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1　概述

目前，火電機組正向著大容量、高參數的方向發展，其運行安全性和經濟性在一定程度上依賴于運行控制水平的高低，因此對運行人員的熟練操作及處理事故的能力有了更高的要求，同時隨著機組的自動化控制水平的提高，運行人員在實際機組上的操作機會將會更少，為了使運行人員得到有效的運行操作培訓，也為了能培養出全能值班員，全范圍仿真培訓裝置的必要性越來越明顯。

而OTS仿真培訓系統能使電廠運行人員熟練地掌握機組啟、停和正常運行的全程操作，避免誤操作情況的發生，幫助運行人員全面地掌握機組的運行特性，可有效地提高運行人員對機組的調控能力；同時仿真機具有電廠常見事故的模擬功能，事故現象逼真，能夠滿足運行人員對運行培訓、熱工保護、調節控制、事故分析的學習要求，以及通過仿真機可以進行機組運行特性的分析研究，驗證機組運行操作規程，改善和提高機組的運行操作技術方法，從而有效地提高機組運行的經濟性。

目前，企業對安全性、經濟性等指標的要求越來越高，OTS仿真培訓系統在電廠的安全經濟運行方面會發揮出越來越大的作用。

2　基于虛擬DCS的仿真系統結構

目前電廠仿真培訓系統中最常用的再現DCS的方法有仿真式和全激勵式兩種。仿真式是根據DCS的組態圖、屏幕顯示畫面及操作，在新的軟硬件環境下重新編程，實現其控制策略和人機接口等功能，最后達到與仿真對象一致的效果。這種方式實現成本不高，但有以下不足之處:

（1）仿真式只能實現控制系統的部分仿真，軟件逼真度和可信度不夠高，而且在操作員的操作方式、操作習慣方面都會因為二者的開發平臺不一樣，產生差異，難以實現與現場完全相同的DCS環境，無法達到真正意義上的全仿真效果。

（2）當現場控制系統組態改動時，仿真機的控制系統跟蹤修改繁瑣困難，擴展性、適應性差。

（3）對熱控人員無法進行邏輯修改、控制參數整定等培訓。

全激勵式DCS省略了輸入/輸出等卡件，采用真實DCS的硬件軟件和網絡系統的適當配置來再現DCS，它具有極高的軟硬件逼真度，可在仿真機上方便地進行控制算法分析研究及改進工作。這種方式的缺點是軟硬件實現成本高、結構復雜、移植性差、與模型系統連接較困難。

鑒于兩種方式都存在缺陷，和利時開發了基于虛擬DCS的仿真系統。該控制系統的仿真采用真實DCS技術，以真正的DCS軟件及虛擬DPU軟件為基礎，系統結構、圖形組態、邏輯組態完全與現場一致，組態文件可被直接導入到仿真機。虛擬DCS的仿真系統具有仿真精度高、開發周期短、仿真效果好的特點。虛擬DPU技術是指將真實DCS的DPU虛擬軟件化，開發的虛擬DPU軟件能夠完全代替真實DPU的計算、通訊功能，從而降低用戶的使用與維護成本。

圖1 傳統仿真機與虛擬DCS仿真機比較

3　仿真系統硬件組成

仿真系統由仿真主機（模型站兼教練員站）、DCS&DEH操作站、就地操作站、DCS站（DCS服務器兼工程師站）、虛擬DPU站、網絡設備等組成。DCS操作員站的數量根據用戶需要配置，并且可以隨時擴充，其硬件構成如圖2所示：

圖2 仿真機系統硬件結構圖

4　仿真系統軟件組成及功能

仿真系統軟件包括操作系統軟件、仿真支撐平臺軟件、數學模型軟件、教練員功能軟件、DCS操作員站軟件、多媒體仿真軟件、DCS工程師站軟件、就地站及虛擬盤臺軟件等幾部分，圖3所示：

圖3 仿真機軟件構成

4.1　系統軟件

主機和各操作站均采用Windows操作系統，具有界面友好、開放性高、可適用于不同機型的特點。

4.2　仿真支撐平臺軟件

仿真支撐平臺軟件是介于仿真系統和計算機操作系統之間的可視化仿真支撐系統，運行在Windows操作系統上。其主要特點如下：

（1）實時網絡數據庫：專門為大型仿真系統設計的網絡實時數據庫，可以管理變量達數百萬個、數據上千萬個，可實現多個模型的分布式計算、動態數據顯示與在線數據修改，滿足大型實時仿真系統的開發和運行的需要。

