基于虚拟DCS的仿真系统设计与开发.docx

基于虚拟DCS的仿真系统设计与开发Design and Development of Simulation System Based on Virtual DCS摘要：根据虚拟DCS原理与技术，设计并开发了一套基于虚拟DCS的火电机组仿真系统，应用于火电厂运行与控制人员的培训。关键词：虚拟DCS；火电机组；仿真系统Abstract：By the principle and technology of virtual DCS, a simulation system based on virtual DCS was designed and developed, which was used for training operator and control engineer in fossil power plant.Key words：Virtual DCS, Fossil Power Unit, Simulation System1 引言DCS操作员站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DCS工程师站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DCS工程师站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DCS操作员站DCS程序监视操作DPUI/O卡件仿真服务器仿真支撑系统与模型 （不含控制部分）仿真服务器仿真支撑系统与模型 （包含控制部分）实际过程对象硬接线DPU运算站虚拟DPU程序数据通讯数据通讯虚拟DCS仿真模式传统仿真模式实际过程图1 实际过程与仿真的逻辑结构单元机组采用DCS后，火电厂直接面对的一个问题就是如何有效地对运行人员进行培训，如何使运行人员、热工控制人员对整个DCS有一个系统的了解，这个问题不仅影响到电厂的安全和经济运行，而且关系到能否充分发挥DCS的作用与功能。然而，当DCS系统投入后，为了保证运行可靠和安全，不允许对实际DCS进行频繁的试验性操作，因此，基于实际DCS的培训是不现实的，虚拟DCS技术则应运而生。虚拟DCS就是将真实DCS系统以软件的形式予以再现，从而实现控制系统的激励模式仿真。因此基于虚拟DCS的火电机组仿真机不仅可以用来培训集控运行人员，也可以用于热控人员的培训。大屯电厂的仿真机正是以LN2000控制系统为基础建立的虚拟DCS型激励式全范围仿真机。2 原理分析基于虚拟DCS的火电机组仿真机主要由仿真支撑平台、虚拟DCS、及其之间的数据接口组成。传统仿真机一般存在于一个支撑平台上，以现场的实际设备或者过程为原型，构建仿真模型。单元火电机组的仿真对象主要包括锅炉、汽机、电气、热控等专业的设备与过程。由于虚拟DCS实现了控制系统的仿真，因此仿真支撑平台可以不再包含热控仿真模型。图2 基于虚拟DCS的仿真系统结构示意图虚拟DCS的构成与实际DCS一样，主要是由分散处理单元（DPU）和人机界面（HMI）构成。虚拟DPU是虚拟DCS的核心。是指将实际分散控制单元中的DPU功能移植到虚拟DPU软件上，使DPU功能脱离实际硬件而实现的。这样整个虚拟DCS系统就可以脱离数据采集及数据运算硬件设备而工作。人机界面在虚拟DCS中主要有真实HMI和仿真HMI两种表现形式。在实现虚拟DCS的前提下，建立虚拟DCS与仿真模型的通信接口，由仿真系统构成的仿真对象经过运算之后，各模型的状态数据通过通信网络传递给虚拟DCS。虚拟DPU接受仿真系统的数据驱动后，将运算结果传递给HMI显示，同时传递给仿真模型，复现实际DCS中的数据控制运算功能。