虛擬DCS技術與大型發電廠實時系統互聯應用

　　目前，我國電力工業進入了一個新的建設高潮，正在新建眾多大型發電機組，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，充分發揮與發電設備和人員操作緊密相連的實時系統的數字化功能，以全面提高大型發電廠生產運行的安全性和經濟性。本文從虛擬集散控制系統(distributedcontrolsystem，DCS)技術的角度出發，根據作者的開發實踐，力圖較完整地提出大型發電廠三大實時系統互聯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、大型發電廠的實時系統
　　我國的大型火力發電廠一般指安裝了多臺135MW，300MW和600MW發電機組的發電企業。由于是連續進行發電的生產過程，機組的實時控制系統DCS成為生產的關鍵系統，處于運行控制的核心地位。近年來，在計算機網絡技術和數學模型技術不斷進步的基礎上，各大型發電廠在實時控制系統DCS之外，大力發展了實時信息系統SIS(supervisoryinformationsystem)和實時仿真系統SIM(simulatorsystem)，這構成了所謂大型發電廠的三大實時系統。大型發電廠的三大實時系統是相對于非實時的管理信息系統MIS(managementinformationsystem)而言的，其系統如圖1所示，三大實時系統的主要功能：
　　1)實時控制系統DCS用于直接控制鍋爐、汽輪機和發電機組，實現邏輯和自動調節功能，保證機組的啟停和穩定運行；
　　2)實時信息系統SIS主要指為火電廠全廠實時生產過程綜合優化服務的生產過程實時管理和監控的信息系統[1，2]；
　　3)實時仿真系統SIM用于運行人員的培訓，并可用于機組運行控制和優化分析。

圖1大型發電廠的三大實時系統

　　這三大實時系統的工作目的、系統平臺和軟件功能各有不同，但其實時性要求都是一致的，各系統的響應時間都在100ms級，以滿足對大型火力發電機組進行控制、監測、仿真的大容量和高速度數據計算處理的需要。同時，這三大實時系統的建設時間和供貨來源不同，各自有很大的獨立性。隨著各大型發電廠高性能計算機信息網絡的不斷建設完善，為了達到利用數字化技術手段提高大型機組的安全性和經濟性的目的，各方對于這三大實時系統的互聯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。新的實時系統互聯應用要求包括：①實現DCS系統到SIM系統的連接，能夠實現對DCS系統的控制組態、參數設定等方面的程序下載，提高虛擬DCS的控制品質，能更好地進行熱控人員培訓；②能夠實現SIM系統到DCS系統的連接，從而進行動態試驗，并根據數學模型的計算結果進行DCS系統的性能優化或異常分析；③能夠實現SIS系統到SIM系統的連接，使仿真數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分析提供起始運算點；④能夠實現SIM系統到SIS系統的連接，使運行監控和決策人員可以對實時數據和仿真數據進行方便的比較，做出正確的判斷。
　　根據以上的要求，實現三大實時系統互聯的內容就是來自于DCS的I/O數據通信和組態數據。正是有了全新開發的虛擬DCS系統和虛擬I/O，才能使數據和邏輯一一對應，使三大實時系統互聯應用成為可能。
　　2、虛擬DCS技術
　　眾所周知，SIM系統是帶有爐、機、電控數學模型的實時計算系統。仿真數學模型應該是全范圍、全過程、高逼真度、相應的DCS控制系統的仿真，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。為了實現以上要求，可以采用DCS“激勵”或“虛擬”技術。目前在國外，有多個控制系統公司都開發了虛擬DCS技術，其中的一些仿真控制系統研發機構已經提供完整的虛擬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，作者自主開發了虛擬DCS技術，不僅能提供給仿真系統使用，也可以成為實時系統互聯的核心部分。
　　虛擬DCS(virtualDCS)是相對于大型火力發電機組控制領域的真實DCS(realDCS)而言的。虛擬DCS是要在非DCS計算機系統上再現DCS計算機系統，具體地說，就是要在非DCS系統的Windows平臺上，盡可能真實地由軟件再現建立在U2nix或Windows平臺上的真實DCS系統[3，4]。虛擬DCS的特點，是控制參數和算法完全來源于從DCS工程師站下載的組態文件，使用與真實DCS系統相同的控制算法、模塊、時間片、位號等，能夠隨著真實DCS系統的修改與更新，同步進行仿真系統的修改與更新，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]。采用面向對象OOP(object-orientedprogramming)程序設計技術，將虛擬DCS系統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據和執行算法[6～8]。作者已經和正在自主開發的虛擬DCS系統如圖2所示，其涵蓋了鍋爐控制、汽機控制、電氣控制、協調控制等全部自動控制系統，同時逐漸擴展到以各主要DCS系統為虛擬對象。