（2）數據可視化：提供多種數據可視化方式，如表格、曲線、流程圖、直方圖和虛擬盤臺等。

（3）圖形化建模：用戶可以方便地利用系統提供的可視化單元，完成電站所需的運行畫面的組態，提高工程化水平、提高開發效率。

（4）在線調試：在各種顯示方式下，都可以對數據庫中的任意數據進行在線修改。

（5）協同開發：支持多人在網絡環境下的程序協同開發，提供了從程序編輯、變量掃描、編譯、連接到運行、調試等全過程的支持。

（6）進程控制：完整的指導教師工作站功能，主要包括模型的運行與停止、凍結與解凍、故障設置、工況保存、運行狀態的顯示。

（7）仿真精度高：具有高精度的仿真周期，最小仿真步長可以達到10毫秒，數據刷新時間步長可以達到50毫秒。

（8）多流程仿真：多流程支持功能，可以在一套硬件系統上同時開發或運行不同的仿真系統，或者同一套仿真系統的多個實例。

（9）支持OPC協議。

（10）可視化圖形建模系統與強大的在線調試功能，大大提高了開發速度、降低了開發難度、縮短了開發周期、提高了系統可維護性。

4.3　數學模型軟件

數學模型根據工程實際訂制開發，以基本物理原則為基礎，以實際機組的資料為依據，采用圖形化建模方式完成。所建模型精度高，能完整地描述機組的靜態和動態的全過程，包括從鍋爐點火、升溫、升壓等各種工況下的啟動、并網、升負荷以及正常停機和各種事故現象。數學模型軟件由以下幾部分組成：

（1）鍋爐系統數學模型軟件；

（2）汽機系統數學模型軟件；

（3）電氣系統數學模型軟件；

（4）控制系統數學模型軟件；

（5）其他系統數學模型軟件；

4.4　教練員站功能

仿真機的教練員站是多功能、多用途的培訓訓練中心。在教練員站軟件和硬件配置基礎上成為仿真機運行的最主要的人機界面，在實時情況下進行教練員與仿真機之間的信息傳輸。所完成的仿真培訓的基本任務是：

（1）教練員能方便地控制和監視學員的操作；

（2）教練員根據學員的業務能力選擇組合項目；

（3）教練員和軟件工程師可由教練員臺訪問實時數據庫；

（4）采用文字、數據、表格、圖形等方式顯示，借助彩色LCD，鍵盤等實現。

教練員站主要用來設定各種工況和事故，對學員進行培訓。仿真機的主要功能都是由教練員通過教練員工作站發出指令來實現的。教練員站功能軟件被集成在仿真支撐平臺軟件中，運行于模型服務器上。

教練員功能用于控制整個仿真系統的運行，它主要包括以下項目：

（1）啟動和停止

啟動功能自動裝入仿真程序，使系統進入仿真機運行狀態。停止功能使教練員方便地停止仿真機的運行。

（2）初始工況的選擇

教練員可方便地選擇所需的初始運行工況，并使仿真機的運行狀態處于已選擇好的工況點。用戶可以自己設置任意多的初始工況。

（3）凍結與解凍

凍結功能允許教練員在仿真機運行的任何時刻凍結，使之處于凍結狀態，凍結時刻存在的所有參數與狀態保持不變。解除凍結使系統重新進入運行狀態。

（4）工況存儲和調用

工況存儲和調用功能允許在仿真機運行過程中隨時記錄當前工況和調用任何一個已經存儲的工況。

（5）監視變量

在仿真機運行中，教練員可以通過多種方式顯示模型中的任意變量，以監視模型的運行狀況。

（6）設置故障

允許教練員設置單個或成組故障。

（7）參數修改

允許教練員修改仿真機組的外部參數。

4.5　DCS工程師站

工程師站用于程序開發、系統診斷、控制系統組態、數據庫和畫面的編輯及修改、控制邏輯編譯和下裝。同時工程師能實現操作員所有的監視和操作功能。

4.6　虛擬DPU軟件

虛擬DPU軟件完全實現真實DPU的計算與通訊功能，只需運行在普通計算機上即可，不僅提高了仿真系統真實度和拓展了仿真系統功能，同時不需采用真實的DPU硬件，從而大大地降低了仿真機的使用與維護成本。正是由于采用了虛擬DPU技術，仿真系統才能夠使用真正的DCS軟件，才是真正意義上的虛擬DCS仿真機。

4.7　DCS/DEH操作員站功能

操作員站用于完成實時數據采集、動態數據顯示、過程自動控制、順序控制、高級控制、報警和日志檢測、監視、操作，對數據進行記錄、統計、顯示、打印等處理。對于虛擬DCS仿真機，采用真正的DCS操作員站軟件，其功能與真實DCS完全一樣，因此DCS的畫面顯示、操作界面以及用戶感受等都與現場完全一致。

