虚拟DCS技术与大型发电厂实时系统互联应用.docx

虚拟DCS技术与大型发电厂实时系统互联应用jiangf导语：虚拟DCS技术的开发应用，可以进展实时控制系统DCS、实时信息系统SIS和实时仿真系统SIM的实时互联目前，我国电力工业进入了一个新的建立高潮，正在新建诸多大型发电机组，同时对已服役多年的大机组进展改造。本次建立高潮的一大特色是要建立先进完善的自动化和信息技术平台，充分发挥与发电设备和人员操纵严密相连的实时系统的数字化功能，以全面进步大型发电厂消费运行的平安性和经济性。本文从虚拟集散控制系统distributedcontrolsystem，DCS技术的角度出发，根据作者的开发理论，力图较完好地提出大型发电厂三大实时系统互联应用的技术道路和工程方法，为扩大应用范围和提升应用层次提供一些参考。1、大型发电厂的实时系统我国的大型火力发电厂一般指安装了多台135MW，300MW和600MW发电机组的发电企业。由于是连续进展发电的消费经过，机组的实时控制系统DCS成为消费的关键系统，处于运行控制的核心地位。近年来，在计算机网络技术和数学模型技术不断进步的根底上，各大型发电厂在实时控制系统DCS之外，大力开展了实时信息系统SISsupervisoryinformationsystem和实时仿真系统SIMsimulatorsystem，这构成了所谓大型发电厂的三大实时系统。大型发电厂的三大实时系统是相对于非实时的治理信息系统MISmanagementinformationsystem而言的，其系统如图1所示，三大实时系统的主要功能：1实时控制系统DCS用于直接控制锅炉、汽轮机和发电机组，实现逻辑和自动调节功能，保证机组的启停和稳定运行；2实时信息系统SIS主要指为火电厂全厂实时消费经过综合优化效劳的消费经过实时治理和监控的信息系统1，2；3实时仿真系统SIM用于运行人员的培训，并可用于机组运行控制和优化分析。这三大实时系统的工作目的、系统平台和软件功能各有不同，但其实时性要求都是一致的，各系统的响应时间都在100ms级，以知足对大型火力发电机组进展控制、监测、仿真的大容量和高速度数据计算处理的需要。同时，这三大实时系统的建立时间和供货;不同，各自有很大的独立性。随着各大型发电厂高性能计算机信息网络的不断建立完善，为了到达利用数字化技术手段进步大型机组的平安性和经济性的目的，各方对于这三大实时系统的互联和应用寄予较高的期望，提出了非常有使用价值的应用设想。新的实时系统互联应用要求包括：实现DCS系统到SIM系统的连接，可以实现对DCS系统的控制组态、参数设定等方面的程序下载，进步虚拟DCS的控制品质，能更好地进展热控人员培训；可以实现SIM系统到DCS系统的连接，进而进展动态试验，并根据数学模型的计算结果进展DCS系统的性能优化或者异常分析；可以实现SIS系统到SIM系统的连接，使仿真数学模型获得能符合某一历史时刻的初始工况，进而为进一步机组状态分析提供起始运算点；可以实现SIM系统到SIS系统的连接，使运行监控和决策人员可以对实时数据和仿真数据进展方便的比拟，做出正确的判定。根据以上的要求，实现三大实时系统互联的内容就是来自于DCS的I/O数据通讯和组态数据。正是有了全新开发的虚拟DCS系统和虚拟I/O，才能使数据和逻辑逐一对应，使三大实时系统互联应用成为可能。2、虚拟DCS技术众所周知，SIM系统是带有炉、机、电控数学模型的实时计算系统。仿真数学模型应该是全范围、全经过、高逼真度、相应的DCS控制系统的仿真，必须包含全部I/O测点，采用全真逻辑，设置完全一样的功能模块和控制参数。为了实现以上要求，可以采用DCS“鼓励或者“虚拟技术。目前在国外，有多个控制系统公司都开发了虚拟DCS技术，其中的一些仿真控制系统研发机构已经提供完好的虚拟DCS软件包，以知足应用要求。在参照国外技术和深化研究各种DCS的根底上，作者自主开发了虚拟DCS技术，不仅能提供应仿真系统使用，也可以成为实时系统互联的核心局部。虚拟DCSvirtualDCS是相对于大型火力发电机组控制领域的真实DCSrealDCS而言的。