圖2虛擬DCS的內容

　　虛擬DCS之所以能在發電廠三大實時系統的互聯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電廠控制接口和組態的現實基礎。可以看出，DCS系統的I/O點、SIS系統的實時通信數據庫點、仿真機使用的虛擬I/O點，在位號和數據上是同一點；DCS系統的分散處理單元和虛擬DCS的程序，在軟件功能上也相同。除數學模型仿真了發電廠機組設備之外，虛擬DCS系統能夠實現在計算機上再現真實的DCS系統，并對數學模型進行與現實完全一致的控制。在數字平臺上可以多次重復再現的虛擬系統，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)開發虛擬DCS智能編譯轉換軟件，實現對DCS下載數據庫的智能轉換和虛擬代碼自動生成；
　　2)建立虛擬DCS運行服務器，采用面向對象的程序技術，在服務器上通過程序調度，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調試環境，可以通過實時網絡瀏覽交互，對虛擬DCS服務器上的任何對象模塊和參數進行顯示和設置，跟蹤軟件調試或運行的全范圍和全過程。
　　3、實時系統互聯應用
　　一般情況下，大型發電廠的實時仿真系統SIM主要由2部分組成：數學模型(包括鍋爐、汽機、電氣等主要的物理設備)和仿真DCS控制系統。只有當設備的數學模型和仿真DCS控制系統都足夠精確時，才能認為這個仿真系統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的應用內容，都是建立在電廠設備數學模型和仿真控制系統足夠精確，能夠正確模擬真實電廠各種可能工況的基礎之上的。
　　在實際開發中，為了將實時仿真系統SIM、實時信息系統SIS和集散控制系統DCS互聯起來，以實現數據交換和信息共享，作者認為可以實施以下一系列的實時系統。
　　3.1校驗數學模型
　　由于DCS控制系統仿真采用了較為先進的虛擬DCS技術，使得仿真控制系統的控制參數和算法完全來源于從DCS工程師站下載的組態文件，并使用與真實DCS系統相同的控制算法、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的功能逼真度和可信度很高。實現DCS系統到SIM系統的連接，從而可以使真實控制系統和仿真控制系統在參數和控制邏輯上最大限度地保持一致，然后通過比較數學模型和真實物理設備運行參數和運行狀態，可以動態地校驗數學模型的正確性，修改數學模型不完善的方程和參數。由于仿真控制系統的高度逼真性，使得對數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系統的更新而同步進行更新。所以實現DCS系統到SIM系統的連接，對于真實DCS系統的更新，仿真DCS只需要重新從工程師站上下載最新的DCS組態文件，再通過虛擬DCS智能編譯轉換軟件，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生的錯誤。
　　3.3校驗DCS邏輯和參數
　　DCS控制系統控制著鍋爐、汽機、發電機組等大型設備，其控制的正確性和安全性是非常重要的。DCS邏輯和控制參數的修改必須經過真實檢驗和運行才能應用于現場。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SIM系統到DCS系統的連接，可以利用仿真控制系統進行DCS邏輯和控制參數修改和校驗。由于虛擬DCS技術可以使仿真控制系統具有極高的逼真度，利用其進行的邏輯和參數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數據比較
　　實時信息系統SIS利用實時通信從真實DCS上取得實時在線數據。實時仿真系統SIM利用千兆網絡通信從仿真實時數據庫上取得仿真數據。實現SIM系統和SIS系統的互聯，可在同一平臺上合成現場數據和仿真數據，進行比較、判斷和顯示。
　　仿真數據與現場數據的比較分為兩大類：模擬量數據(AI，AO)和開關量數據(DI，DO)。開關量數據的比較采用一一對應的方法，而模擬量數據由于存在著一定的偏差和滯后，將按照數據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，再利用報警數據庫記錄所有誤差數據值和發生時間，以便于及時的修改和查詢。
　　3.5用SIS數據建立初始工況并進行系統分析
　　實現SIS系統到SIM系統的連接，調用SIS數據庫中某一特定工況下的現場數據，利用數據通道下載給SIM，通過現場數據和仿真數據的比較，不斷地調整實時仿真系統數據的數值(開關量可以通過開關閥門、泵等手段使其與現場數據一一對應；模擬量可以通過調整PID參數和動態特性等方法使其與現場數據盡可能的接近)。當現場數據和仿真數據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時，SIM系統就建立了一個與現場某一工況基本相同的初始工況，然后運行SIM系統，就可以再現在這一工況下發生的各種可能的現象和事件。SIM系統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，即仿真系統載入現場運行工況，然后在計算機的幫助下，在高出實時運行速度數倍的速度下模擬和再現電廠可能的運行工況，短時間內快速預計實際過程系統數小時、數日甚至數月時間內的電廠運行數據，通過這些數據可以制定控制策略，消除故障隱患，調節運行參數，從而動態地保證電廠的安全和經濟運行[9]。
　　4、結語
　　虛擬DCS技術的開發應用，可以進行實時控制系統DCS、實時信息系統SIS和實時仿真系統SIM的實時互聯，再結合數據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，實現數據分析、模型校驗和參數優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DCS、SIS和SIM的互聯應用，可以為大型發電廠安全、可靠和經濟運行提供一種數字化保障。