个虚拟DPU，实现DPU和控制逻辑运算的仿真。而数据库的配置、SAMA图的组态、操作员界面的组态等功能则由虚拟DCS的工程师站来实现。
操作员站主要用来模拟人机交互界面，采用真实的HMI可以获得与现场完全一致的仿真效果，但软件的成本往往过高。利用第三方软件重新组态的HMI，可以获得高逼真度的仿真界面，对于大多数仿真机来讲是一种非常实用的技术方案。
网络设备主要用来进行数据的传输与交换，一是VDPU服务器与操作员站之间的数据传输，二是VDPU服务器与LN服务器之间的数据传输。在虚拟DCS系统中，虚拟DPU和操作员HMI采用统一的数据库，在VDPU服务器中进行配置。而仿真模型数据库与虚拟DCS系统数据库一般并不相同，二者之间的数据传输需要进行特殊的配置。
投影仪主要用来模拟集控室内的盘台，通过软件来实现盘台的仿真，避免了硬件盘台的资金和维护困难。同时它可以连接到任意一台操作员站上，方便教学。
4 开发过程
4.1 虚拟DCS的开发
虚拟DCS技术是整个项目的关键，整套虚拟DCS由LN控制系统改造而成，主要是虚拟DPU的实现。试验应用表明，一台性能较好的服务器即可完成一台火电单元机组所有DPU的运算量。根据仿真机的标准和培训需求，虚拟DCS必须实现与仿真模型同步的培训功能，如初始条件的加载、模型运算的冻结与解冻、临时状态的快照、回退和重演功能，而这些是真实的DCS系统所不具备的。
由于大屯电厂的控制系统并不是LN系列产品，不能将现场实际的DCS工程文件直接拷贝使用，必须在新的虚拟DCS内重新组态。组态的内容包括DPU内运算的SAMA图和操作员站人机界面。虚拟DCS包括90多种控制算法模块，涵盖输入输出、数学运算、逻辑功能、控制功能、信号源、选择功能、时间功能、线性对象、非线性对象等常见类型，能够完成不同DCS系统SAMA图的重新组态仿真。为了能够仿真不同DCS系统的人机界面，对虚拟DCS的HMI组态工具进行了改造，扩充了图形控件。
为了使仿真系统尽可能的简单以便于使用与维护，虚拟DCS的仿真内容除了现场DCS系统，还包括FSSS、DEH系统等独立于DCS之外的控制系统和就地操作的仿真，因此必须增加虚拟DPU的数量，HMI也同样增加。
4.2 仿真模型的开发
设备的仿真模型是仿真系统的核心，算法模块是仿真精度的基础。所有的算法采用C语言开发，算法模块是模型的最小单元。一个（或一组）模块用于模拟一个仿真对象实体，模块间的连接关系体现了仿真对象中各实体间的关系。仿真模型构件可以由一个或多个模块组成，反映一定抽象层次上的实际系统部件的特性。根据仿真范围，单元火电机组的仿真型由锅炉模型构件、汽机模型构件、电气模型构件。而控制模型构件的功能由虚拟DCS支撑平台实现。
工质的流动计算是热物理计算的基础，由专门流体网络程序进行模拟，保证了仿真精度和速度。电网络计算也采用了同样的方法。
仿真的变速功能一般应用在大容量系统，如汽包上水、汽轮机暖缸等，由于并不涉及控制系统，实现方法与传统仿真机相同。
4.3 仿真系统的联调
虚拟DCS数据库为实际运行系统的组态数据库，主要包括AI，AO，DI，DO数据类型，在实际DCS中对应现场的测点与执行机构，其构成、组态由控制工程设计人员完成。仿真模型数据库依据现场的实际设备及工艺流程，由仿真机建模人员使用仿真支撑系统设计完成。
在虚拟DCS和仿真模型开发完成以后，就可以将二者连接起来进行整体调试。根据模型工程师和DCS工程师分别提供输入输出清单，使模型侧数据点和DCS侧数据点一一匹配起来。
5 应用与结论
基于虚拟DCS的仿真系统清楚地界定了控制与控制对象，使得仿真系统的开发工作分工更加清晰和专业化，尤其是控制系统的仿真更加贴近真实DCS系统的组态。不仅降低了开发难度，而且有利于提高仿真逼真度。