操作員站的基本功能如下：

（1）監視系統內每一個模擬量和數字量及所有工藝流程，以列表的形式查看組成一組的點的信息；

（2）顯示并報警發聲，包括工藝報警、設備報警；

（3）顯示操作指導、操作記錄；

（4）建立趨勢畫面并獲得趨勢信息；

（5）打印報表；

（6）屏幕拷貝；

（7）自動和手動控制方式的選擇；

（8）調整過程設定值和偏置等；

（9）歷史數據查詢；

（10）查看日志信息。

4.8　就地操作站功能

就地操作站軟件采用了與DCS操作員站相同的軟件，其畫面顯示、操作界面以及用戶感受等都與DCS操作員站完全一致，使用戶更容易接受和習慣，同時也具備了DCS操作員站與就地操作員站之間任意切換的功能。

就地操作站功能軟件主要實現電廠中需到現場進行就地操作，以及實現各種保護柜、勵磁柜，快切裝置柜、直流柜等虛擬盤臺上的操作。

5　應用實例

5.1　項目背景

陜西某電廠2×600MW機組選用OTS作為仿真培訓平臺，現場位于陜西省榆林市。項目以其電廠#3機組為仿真對象，DCS采用改為：HOLLiASMACSV6系統，鍋爐是由上海鍋爐廠有限公司制造的亞臨界參數Ⅱ型汽包爐，汽輪機采用上海汽輪機有限公司設計制造的亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機。發電機采用上海汽輪發電機有限公司生產的QFSN-600-2型600MW汽輪發電機。仿真系統采用虛擬DPU技術來實現，工藝模型與虛擬控制器通過OPC通訊實現數據傳送。

5.2　項目仿真范圍及功能

整個仿真系統涵蓋了運行操作人員啟停機需要操作的主要設備，以及從冷態到最大連續出力運行的所有運行方式，保證在整個運行范圍內的連續性。仿真機還能仿真包括涉及故障、非正常操作事件和事故及相應的瞬態過程。其功能如下：

（1）操作過程與現場真實操作方式一致，實現了在不影響正常生產運行的前提下，提高了運行操作人員的操作水平；仿真采用虛擬DPU方式，可同時對運行人員、熱控人員進行培訓；

（2）DCS組態無需經過任何修改，能被直接用于仿真機，縮短了調試周期；

（3）OTS仿真培訓系統設有故障點加載功能，培訓教師可在正常運行中隨時加入故障點，以達到提高運行操作人員的事故處理能力；

（4）采用與現場一致的DCS組態邏輯，可以通過仿真平臺測試、優化改造方案，試驗成功后，再將修改后的組態導入到真實DCS軟件中，從而降低邏輯變更帶來的潛在風險。

5.3　應用創新性

（1）先進的虛擬DPU技術

• 實現DCS分散處理單元的仿真，模擬真實DPU的運算過程；

• 與真實DCS軟件無縫對接，實現現場DCS工程文件和仿真DCS工程文件相互導入；

• 模擬DCS主控、模塊、通道等儀控故障；

• 實現真實DCS仿真系統下的自由分組培訓。

（2） 智能重演

• 歷史重演：回放現場DCS歷史數據進行事故分析；

• 數據重演：在仿真系統上還原事故操作過程，制定反事故規程；

• 操作重演：支持隨時暫停、回退進行新操作，推演正確操作方式。

圖4 虛擬控制器

（3） DCS數字孿生

• 真實控制機柜1:1建模，實現電子間三維漫游；

• DCS模塊拆解、安裝與接線，實現自感知硬件設計與驗證；

• 與真實控制器同步通訊，實現數據聯動；

• DCS故障診斷與演練，實現故障可視化。

圖5 三維電子間

6　結束語

由于目前火電廠自動化程度大大提高，運行人員操作機會相對減少，一旦發生故障和事故時, 需要能夠進行及時、正確的處理。在短暫的時間里，依據機組運行經驗, 正確判斷出事故現象及故障原因, 進行合理的操作與協調, 排除事故現象, 保證機組安全運行。為了進一步提高運行人員對事故狀態的快速應變及處理能力, 通過配置與單元機組完全一致的仿真系統, 運行人員可通過機組在各種工況下的啟動、停止、正常運行操作, 加深對系統的認識, 提高準確判斷、處理事故的能力, 并提高事故情況下操作的正確率。同時也為各種工況下運行技術的分析和控制系統研究創造了實時和在線的環境, 應用基于虛擬DCS的仿真系統可進行發電機組運行方式研究, 如機組啟、停、變工況等可能運行方式的研究, 為提高機組運行的安全性、可靠性、經濟性以及確定相應的規程和標準提供依據。

摘自《自動化博覽》2020年8月刊