图1为实际过程、虚拟DCS仿真模式、传统仿真模式的逻辑结构比较。从图中可以看出，与传统的仿真相比，虚拟DCS仿真更能够复现实际机组的DCS系统，并与实际系统的逻辑结构相同，没有传统仿真中逻辑关系上的混乱与逻辑环节的缺失。传统仿真将控制算法与模型连接在一起，只是实现了DCS 外观功能的仿真，对于工程师站的组态仿真则无能为力，仿真培训对象只能局限于运行人员，缺乏对热控人员的培训功能。3 结构设计仿真机的硬件包括一台模型服务器（LN服务器）、一台虚拟DPU服务器（VDPU服务器）、一台虚拟DCS的工程师站、若干台操作员站等主要设备，以及交换机、网线、投影仪、打印机等附属设备。与传统的仿真机相比较，在设备项目上主要增加了一台虚拟DPU服务器。通过虚拟DPU主要实现控制逻辑的仿真，并将逻辑运算的结果发送给操作员站和模型服务器。因此在数据流程上与传统仿真机也不再相同，更加贴近真实系统。模型服务器不再直接与操作员站交换数据，而是通过数据接口与虚拟DCS系统交换数据。LN模型服务器主要用来运行仿真支撑平台和仿真模型。LN仿真支撑平台提供仿真模型的运行环境，实现仿真模型模块间的同步、控制以及数据接口，管理仿真系统数据，并提供仿真模型的建立、修改和调试的功能。仿真模型由多个模块组成，实现对被仿真对象实际模型的仿真，火电机组的仿真模型包括由锅炉、汽机和电气等模型构件。VDPU服务器主要用来运行虚拟DPU程序，利用多线程技术，建立多个虚拟DPU，实现DPU和控制逻辑运算的仿真。而数据库的配置、SAMA图的组态、操作员界面的组态等功能则由虚拟DCS的工程师站来实现。操作员站主要用来模拟人机交互界面，采用真实的HMI可以获得与现场完全一致的仿真效果，但软件的成本往往过高。利用第三方软件重新组态的HMI，可以获得高逼真度的仿真界面，对于大多数仿真机来讲是一种非常实用的技术方案。网络设备主要用来进行数据的传输与交换，一是VDPU服务器与操作员站之间的数据传输，二是VDPU服务器与LN服务器之间的数据传输。在虚拟DCS系统中，虚拟DPU和操作员HMI采用统一的数据库，在VDPU服务器中进行配置。而仿真模型数据库与虚拟DCS系统数据库一般并不相同，二者之间的数据传输需要进行特殊的配置。投影仪主要用来模拟集控室内的盘台，通过软件来实现盘台的仿真，避免了硬件盘台的资金和维护困难。同时它可以连接到任意一台操作员站上，方便教学。4 开发过程4.1 虚拟DCS的开发虚拟DCS技术是整个项目的关键，整套虚拟DCS由LN控制系统改造而成，主要是虚拟DPU的实现。试验应用表明，一台性能较好的服务器即可完成一台火电单元机组所有DPU的运算量。根据仿真机的标准和培训需求，虚拟DCS必须实现与仿真模型同步的培训功能，如初始条件的加载、模型运算的冻结与解冻、临时状态的快照、回退和重演功能，而这些是真实的DCS系统所不具备的。DCS AO仿真模型AIDCS DI仿真模型DODCS AI仿真模型AODCS DO仿真模型DI通信接口仿真模型数据库DCS数据库图3 仿真模型与DCS间的通信接口由于大屯电厂的控制系统并不是LN系列产品，不能将现场实际的DCS工程文件直接拷贝使用，必须在新的虚拟DCS内重新组态。组态的内容包括DPU内运算的SAMA图和操作员站人机界面。虚拟DCS包括90多种控制算法模块，涵盖输入输出、数学运算、逻辑功能、控制功能、信号源、选择功能、时间功能、线性对象、非线性对象等常见类型，能够完成不同DCS系统SAMA图的重新组态仿真。为了能够仿真不同DCS系统的人机界面，对虚拟DCS的HMI组态工具进行了改造，扩充了图形控件。为了使仿真系统尽可能的简单以便于使用与维护，虚拟DCS的仿真内容除了现场DCS系统，还包括FSSS、DEH系统等独立于DCS之外的控制系统和就地操作的仿真，因此必须增加虚拟DPU的数量，HMI也同样增加。