基于虚拟DCS的仿真系统设计与开发

1、基于虚拟DCS的仿真系统设计与开发Design and Development of Simulation System Based on Virtual DCS程祥武1，李成成银1，赵登科1，王自岭2（1.上海大屯屯能源股份有有限公司，江江苏 徐州 2216111；2.山山东电力研究究院，山东 济南 2550002）摘要：根据虚拟拟DCS原理理与技术，设设计并开发了了一套基于虚虚拟DCS的的火电机组仿仿真系统，应应用于火电厂厂运行与控制制人员的培训训。关键词：虚拟DDCS；火电电机组；仿真真系统Abstracct：By the pprinciiple aand teechnollogy oo

2、f virrtual DCS, a simmulatiion syystem basedd on vvirtuaal DCSS was ddesignned annd devvelopeed, whhich wwas ussed foor traainingg operrator and ccontrool enggineerr in ffossill poweer plaant.Key worrds：Viirtuall DCS, FFossill Poweer Uniit, Siimulattion SSystemm1 引言DCS操作员站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DC

3、S工程师站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DCS工程师站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DPUI/O卡件仿真服务器仿真支撑系统与模型 （不含控制部分）仿真服务器仿真支撑系统与模型 （包含控制部分）实际过程对象硬接线DPU运算站虚拟DPU程序数据通讯数据通讯虚拟DCS仿真模式传统仿真模式实际过程图1 实际过程与仿真的逻辑结构单元机组采用DDCS后，火电厂直接面面对的一个问问题就是如何何有效地对运运行人员进行行培训，如何何使运行人员员、热工控制制人员对整个个DCS有一个个系统的了解解，这个问题题不仅

4、影响到到电厂的安全DCS操作员站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DCS工程师站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DCS工程师站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DPUI/O卡件仿真服务器仿真支撑系统与模型 （不含控制部分）仿真服务器仿真支撑系统与模型 （包含控制部分）实际过程对象硬接线DPU运算站虚拟DPU程序数据通讯数据通讯虚拟DCS仿真模式传统仿真模式实际过程图1 实际过程与仿真的逻辑结构虚拟DCS就是是将真实DCCS系统以软软件的形式予予以再现，从从而实现控制制系统的激励励模

5、式仿真。因因此基于虚拟拟DCS的火火电机组仿真真机不仅可以以用来培训集集控运行人员员，也可以用用于热控人员员的培训。大大屯电厂的仿仿真机正是以以LN20000控制系统统为基础建立立的虚拟DCCS型激励式式全范围仿真真机。2 原理分析基于虚拟DCSS的火电机组组仿真机主要要由仿真支撑撑平台、虚拟拟DCS、及及其之间的数数据接口组成成。传统仿真机一般般存在于一个个支撑平台上上，以现场的的实际设备或或者过程为原原型，构建仿仿真模型。单单元火电机组组的仿真对象象主要包括锅锅炉、汽机、电电气、热控等等专业的设备备与过程。由由于虚拟DCCS实现了控控制系统的仿仿真，因此仿仿真支撑平台台可以不再包包含热控仿

6、真真模型。图2 基于虚拟DCS的仿真系统结构示意图虚拟DCS的构构成与实际DCS一样，主要是是由分散处理理单元（DPPU）和人机机界面（HMMI）构成。虚虚拟DPU是虚拟拟DCS的核心心。是指将实实际分散控制制单元中的DDPU功能移移植到虚拟DDPU软件上上，使DPUU功能脱离实实际硬件而实实现的。这样样整个虚拟DDCS系统就就可以脱离数数据采集及数数据运算硬件件设备而工作作。人机界面面在虚拟DCCS中主要有有真实HMII和仿真HMII两种表现形形式。图2 基于虚拟DCS的仿真系统结构示意图在实现虚拟DCCS的前提下下，建立虚拟拟DCS与仿真真模型的通信信接口，由仿仿真系统构成成的仿真对象象经