虚拟DCS是要在非DCS计算机系统上再现DCS计算机系统，详细地讲，就是要在非DCS系统的Windows平台上，尽可能真实地由软件再现建立在U2nix或者Windows平台上的真实DCS系统3，4。虚拟DCS的特点，是控制参数和算法完全;于从DCS工程师站下载的组态文件，使用与真实DCS系统一样的控制算法、模块、时间片、位号等，可以随着真实DCS系统的修改与更新，同步进展仿真系统的修改与更新，能完成复杂的仿真控制应用功能，仿真软件的功能逼真度和可信度很高5。采用面向对象OOPobject-orientedprogramming程序设计技术，将虚拟DCS系统看成通过交互作用来完成任务的功能模块对象的集合，对每个对象用各自的方法治理数据和执行算法68。作者已经和正在自主开发的虚拟DCS系统如图2所示，其涵盖了锅炉控制、汽机控制、电气控制、协调控制等全部自动控制系统，同时逐渐扩展到以各主要DCS系统为虚拟对象。虚拟DCS之所以能在发电厂三大实时系统的互联应用方面起到核心的作用，主要是由于其遵循的技术思路具有发电厂控制接口和组态的现实根底。可以看出，DCS系统的I/O点、SIS系统的实时通讯数据库点、仿真机使用的虚拟I/O点，在位号和数据上是同一点；DCS系统的分散处理单元和虚拟DCS的程序，在软件功能上也一样。除数学模型仿真了发电厂机组设备之外，虚拟DCS系统可以实如今计算机上再现真实的DCS系统，并对数学模型进展与现实完全一致的控制。在数字平台上可以屡次重复再现的虚拟系统，为进一步分析应用提供了前提条件。虚拟DCS的主要技术局部包括：1开发虚拟DCS智能编译转换软件，实现对DCS下载数据库的智能转换和虚拟代码自动生成；2建立虚拟DCS运行效劳器，采用面向对象的程序技术，在效劳器上通经过序调度，分层分块对整个虚拟DCS进展实时运算处理，同时提供合适于仿真控制应用的效劳器功能；3提供虚拟DCS调试环境，可以通过实时网络阅读交互，对虚拟DCS效劳器上的任何对象模块和参数进展显示和设置，跟踪软件调试或者运行的全范围和全经过。3、实时系统互联应用一般情况下，大型发电厂的实时仿真系统SIM主要由2局部组成：数学模型包括锅炉、汽机、电气等主要的物理设备和仿真DCS控制系统。只有当设备的数学模型和仿真DCS控制系统都足够准确时，才能以为这个仿真系统可以模拟对象电厂的真实操纵和控制，用其进展运行分析和培训才具有真实的意义。以下的一系列实时系统的应用内容，都是建立在电厂设备数学模型和仿真控制系统足够准确，可以正确模拟真实电厂各种可能工况的根底之上的。在实际开发中，为了将实时仿真系统SIM、实时信息系统SIS和集散控制系统DCS互联起来，以实现数据交换和信息分享，作者以为可以施行以下一系列的实时系统。3.1校验数学模型由于DCS控制系统仿真采用了较为先进的虚拟DCS技术，使得仿真控制系统的控制参数和算法完全;于从DCS工程师站下载的组态文件，并使用与真实DCS系统一样的控制算法、模块、时间片、位号等。可以以为，基于虚拟技术的仿真控制系统的功能逼真度和可信度很高。实现DCS系统到SIM系统的连接，进而可以使真实控制系统和仿真控制系统在参数和控制逻辑上最大限度地保持一致，然后通过比拟数学模型和真实物理设备运行参数和运行状态，可以动态地校验数学模型的正确性，修改数学模型不完善的方程和参数。由于仿真控制系统的高度逼真性，使得对数学模型的校验具有较高的可靠性和正确性。3.2虚拟DCS同步更新由于仿真控制系统采用的虚拟DCS技术具有很好的实时性和同步性，可以随着真实DCS系统的更新而同步进展更新。所以实现DCS系统到SIM系统的连接，对于真实DCS系统的更新，仿真DCS只需要重新从工程师站上下载最新的DCS组态文件，再通过虚拟DCS智能编译转换软件，生成C+控制代码重新编译后，就完成了仿真DCS的同步更新，方便快捷，防止由于手工编写控制代码而产生的错误。3.3校验DCS逻辑和参数DCS控制系统控制着锅炉、汽机、发电机组等大型设备，其控制的正确性和平安性是非常重要的。