热控人员可以在仿真机上进行数据库组态、SAMA图组态、逻辑调整、HMI组态等培训，并成功地进行了一次热控技术比武。
基于虚拟DCS的仿真系统的锅炉、汽机、电气模型的开发方式与常规仿真机相同，因此仿真范围和精度并没有改变，对集控运行人员培训的功能并没有减弱。作为仿真培训的辅助工具，抽点、回退、重演等功能得到了较好的解决。
基于虚拟DCS的激励式仿真系统能够很好地弥补这一缺点，是节省投资、缩短开发周期、获得最高逼真度和最多应用功能的理想技术方案。
参考文献：
[1]韩璞等，基于虚拟DCS的激励式仿真系统分析与设计，华北电力大学学报，2005，（32），2
[2]王立志等，虚拟DCS技术及实现，山东电力技术，2004，5
[3]冷杉，论虚拟分散控制系统技术，中国电力，2003，（36），2

部门职能：

1 ．在校学生的仿真实习。
2 ．火力发电厂运行人员的仿真机培训工作。
3 ．火力发电厂热能动力、电气和电厂集控运行专业毕业生的职业技能鉴定。
4 ．火力发电厂相关专业运行人员的职业技能鉴定工作。
5 ．新机投产前理论培训。

部门简介：

仿真培训中心（山西省电力公司火电模拟培训中心），成立于 1989 年，占地面积 3480 平方米 ，软硬件总资产达 2000 多万元 , 是我省大型火力发电培训基地；是我校集控、热动等八个专业的校内实训基地 , 覆盖发电、输电以及变电三个岗位群；同时也是国家电力行业特有工种职业技能鉴定站。从 2000 年划转地方以来，仿真中心抓住了电力行业发展的大好机遇，坚持走产学研结合的道路，发展速度非常快，现有仿真机房六个，可以同时容纳 120 名学员接受培训。中心现有十套仿真系统，从 2003 年底至今，先后自主开发了国电大同 200MW 仿真机； “ 一机多模 ” 仿真机；山西榆社 / 漳山 / 古交 / 兆光发电厂四台 300MW 空冷仿真机；内蒙岱海 / 山西柳林 / 漳山三台 600MW 仿真机；并于 2003 年新引进 135MW 循环流化床锅炉仿真机一台。其中， “ 一机多模 ” 仿真机项目 2004 年荣获山西省科技成果二等奖。在中电联技能鉴定与教育培训中心 2006 年组织进行的第二批 “ 仿真培训基地 ” 评估遴选工作中，我中心入选 “ 第二批电力行业仿真培训基地名单 ” ，同年，还被山西省教育厅评为 “ 山西省高职高专示范 ‘ 十佳 ‘ 实训基地 ” 。已为我校以及山西、陕西、内蒙、河南、河北和广东等地区的电厂培训了大批的高技能人才。目前，中心设备类型齐全，技术先进，已经成为国内一流的仿真开发与培训基地。

一、现有仿真机介绍：
1 、【神头第二发电厂捷制 500MW 仿真机】
神头第二发电厂捷制 500MW 仿真机由山西省电力公司投资 500 万元， 88 年开始研制， 92 年投入使用。这是我国首台国产的最大容量的仿真机。这台仿真机的特点是可操作点多，对学生了解电厂的生产过程有很大的帮助。缺点是手编程序，开发和调试都非常困难，常常是牵一发动全身，调整一个参数有时三天都稳不下来，再加是早期的计算机系统速度也慢，开发周期太长。
2 、【阳光发电有限公司 300MW 仿真机 】
山西省电力公司投资 650 万元， 96 年开始与亚洲仿真公司联合开发， 98 年底完工。这台仿真机主机采用了美国 Lingk 公司的小型机（三万美金），有了一个好的开发平台，仿真的程度和精度都很逼真，还对 400 多个故障进行了现场仿真，通过教练员台随时可以调入这些故障，训练学员处理常见事故的能力。为电力生产的安全稳定运行发挥了很大的作用。这个项目培养锻炼了我们的队伍，形成了我们自己的模块化仿真开发平台。为我们的仿真机开发奠定了基础。该仿真机机组锅炉是由东方锅炉厂制造，型式为亚临界、一次中间再热、自然循环、双拱形单炉膛、平衡通风、尾部双烟道、“ W ”型火焰、燃煤锅炉。制粉系统是双进双出钢球磨正压直吹式。燃烧系统布置为前后墙交错的旋流燃烧器。汽轮机是东方汽轮机厂制造，型式是亚临界、中间再热、两缸两排汽凝汽式。机组控制为德国西门子分散控制系统。