7、过运算之之后，各模型型的状态数据据通过通信网网络传递给虚虚拟DCS。虚拟拟DPU接受仿仿真系统的数数据驱动后，将将运算结果传传递给HMII显示，同时时传递给仿真真模型，复现现实际DCSS中的数据控控制运算功能能。图1为实际过程程、虚拟DCCS仿真模式式、传统仿真真模式的逻辑辑结构比较。从从图中可以看看出，与传统统的仿真相比比，虚拟DCCS仿真更能能够复现实际际机组的DCCS系统，并并与实际系统统的逻辑结构构相同，没有有传统仿真中中逻辑关系上上的混乱与逻逻辑环节的缺缺失。传统仿仿真将控制算算法与模型连连接在一起，只只是实现了DDCS 外观观功能的仿真真，对于工程程师站的组态态仿真则无能能为力，仿

8、真真培训对象只只能局限于运运行人员，缺缺乏对热控人人员的培训功功能。3 结构设计仿真机的硬件包包括一台模型型服务器（LLN服务器）、一一台虚拟DPPU服务器（VVDPU服务务器）、一台台虚拟DCSS的工程师站站、若干台操操作员站等主主要设备，以以及交换机、网网线、投影仪仪、打印机等等附属设备。与传统的仿真机机相比较，在在设备项目上上主要增加了了一台虚拟DDPU服务器器。通过虚拟拟DPU主要要实现控制逻逻辑的仿真，并并将逻辑运算算的结果发送送给操作员站站和模型服务务器。因此在在数据流程上上与传统仿真真机也不再相相同，更加贴贴近真实系统统。模型服务务器不再直接接与操作员站站交换数据，而而是通过数据

9、据接口与虚拟拟DCS系统统交换数据。LN模型服务器器主要用来运运行仿真支撑撑平台和仿真真模型。LNN仿真支撑平平台提供仿真真模型的运行行环境，实现现仿真模型模模块间的同步步、控制以及及数据接口，管管理仿真系统统数据，并提提供仿真模型型的建立、修修改和调试的的功能。仿真真模型由多个个模块组成，实实现对被仿真真对象实际模模型的仿真，火火电机组的仿仿真模型包括括由锅炉、汽汽机和电气等等模型构件。VDPU服务器器主要用来运运行虚拟DPPU程序，利利用多线程技技术，建立多多个虚拟DPPU，实现DDPU和控制制逻辑运算的的仿真。而数数据库的配置置、SAMAA图的组态、操操作员界面的的组态等功能能则由虚拟D

10、DCS的工程程师站来实现现。操作员站主要用用来模拟人机机交互界面，采采用真实的HHMI可以获获得与现场完完全一致的仿仿真效果，但但软件的成本本往往过高。利利用第三方软软件重新组态态的HMI，可可以获得高逼逼真度的仿真真界面，对于于大多数仿真真机来讲是一一种非常实用用的技术方案案。网络设备主要用用来进行数据据的传输与交交换，一是VVDPU服务务器与操作员员站之间的数数据传输，二二是VDPUU服务器与LLN服务器之之间的数据传传输。在虚拟拟DCS系统统中，虚拟DDPU和操作作员HMI采采用统一的数数据库，在VVDPU服务务器中进行配配置。而仿真真模型数据库库与虚拟DCCS系统数据据库一般并不不相同

11、，二者者之间的数据据传输需要进进行特殊的配配置。投影仪主要用来来模拟集控室室内的盘台，通通过软件来实实现盘台的仿仿真，避免了了硬件盘台的的资金和维护护困难。同时时它可以连接接到任意一台台操作员站上上，方便教学学。4 开发过程4.1 虚拟DDCS的开发发虚拟DCS技术术是整个项目目的关键，整整套虚拟DCCS由LN控控制系统改造造而成，主要要是虚拟DPPU的实现。试试验应用表明明，一台性能能较好的服务务器即可完成成一台火电单单元机组所有有DPU的运运算量。根据据仿真机的标标准和培训需需求，虚拟DDCS必须实实现与仿真模模型同步的培培训功能，如如初始条件的的加载、模型型运算的冻结结与解冻、临临时状态