DCS逻辑和控制参数的修改必须经过真实检验和运行才能应用于现场。但在真实DCS上进展检验和运行又具有极大的危险性和不确定性。所以，实现SIM系统到DCS系统的连接，可以利用仿真控制系统进展DCS逻辑和控制参数修改和校验。由于虚拟DCS技术可以使仿真控制系统具有极高的逼真度，利用其进展的逻辑和参数校验可以正确地反映真实DCS的控制经过和效果。3.4真实DCS与虚拟DCS数据比拟实时信息系统SIS利用实时通讯从真实DCS上获得实时在线数据。实时仿真系统SIM利用千兆网络通讯从仿真实时数据库上获得仿真数据。实现SIM系统和SIS系统的互联，可在同一平台上合成现场数据和仿真数据，进展比拟、判定和显示。仿真数据与现场数据的比拟分为两大类：模拟量数据AI，AO和开关量数据DI，DO。开关量数据的比拟采用逐一对应的方法，而模拟量数据由于存在着一定的偏向和滞后，将按照数据的重要程度和允许的偏向范围分为假设干类，并配有相关的加权系数，再利用报警数据库记录所有误差数据值和发生时间，以便于及时的修改和查询。3.5用SIS数据建立初始工况并进展系统分析实现SIS系统到SIM系统的连接，调用SIS数据库中某一特定工况下的现场数据，利用数据通道下载给SIM，通过现场数据和仿真数据的比拟，不断地调整实时仿真系统数据的数值开关量可以通过开关阀门、泵等手段使其与现场数据逐一对应；模拟量可以通过调整PID参数和动态特性等方法使其与现场数据尽可能的接近。当现场数据和仿真数据的开关量保持逐一对应而模拟量保持在允许偏向范围之内时，SIM系统就建立了一个与现场某一工况根本一样的初始工况，然后运行SIM系统，就可以再如今这一工况下发生的各种可能的现象和事件。SIM系统通过建立各种不同的初始工况，利用超实时super-real-time仿真技术，即仿真系统载入现场运行工况，然后在计算机的帮助下，在高出实时运行速度数倍的速度下模拟和再现电厂可能的运行工况，短时间内快速预计实际经过系统数小时、数日甚至数月时间内的电厂运行数据，通过这些数据可以制定控制策略，消除故障隐患，调节运行参数，进而动态地保证电厂的平安和经济运行9。4、结语虚拟DCS技术的开发应用，可以进展实时控制系统DCS、实时信息系统SIS和实时仿真系统SIM的实时互联，再结合数据库技术和各种实时通讯技术，就能充分地利用虚拟DCS技术的高度逼真性和开放性，实现数据分析、模型校验和参数优化等高级仿真控制功能。基于虚拟DCS这一先进技术的三大实时系统DCS、SIS和SIM的互联应用，可以为大型发电厂平安、可靠和经济运行提供一种数字化保障。参考文献1侯子良.再论火电厂厂级监控信息系统J.电力系统自动化，2002，2615:13.2曹文亮，高建强，王兵树，等.电厂厂级监控信息系统现状及开展前景J.中国电力，2002，359:5962.3冷杉.论虚拟分散控制系统技术J.中国电力，2003，362:5356.4ANSI/ISA.ANSI/ISA277.201993.Fossilpowerplantsimulators-functionalrequirementS.USA:TheUnstrumentationSystemsandAutomationSociety，1994.5WebbK.EmulationapproachofDCSina600MWpowerplantR.Maryland，USA:ReportofGlobalSimulationEngineeringSystemCorp，2001.6RobertsCA，DessoukyYM.Anoverviewofobject2orientedsimulationJ.Simulation，1998，706:359368.7刘哲，冷杉，杨静.面向对象虚拟DPU实现J.电力自动化设备，2003，236:5456.8陈坤，冷杉，刘哲.基于OPC的虚拟DCS对象调试软件开发J.电力自动化设备，2004，2410:3941.9徐悦，冷杉.基于APROS组态软件的电厂超实时分布式系统仿真的研究J.工业控制计算机，20049:911.