3 、【 “ 一机多模 ” 仿真机 】 2004 年荣获山西省教育厅科技进步一等奖和山西省科技成果二等奖。
这是我们自行开发的第一台仿真机，从 1999 年开始研制， 03 年完工， 04 年申报，获山西省科技成果二等奖。这台仿真机创新的思路与后来电厂的发展趋势相吻合，大屏幕取代了硬盘台，一套硬件设备可以安装各种类型的仿真软件以实现不同的仿真培训需求，并且具有了远程仿真培训的功能。
4 、【榆社发电厂 300MW 空冷机组仿真机 】
是华能榆社发电厂二期工程三号机组，锅炉由武汉锅炉厂生产， 配置 WGZ1053-17.5/2 型亚临界自然循环锅炉， 采用五台 HP863 型中速磨煤机，正压直吹式制粉系统、直流燃烧器、四角布置、切圆燃烧、一次再热、平衡通风、三分仓容克式空气预热器 。汽轮机是 上海汽轮机厂按照美国西屋公司技术制造，该机为亚临界，一次中间再热、单轴、双缸双排汽、直接空冷凝汽式汽轮机 。发电机由东方电机厂制造。控制系统采用 选用西屋 OVATION 分散控制系统 。并对机组烟气脱硫系统进行了仿真。于 2004 年 2 月份开始培训学员，现已交付甲方现场使用。
5 、【漳山发电厂 300MW 空冷机组仿真机 】
由我中心自主开发的国内首台采用直接空冷技术的仿真机组， 于 2004 年 2 月开始培训学员。 锅炉是由武汉锅炉股份有限公司设计制造的 WGZ1045/17.5-1 型锅炉，型式为亚临界自然循环汽包炉，钢球磨中储式冷一次风机制粉系统，热风送粉，直流式百叶窗水平浓淡燃烧器，四角布置，切向燃烧方式，尾部双烟道布置，烟气挡板调节再热汽温，喷水减温控制过热汽温，容克式三分仓回转式空气预热器，刮板捞渣机连续固态出渣，锅炉一次再热，平衡通风，全钢构架，半露天岛式布置。 燃烧器正四角布置，在炉内形成双切圆燃烧； 汽机采用哈尔滨汽轮机厂制造的亚临界，一次中间再热，单轴，两缸两排汽、反动式汽轮机。热控设备采用 ABB 贝利控制有限公司生产的 SYMPHONY 分散控制系统，实现 MCS 、 SCS 、 DEH 、 BPC 、 ETS 、 FSSS 等控制功能。
6 、【古交发电厂 300MW 空冷机组仿真机 】
于 2004 年 4 月开始研发， 2004 年 8 月份完成前期开发工作，为古交电厂提供了投产前的预培训。现已交付电厂使用。三大主机设备锅炉是 哈尔滨锅炉有限责任公司 HG — 1045/17.5 — YM17 型式为亚临界自然循环汽包锅炉，四角切圆燃烧，单炉膛，一次中间再热，平衡通风。燃烧制粉系统采用中速磨冷一次风机正压直吹式。燃烧器采用水平浓淡直流燃烧器，四角切向布置全摆式。汽轮机是 东方汽轮机厂 亚临界、一次中间再热、两缸两排汽、直接空冷凝汽式汽轮机 ( 全电调型 ) 。发电机由上海电机厂生产，控制系统采用西屋公司 OVATION 控制系统。
7 、【大同二电厂 200MW“ 一机多模 ” 仿真机 】
是一台同时具有水冷和间接两套冷却系统，于 2004 年 5 月开始研发，同年底研发完成并对外培训。该机组锅炉是东方锅炉厂制造，型式为超高压、中间再热、自然循环炉。制粉系统是中间储仓式，燃烧系统为四角切圆燃烧。汽轮机是超高压、中间再热、三缸三排汽凝汽式，控制系统是新华电站的。
