虛擬DCS技術與大型發(fā)電廠實時系統(tǒng)互聯(lián)應用

　　目前，我國電力工業(yè)進入了一個新的建設高潮，正在新建眾多大型發(fā)電機組，同時對已服役多年的大機組進行改造。本次建設高潮的一大特色是要建立先進完善的自動化和信息技術平臺，充分發(fā)揮與發(fā)電設備和人員操作緊密相連的實時系統(tǒng)的數(shù)字化功能，以全面提高大型發(fā)電廠生產(chǎn)運行的安全性和經(jīng)濟性。本文從虛擬集散控制系統(tǒng)(distributedcontrolsystem，DCS)技術的角度出發(fā)，根據(jù)作者的開發(fā)實踐，力圖較完整地提出大型發(fā)電廠三大實時系統(tǒng)互聯(lián)應用的技術路線和工程方法，為擴大應用范圍和提升應用層次提供一些參考。1、大型發(fā)電廠的實時系統(tǒng)
　　我國的大型火力發(fā)電廠一般指安裝了多臺135MW，300MW和600MW發(fā)電機組的發(fā)電企業(yè)。由于是連續(xù)進行發(fā)電的生產(chǎn)過程，機組的實時控制系統(tǒng)DCS成為生產(chǎn)的關鍵系統(tǒng)，處于運行控制的核心地位。近年來，在計算機網(wǎng)絡技術和數(shù)學模型技術不斷進步的基礎上，各大型發(fā)電廠在實時控制系統(tǒng)DCS之外，大力發(fā)展了實時信息系統(tǒng)SIS(supervisoryinformationsystem)和實時仿真系統(tǒng)SIM(simulatorsystem)，這構成了所謂大型發(fā)電廠的三大實時系統(tǒng)。大型發(fā)電廠的三大實時系統(tǒng)是相對于非實時的管理信息系統(tǒng)MIS(managementinformationsystem)而言的，其系統(tǒng)如圖1所示，三大實時系統(tǒng)的主要功能：
　　1)實時控制系統(tǒng)DCS用于直接控制鍋爐、汽輪機和發(fā)電機組，實現(xiàn)邏輯和自動調(diào)節(jié)功能，保證機組的啟停和穩(wěn)定運行；
　　2)實時信息系統(tǒng)SIS主要指為火電廠全廠實時生產(chǎn)過程綜合優(yōu)化服務的生產(chǎn)過程實時管理和監(jiān)控的信息系統(tǒng)[1，2]；
　　3)實時仿真系統(tǒng)SIM用于運行人員的培訓，并可用于機組運行控制和優(yōu)化分析。

圖1大型發(fā)電廠的三大實時系統(tǒng)

　　這三大實時系統(tǒng)的工作目的、系統(tǒng)平臺和軟件功能各有不同，但其實時性要求都是一致的，各系統(tǒng)的響應時間都在100ms級，以滿足對大型火力發(fā)電機組進行控制、監(jiān)測、仿真的大容量和高速度數(shù)據(jù)計算處理的需要。同時，這三大實時系統(tǒng)的建設時間和供貨來源不同，各自有很大的獨立性。隨著各大型發(fā)電廠高性能計算機信息網(wǎng)絡的不斷建設完善，為了達到利用數(shù)字化技術手段提高大型機組的安全性和經(jīng)濟性的目的，各方對于這三大實時系統(tǒng)的互聯(lián)和應用寄予較高的期望，提出了非常有使用價值的應用構想。新的實時系統(tǒng)互聯(lián)應用要求包括：①實現(xiàn)DCS系統(tǒng)到SIM系統(tǒng)的連接，能夠?qū)崿F(xiàn)對DCS系統(tǒng)的控制組態(tài)、參數(shù)設定等方面的程序下載，提高虛擬DCS的控制品質(zhì)，能更好地進行熱控人員培訓；②能夠?qū)崿F(xiàn)SIM系統(tǒng)到DCS系統(tǒng)的連接，從而進行動態(tài)試驗，并根據(jù)數(shù)學模型的計算結果進行DCS系統(tǒng)的性能優(yōu)化或異常分析；③能夠?qū)崿F(xiàn)SIS系統(tǒng)到SIM系統(tǒng)的連接，使仿真數(shù)學模型獲得能符合某一歷史時刻的初始工況，從而為進一步機組狀態(tài)分析提供起始運算點；④能夠?qū)崿F(xiàn)SIM系統(tǒng)到SIS系統(tǒng)的連接，使運行監(jiān)控和決策人員可以對實時數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進行方便的比較，做出正確的判斷。