4.2 仿真模型的开发设备的仿真模型是仿真系统的核心，算法模块是仿真精度的基础。所有的算法采用C语言开发，算法模块是模型的最小单元。一个（或一组）模块用于模拟一个仿真对象实体，模块间的连接关系体现了仿真对象中各实体间的关系。仿真模型构件可以由一个或多个模块组成，反映一定抽象层次上的实际系统部件的特性。根据仿真范围，单元火电机组的仿真型由锅炉模型构件、汽机模型构件、电气模型构件。而控制模型构件的功能由虚拟DCS支撑平台实现。工质的流动计算是热物理计算的基础，由专门流体网络程序进行模拟，保证了仿真精度和速度。电网络计算也采用了同样的方法。仿真的变速功能一般应用在大容量系统，如汽包上水、汽轮机暖缸等，由于并不涉及控制系统，实现方法与传统仿真机相同。4.3 仿真系统的联调虚拟DCS数据库为实际运行系统的组态数据库，主要包括AI，AO，DI，DO数据类型，在实际DCS中对应现场的测点与执行机构，其构成、组态由控制工程设计人员完成。仿真模型数据库依据现场的实际设备及工艺流程，由仿真机建模人员使用仿真支撑系统设计完成。在虚拟DCS和仿真模型开发完成以后，就可以将二者连接起来进行整体调试。根据模型工程师和DCS工程师分别提供输入输出清单，使模型侧数据点和DCS侧数据点一一匹配起来。5 应用与结论基于虚拟DCS的仿真系统清楚地界定了控制与控制对象，使得仿真系统的开发工作分工更加清晰和专业化，尤其是控制系统的仿真更加贴近真实DCS系统的组态。不仅降低了开发难度，而且有利于提高仿真逼真度。热控人员可以在仿真机上进行数据库组态、SAMA图组态、逻辑调整、HMI组态等培训，并成功地进行了一次热控技术比武。基于虚拟DCS的仿真系统的锅炉、汽机、电气模型的开发方式与常规仿真机相同，因此仿真范围和精度并没有改变，对集控运行人员培训的功能并没有减弱。作为仿真培训的辅助工具，抽点、回退、重演等功能得到了较好的解决。基于虚拟DCS的激励式仿真系统能够很好地弥补这一缺点，是节省投资、缩短开发周期、获得最高逼真度和最多应用功能的理想技术方案。参考文献：1韩璞等，基于虚拟DCS的激励式仿真系统分析与设计，华北电力大学学报，2005，（32），22王立志等，虚拟DCS技术及实现，山东电力技术，2004，53冷杉，论虚拟分散控制系统技术，中国电力，2003，（36），2附录资料：不需要的可以自行删除                       VIW虚拟因特网教室第一章 概述（  ）因特网教室，是一个在局域网环境中模拟因特网的教学系统，它采用多种先进的网络技术，把因特网带进校园，让学校的师生在校园网中即可模拟上因特网，无须拨号，也不必通过代理服务器，只要在任一浏览器中敲入所需网址，就可完成恰似在因特网上才能实现的全部功能，从而实现信息的交换、发布与检索。这样，学生和老师在花费极少的校园网环境中就可遨游乐趣无穷的：搜索浏览自己感兴趣的网站，查询收集与课题相关的信息以辅助教学或学习，使用电子邮件进行交流与沟通，在上贴帖子，对某些问题发表自己独特的见解，在谈天说地中畅所欲言，大侃特侃，在下载专区中下载各种软件，在留言板中提出你的意见等等，让师生们在校园局域网中充分过把上瘾。提供了包罗万象的网站和功能强大的系统管理程序。此网站中的因特网基础知识一栏，为学生们进入上好第一堂入门课。为紧密配合教学，还集成了十多个与教学有关的网站，使你几乎在瞬间便可浏览众多网站。同时，在下载专区里提供了一系列流行的常用软件工具，让你快速下载到本地计算机上。另外， 还展示了五花八门的网页特技， 让你耳目一新，跃跃欲试。