虚拟DCS技术与大型发电厂实时系统互联应用

结合虚拟DCS系统仿真控制技术，探讨了电厂集散控制系统DCS、信息系统SIS 和仿真系统SIM 这三大实时系统互联应用的可行性。实现三大实时系统互联的关键是使真实DCS和虚拟DCS的I/ O接口数据和组态数据一一对应。虚拟DCS通过智能编译和真实DCS系统达到同步更新，SIS系统和SIM系统利用数据库比较技术和实时通信技术进行数据连接。充分利用虚拟DCS技术的高度逼真性和开放性，实现了三大实时系统的实时互联，可以完成数据分析、模型校验和参数优化等高级仿真功能，扩大了虚拟DCS控制系统的应用范围，提升了应用层次和仿真品质。 目前， 我国电力工业进入了一个新的建设高潮，正在新建众多大型发电机组， 同时对已服役多年的大机组进行改造。本次建设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作紧密相连的实时系统的数字化功能，以全面提高大型发电厂生产运行的安全性和经济性。本文从虚拟集散控制系统(distributed control system ，DCS) 技术的角度出发，根据作者的开发实践，力图较完整地提出大型发电厂三大实时系统互联应用的技术路线和工程方法，为扩大应用范围和提升应用层次提供一些参考。 一、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135 MW， 300 MW 和600 MW 发电机组的发电企业。由于是连续进行发电的生产过程， 机组的实时控制系统DCS成为生产的关键系统， 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基础上，各大型发电厂在实时控制系统DCS之外，大力发展了实时信息系统SIS(supervisory information system) 和实时仿真系统SIM(simulator system) ， 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管理信息系统MIS (management information system) 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生产过程综合优化服务的生产过程实时管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。 图1 大型发电厂的三大实时系统 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100 ms 级，以满足对大型火力发电机组进行控制、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设时间和供货来源不同， 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设完善，为了达到利用数字化技术手段提高大型机组的安全性和经济性的目的，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构想。新的实时系统互联应用要求包括： ① 实现DCS系统到SIM系统的连接，能够实现对DCS系统的控制组态、参数设定等方面的程序下载，提高虚拟DCS的控制品质，能更好地进行热控人员培训； ② 能够实现SIM系统到DCS系统的连接，从而进行动态试验， 并根据数学模型的计算结果进行DCS系统的性能优化或异常分析；③ 能够实现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，从而为进一步机组状态分析提供起始运算点； ④ 能够实现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行方便的比较，做出正确的判断。 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数据通信和组态数据。正是有了全新开发的虚拟DCS系统和虚拟I/O ，才能使数据和逻辑一一对应，使三大实时系统互联应用成为可能。 二、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、全过程、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， 设置完全相同的功能模块和控制参数。为了实现以上要求，可以采用DCS“激励”或“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整的虚拟DCS软件包，以满足应用要求。在参照国外技术和深入研究各种DCS的基础上， 作者自主开发了虚拟DCS技术，不仅能提供给仿真系统使用，也可以成为实时系统互联的核心部分。 虚拟DCS( virtual DCS) 是相对于大型火力发电机组控制领域的真实DCS( real DCS) 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，具体地说，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来源于从DCS工程师站下载的组态文件， 使用与真实DCS系统相同的控制算法、模块、时间片、位号等，能够随着真实DCS系统的修改与更新， 同步进行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OOP(object-oriented programming) 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管理数据和执行算法[6～8] 。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。 图2 虚拟DCS的内容 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，主要是因为其遵循的技术思路具有发电厂控制接口和组态的现实基础。可以看出，DCS系统的I/ O 点、SIS 系统的实时通信数据库点、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，在软件功能上也相同。除数学模型仿真了发电厂机组设备之外，虚拟DCS系统能够实现在计算机上再现真实的DCS系统， 并对数学模型进行与现实完全一致的控制。在数字平台上可以多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的主要技术部分包括： 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运行服务器， 采用面向对象的程序技术，在服务器上通过程序调度， 分层分块对整个虚拟DCS进行实时运算处理， 同时提供适合于仿真控制应用的服务器功能； 3、提供虚拟DCS调试环境， 可以通过实时网络浏览交互， 对虚拟DCS服务器上的任何对象模块和参数进行显示和设置，跟踪软件调试或运行的全范围和全过程。 三、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 部分组成：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控制系统都足够精确时，才能认为这个仿真系统可以模拟对象电厂的真实操作和控制，用其进行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精确，能够正确模拟真实电厂各种可能工况的基础之上的。 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共享，作者认为可以实施以下一系列的实时系统。 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来源于从DCS工程师站下载的组态文件，并使用与真实DCS系统相同的控制算法、模块、时间片、位号等。可以认为，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， 从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，然后通过比较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。 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， 能够随着真实DCS系统的更新而同步进行更新。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， 避免由于手工编写控制代码而产生的错误。 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， 其控制的正确性和安全性是非常重要的。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上进行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行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，利用其进行的逻辑和参数校验可以正确地反映真实DCS的控制过程和效果。 4、真实DCS与虚拟DCS数据比较 实时信息系统SIS 利用实时通信从真实DCS上取得实时在线数据。实时仿真系统SIM 利用千兆网络通信从仿真实时数据库上取得仿真数据。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，进行比较、判断和显示。 仿真数据与现场数据的