　　根據(jù)以上的要求，實現(xiàn)三大實時系統(tǒng)互聯(lián)的內(nèi)容就是來自于DCS的I/O數(shù)據(jù)通信和組態(tài)數(shù)據(jù)。正是有了全新開發(fā)的虛擬DCS系統(tǒng)和虛擬I/O，才能使數(shù)據(jù)和邏輯一一對應，使三大實時系統(tǒng)互聯(lián)應用成為可能。
　　2、虛擬DCS技術
　　眾所周知，SIM系統(tǒng)是帶有爐、機、電控數(shù)學模型的實時計算系統(tǒng)。仿真數(shù)學模型應該是全范圍、全過程、高逼真度、相應的DCS控制系統(tǒng)的仿真，必須包含全部I/O測點，采用全真邏輯，設置完全相同的功能模塊和控制參數(shù)。為了實現(xiàn)以上要求，可以采用DCS“激勵”或“虛擬”技術。目前在國外，有多個控制系統(tǒng)公司都開發(fā)了虛擬DCS技術，其中的一些仿真控制系統(tǒng)研發(fā)機構已經(jīng)提供完整的虛擬DCS軟件包，以滿足應用要求。在參照國外技術和深入研究各種DCS的基礎上，作者自主開發(fā)了虛擬DCS技術，不僅能提供給仿真系統(tǒng)使用，也可以成為實時系統(tǒng)互聯(lián)的核心部分。
　　虛擬DCS(virtualDCS)是相對于大型火力發(fā)電機組控制領域的真實DCS(realDCS)而言的。虛擬DCS是要在非DCS計算機系統(tǒng)上再現(xiàn)DCS計算機系統(tǒng)，具體地說，就是要在非DCS系統(tǒng)的Windows平臺上，盡可能真實地由軟件再現(xiàn)建立在U2nix或Windows平臺上的真實DCS系統(tǒng)[3，4]。虛擬DCS的特點，是控制參數(shù)和算法完全來源于從DCS工程師站下載的組態(tài)文件，使用與真實DCS系統(tǒng)相同的控制算法、模塊、時間片、位號等，能夠隨著真實DCS系統(tǒng)的修改與更新，同步進行仿真系統(tǒng)的修改與更新，能完成復雜的仿真控制應用功能，仿真軟件的功能逼真度和可信度很高[5]。采用面向?qū)ο驩OP(object-orientedprogramming)程序設計技術，將虛擬DCS系統(tǒng)看成通過交互作用來完成任務的功能模塊對象的集合，對每個對象用各自的方法管理數(shù)據(jù)和執(zhí)行算法[6～8]。作者已經(jīng)和正在自主開發(fā)的虛擬DCS系統(tǒng)如圖2所示，其涵蓋了鍋爐控制、汽機控制、電氣控制、協(xié)調(diào)控制等全部自動控制系統(tǒng)，同時逐漸擴展到以各主要DCS系統(tǒng)為虛擬對象。

圖2虛擬DCS的內(nèi)容

　　虛擬DCS之所以能在發(fā)電廠三大實時系統(tǒng)的互聯(lián)應用方面起到核心的作用，主要是因為其遵循的技術思路具有發(fā)電廠控制接口和組態(tài)的現(xiàn)實基礎。可以看出，DCS系統(tǒng)的I/O點、SIS系統(tǒng)的實時通信數(shù)據(jù)庫點、仿真機使用的虛擬I/O點，在位號和數(shù)據(jù)上是同一點；DCS系統(tǒng)的分散處理單元和虛擬DCS的程序，在軟件功能上也相同。除數(shù)學模型仿真了發(fā)電廠機組設備之外，虛擬DCS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在計算機上再現(xiàn)真實的DCS系統(tǒng)，并對數(shù)學模型進行與現(xiàn)實完全一致的控制。在數(shù)字平臺上可以多次重復再現(xiàn)的虛擬系統(tǒng)，為進一步分析應用提供了前提條件。虛擬DCS的主要技術部分包括：