12、的快快照、回退和和重演功能，而而这些是真实实的DCS系系统所不具备备的。DCS AO仿真模型AIDCS DI仿真模型DODCS AI仿真模型AODCS DO仿真模型DI通信接口仿真模型数据库DCS数据库图3 仿真模型与DCS间的通信接口由于大屯电厂的的控制系统并并不是LN系系列产品，不不能将现场实实际的DCSS工程文件直直接拷贝使用用，必须在新新的虚拟DCCS内重新组组态。组态的的内容包括DDPU内运算算的SAMAA图和操作员员站人机界面面。虚拟DCCS包括900多种控制算算法模块，涵涵盖输入输出出、数学运算算、逻辑功能能、控制功能能、信号源、选选择功能、时时间功能、线线性对象、非非线性对象等

13、等常见类型，能能够完成不同同DCS系统统SAMA图图的重新组态态仿真。为了了能够仿真DCS AO仿真模型AIDCS DI仿真模型DODCS AI仿真模型AODCS DO仿真模型DI通信接口仿真模型数据库DCS数据库图3 仿真模型与DCS间的通信接口为了使仿真系统统尽可能的简简单以便于使使用与维护，虚虚拟DCS的的仿真内容除除了现场DCCS系统，还还包括FSSSS、DEHH系统等独立立于DCS之之外的控制系系统和就地操操作的仿真，因因此必须增加加虚拟DPUU的数量，HHMI也同样样增加。4.2 仿真模模型的开发设备的仿真模型型是仿真系统统的核心，算算法模块是仿仿真精度的基基础。所有的的算法采用C

14、C语言开发，算算法模块是模模型的最小单单元。一个（或或一组）模块块用于模拟一一个仿真对象象实体，模块块间的连接关关系体现了仿仿真对象中各各实体间的关关系。仿真模模型构件可以以由一个或多多个模块组成成，反映一定定抽象层次上上的实际系统统部件的特性性。根据仿真真范围，单元元火电机组的的仿真型由锅锅炉模型构件件、汽机模型型构件、电气气模型构件。而而控制模型构构件的功能由由虚拟DCSS支撑平台实实现。工质的流动计算算是热物理计计算的基础，由由专门流体网网络程序进行行模拟，保证证了仿真精度度和速度。电电网络计算也也采用了同样样的方法。仿真的变速功能能一般应用在在大容量系统统，如汽包上上水、汽轮机机暖缸等

15、，由由于并不涉及及控制系统，实实现方法与传传统仿真机相相同。4.3 仿真系系统的联调虚拟DCS数据据库为实际运运行系统的组组态数据库，主主要包括AII，AO，DI，DO数据类型型，在实际DDCS中对应应现场的测点点与执行机构构，其构成、组组态由控制工程设计计人员完成。仿仿真模型数据据库依据现场场的实际设备备及工艺流程程，由仿真机机建模人员使使用仿真支撑撑系统设计完完成。在虚拟DCS和和仿真模型开开发完成以后后，就可以将将二者连接起起来进行整体体调试。根据据模型工程师师和DCS工工程师分别提提供输入输出出清单，使模模型侧数据点点和DCS侧侧数据点一一一匹配起来。5 应用与结论论基于虚拟DCSS的仿真系统统清楚地界定定了控制与控控制对象，使使得仿真系统统的开发工作作分工更加清清晰和专业化化，尤其是控控制系统的仿仿真更加贴近近真实DCSS系统的组态态。不仅降低低了开发难度度，而且有利利于提高仿真真逼真度。热控人员可以在在仿真机上进进行数据库组组态、SAMMA图组态、逻逻辑调整、HHMI组态等等培训，并成成功地进行了了一次热控技技术比武。基于虚拟DCSS的仿真系统统的锅炉、汽汽机、电气模模型的开发方方式与常规仿仿真机相同，因因此仿真范围围和精度并没没有改变，对对集控运行人人员培训的功功能并