8 、【岱海发电厂 600MW 仿真机】
是目前国内最大的亚临界机组仿真机设备。原型机组锅炉制造厂家是北京巴布科克 · 威尔科克斯有限公司，锅炉型式为亚临界参数、自然循环、一次中间再热、单炉膛、平衡通风。制粉系统采用正压直吹式，配六台 ZGM 123G 中速磨煤机。燃烧型式是前后墙对冲燃烧方式，并配置 36 只分三层对称布置双调风旋流燃烧器；汽轮机由上海汽轮机有限公司制造，汽轮机的型式是单轴、四缸四排汽、一次中间再热、双背压、反动式。机组为湿冷机组。控制系统为西门子公司集散控制系统。于 2005 年 5 月完成前期开发工作，并为甲方进行了机组投产前的仿真培训，现已交付电厂使用。
9 、【 135MW 循环流化床仿真机】
是我中心引进的国内为数不多的流化床锅炉机组仿真设备，自安装使用以来，分别为广东韶关电厂、陕西神木电厂、河南豫光集团、山西大同一电厂等单位进行过仿真培训，取得了良好的经济效益和社会效益。
10 、【柳林发电厂 600MW 仿真机】
原型机组锅炉制造厂家是上海锅炉有限公司，锅炉型式为亚临界参数汽包炉、采用控制循环、一次中间再热、单炉膛、四角切圆燃烧方式、正压直吹式制粉系统、燃烧器摆动调温、平衡通风。制粉系统采用正压直吹式，配六台 HP1003 中速磨煤机。并配置 24 个直流燃烧器；汽轮机由上海汽轮机厂制造，汽轮机的型式是单轴、三缸四排汽、一次中间再热、。机组为直接空冷机组。控制系统为北京 ABB 贝利控制有限公司提供的集散控制系统。于 2007 年 2 月完成前期开发工作，并为甲方进行了机组投产前的仿真培训，后期系统正在完善。
11 、【漳山发电厂 600MW 仿真机】
锅炉设备是由上海锅炉厂制造，锅炉型式是亚临界参数、控制循环汽包炉、一次中间再热、平衡通风。制粉系统为正压直吹式，燃烧方式为四角切圆直流燃烧器。上海汽轮机制造厂制造，汽轮机的型式是单轴、三缸四排汽、一次中间再热、直接空冷凝器式。控制系统为贝利公司 ABB 集散控制系统。于 2007 年 5 月正在进行前期开发工作，已具备对外培训条件。
12 、【 300MW 循环流化床仿真机】
2007 年中央地方共建重点实验室项目， HG—1025/17.5—L.HM37 型锅炉、哈汽公司 N300-16.7/537/537 型汽轮发电机组，目前已完成软件的调试工作，可以承接现场运行人员仿真培训。
　　
二、火力发电厂生产理论培训介绍
仿真中心是我校 “ 零适应期 ” 教学模式重要的实训基地之一。我们每年要为学校培训学生 500 多人次。
　　
电厂的运行人员在上岗前需经过理论培训，现场实学，最后一个环节就是仿真培训，经考试合格，持证上岗。大概培训时间一个月左右。我们的学生和他们接受的是同样的训练下环境，培训时间也由原来的两周，从 2003 年起增加到六周。在训练过程中，让学生学习技能的同时，按照电厂对值班人员的要求，班前碰头，班后总结，尤其注重培养学生的团队精神，协调配合的作风。通过在这里实训，使学生对过去所学到的东西能够进一步加深理解，融会贯通。使我们的学生在学到专业技能的同时，也得到了企业人格的训练，毕业后很快就能适应生产现场的需求。
　　
三、职业技能鉴定
我站于 2000 年被劳动和社会保障部批准为特有工种职业技能鉴定站 , 全称山西省第二火力发电国家职业技能鉴定站。最初申报 10 个工种， 2005 年又申报 13 个工种，共 23 个工种。目前，学生能参加鉴定的有 8 个工种，分别是：集控值班员、锅炉运行值班员、汽轮机运行值班员、电气值班员、厂用电值班员、变电站值班员、热力网值班员、热工仪表控制装置试验。

来源：http://www.sxuec.edu.cn/xygg/mnzx/zxgk.htm