　　1)開發(fā)虛擬DCS智能編譯轉(zhuǎn)換軟件，實現(xiàn)對DCS下載數(shù)據(jù)庫的智能轉(zhuǎn)換和虛擬代碼自動生成；
　　2)建立虛擬DCS運行服務器，采用面向?qū)ο蟮某绦蚣夹g，在服務器上通過程序調(diào)度，分層分塊對整個虛擬DCS進行實時運算處理，同時提供適合于仿真控制應用的服務器功能；
　　3)提供虛擬DCS調(diào)試環(huán)境，可以通過實時網(wǎng)絡瀏覽交互，對虛擬DCS服務器上的任何對象模塊和參數(shù)進行顯示和設置，跟蹤軟件調(diào)試或運行的全范圍和全過程。
　　3、實時系統(tǒng)互聯(lián)應用
　　一般情況下，大型發(fā)電廠的實時仿真系統(tǒng)SIM主要由2部分組成：數(shù)學模型(包括鍋爐、汽機、電氣等主要的物理設備)和仿真DCS控制系統(tǒng)。只有當設備的數(shù)學模型和仿真DCS控制系統(tǒng)都足夠精確時，才能認為這個仿真系統(tǒng)可以模擬對象電廠的真實操作和控制，用其進行運行分析和培訓才具有真實的意義。以下的一系列實時系統(tǒng)的應用內(nèi)容，都是建立在電廠設備數(shù)學模型和仿真控制系統(tǒng)足夠精確，能夠正確模擬真實電廠各種可能工況的基礎之上的。
　　在實際開發(fā)中，為了將實時仿真系統(tǒng)SIM、實時信息系統(tǒng)SIS和集散控制系統(tǒng)DCS互聯(lián)起來，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息共享，作者認為可以實施以下一系列的實時系統(tǒng)。
　　3.1校驗數(shù)學模型
　　由于DCS控制系統(tǒng)仿真采用了較為先進的虛擬DCS技術，使得仿真控制系統(tǒng)的控制參數(shù)和算法完全來源于從DCS工程師站下載的組態(tài)文件，并使用與真實DCS系統(tǒng)相同的控制算法、模塊、時間片、位號等。可以認為，基于虛擬技術的仿真控制系統(tǒng)的功能逼真度和可信度很高。實現(xiàn)DCS系統(tǒng)到SIM系統(tǒng)的連接，從而可以使真實控制系統(tǒng)和仿真控制系統(tǒng)在參數(shù)和控制邏輯上最大限度地保持一致，然后通過比較數(shù)學模型和真實物理設備運行參數(shù)和運行狀態(tài)，可以動態(tài)地校驗數(shù)學模型的正確性，修改數(shù)學模型不完善的方程和參數(shù)。由于仿真控制系統(tǒng)的高度逼真性，使得對數(shù)學模型的校驗具有較高的可靠性和正確性。
　　3.2虛擬DCS同步更新
　　由于仿真控制系統(tǒng)采用的虛擬DCS技術具有很好的實時性和同步性，能夠隨著真實DCS系統(tǒng)的更新而同步進行更新。所以實現(xiàn)DCS系統(tǒng)到SIM系統(tǒng)的連接，對于真實DCS系統(tǒng)的更新，仿真DCS只需要重新從工程師站上下載最新的DCS組態(tài)文件，再通過虛擬DCS智能編譯轉(zhuǎn)換軟件，生成C++控制代碼重新編譯后，就完成了仿真DCS的同步更新，方便快捷，避免由于手工編寫控制代碼而產(chǎn)生的錯誤。
　　3.3校驗DCS邏輯和參數(shù)
　　DCS控制系統(tǒng)控制著鍋爐、汽機、發(fā)電機組等大型設備，其控制的正確性和安全性是非常重要的。DCS邏輯和控制參數(shù)的修改必須經(jīng)過真實檢驗和運行才能應用于現(xiàn)場。但在真實DCS上進行檢驗和運行又具有極大的危險性和不確定性。所以，實現(xiàn)SIM系統(tǒng)到DCS系統(tǒng)的連接，可以利用仿真控制系統(tǒng)進行DCS邏輯和控制參數(shù)修改和校驗。由于虛擬DCS技術可以使仿真控制系統(tǒng)具有極高的逼真度，利用其進行的邏輯和參數(shù)校驗可以正確地反映真實DCS的控制過程和效果。
　　3.4真實DCS與虛擬DCS數(shù)據(jù)比較
　　實時信息系統(tǒng)SIS利用實時通信從真實DCS上取得實時在線數(shù)據(jù)。實時仿真系統(tǒng)SIM利用千兆網(wǎng)絡通信從仿真實時數(shù)據(jù)庫上取得仿真數(shù)據(jù)。實現(xiàn)SIM系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)的互聯(lián)，可在同一平臺上合成現(xiàn)場數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，進行比較、判斷和顯示。
　　仿真數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的比較分為兩大類：模擬量數(shù)據(jù)(AI，AO)和開關量數(shù)據(jù)(DI，DO)。開關量數(shù)據(jù)的比較采用一一對應的方法，而模擬量數(shù)據(jù)由于存在著一定的偏差和滯后，將按照數(shù)據(jù)的重要程度和允許的偏差范圍分為若干類，并配有相關的加權系數(shù)，再利用報警數(shù)據(jù)庫記錄所有誤差數(shù)據(jù)值和發(fā)生時間，以便于及時的修改和查詢。
　　3.5用SIS數(shù)據(jù)建立初始工況并進行系統(tǒng)分析
　　實現(xiàn)SIS系統(tǒng)到SIM系統(tǒng)的連接，調(diào)用SIS數(shù)據(jù)庫中某一特定工況下的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)通道下載給SIM，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的比較，不斷地調(diào)整實時仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)的數(shù)值(開關量可以通過開關閥門、泵等手段使其與現(xiàn)場數(shù)據(jù)一一對應；模擬量可以通過調(diào)整PID參數(shù)和動態(tài)特性等方法使其與現(xiàn)場數(shù)據(jù)盡可能的接近)。當現(xiàn)場數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的開關量保持一一對應而模擬量保持在允許偏差范圍之內(nèi)時，SIM系統(tǒng)就建立了一個與現(xiàn)場某一工況基本相同的初始工況，然后運行SIM系統(tǒng)，就可以再現(xiàn)在這一工況下發(fā)生的各種可能的現(xiàn)象和事件。SIM系統(tǒng)通過建立各種不同的初始工況，利用超實時(super-real-time)仿真技術，即仿真系統(tǒng)載入現(xiàn)場運行工況，然后在計算機的幫助下，在高出實時運行速度數(shù)倍的速度下模擬和再現(xiàn)電廠可能的運行工況，短時間內(nèi)快速預計實際過程系統(tǒng)數(shù)小時、數(shù)日甚至數(shù)月時間內(nèi)的電廠運行數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可以制定控制策略，消除故障隱患，調(diào)節(jié)運行參數(shù)，從而動態(tài)地保證電廠的安全和經(jīng)濟運行[9]。
　　4、結語
　　虛擬DCS技術的開發(fā)應用，可以進行實時控制系統(tǒng)DCS、實時信息系統(tǒng)SIS和實時仿真系統(tǒng)SIM的實時互聯(lián)，再結合數(shù)據(jù)庫技術和各種實時通信技術，就能充分地利用虛擬DCS技術的高度逼真性和開放性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、模型校驗和參數(shù)優(yōu)化等高級仿真控制功能。基于虛擬DCS這一先進技術的三大實時系統(tǒng)DCS、SIS和SIM的互聯(lián)應用，可以為大型發(fā)電廠安全、可靠和經(jīng)濟運行提供一種數(shù)字化保障。