在基于操作系统的服务器上，增加了系统管理主程序（该程序还可在网站管理频道中直接调用），包括用户管理与网站管理，规定了有哪些用户创建，维护哪些站点等等，师生们可以在这里创建与维护各年级、各教研室、各班级、甚至个人的网站，从而把校园的信息发布到中去，达到资源共享，二次开发的目的。第二章 系统要求硬件配置. 服务器最低配置标准配置最佳配置 以上 以上 以上内存以上以上以上硬盘以上剩余空间以上剩余空间以上剩余空间网卡以上带宽以上带宽以上带宽. 工作站最低配置标准配置最佳配置 以上 以上以上内存以上以上以上显示卡以上显存以上显存以上显存网卡以上带宽以上带宽以上带宽声卡 全双工声卡(可选) 全双工声卡(可选) 全双工声卡软件配置. 服务器 服务器系统， 服务器软件，因特网教室软件。   工作站 、 、   或 ，通讯协议，浏览器（推荐使用以上的浏览器）。第三章 产品功能因特网基础知识的学习电子邮件的收发网站搜索资料的下载网上留言网上聊天网上公告网上资料库的管理因特网网页制作特技网站的管理第四章 产品特色因特网教室具有以下特点：安装简便，由于采用性能优越的架构，服务器端仅需装网络操作系统与因特网教室系统管理主程序，客户端安装任意类型的浏览器即可 。稳定性强，由于服务器端基于大型网络应用平台，该平台具有强大的技术后盾，可靠性强、安全性高。经济实惠，由于在局域网中操作，没有电话费，也没有上网费，极大减少了教学成本。兼容性强，客户端支持 ， 和  操作系统和任意类型的浏览器。操作简易，模拟上网极其简单，无须拨号，也不必通过代理服务器，只要在校园网任一浏览器中敲入所要网址即可。效率高，由于网站实际是在本地服务器上，所以上网相当于全部在宽频网络上高速运行，你尽可瞬时一览无遗。功能全，浓缩了的全部功能，只要互联网有的，这里都可以找到。中还集成了十多个与教学有关的网站，使你呆在校园里便知天下事。同时，还可以把其它网站的信息下载到本地服务器中，由网站系统管理员经过筛选来进行统一管理，达到减少上网次数与资源共享的目的。中增加的教学示范，比如因特网基础知识、电子邮件、网页特技、 资料库管理示范等，让学生们边学习、边实践，是一本不可多得的百科全书。 在中的用户管理与网站管理程序，让师生们积极创建与维护各个站点，完全调动了他们的主动性，激发了他们的创造力， 从而让校园在大舞台上充分展示自己的风采。第五章 适应范围校园网培训教室多媒体教室企业内局域网第六章 产品安装和设置产品包含：蓝点系统盘、 主程序光盘、范例网站光盘；          产品使用手册一本；          网卡一块；第七章 安装与启动因特网教室采用性能优越的架构，服务器端必须在功能强大的网络操作系统下运行，而客户端（仅需安装浏览器）可任意在、 、 操作系统上执行，且支持所有类型的浏览器。安装服务器端服务器端必须安装网络操作系统（含服务器）、因特网教室。第1节 安装网络操作系统关于安装网络操作系统， 请参阅的安装手册。在安装过程中，选择定制安装后，出现待安装软件列表，建议安装该列表中的全部软件。安装完后，在服务器上用命令来设置网络，出现网络设定窗口，进行一些配置：在客户端工作区域里，用上下箭头键选择主机基本资料选项，然后按回车键，进入这部主机的基本设定窗口。在主机名文本框中，输入 服务器名称，然后用上下箭头把光标移到网卡一栏，应特别注意，在主要名称及网域文本框中输入的内容必须与主机名文本框中的一致。第2节 安装因特网教室首先进入光盘的目录，若您的网卡为网卡，请先在的命令行上敲入程序，然后用 进行主机基本网络设定，并重启机器。网卡安装成功后，再进入光盘的目录，在的命令行上敲入，再按回车键，系统便会把因特网教室安装到服务器上的目录上（文件夹是系统自动生成的默认目的文件夹），当然用户也可以自己定义目的文件夹，只需在 后加上目的文件夹的路径。安装结束后，系统会提示重启机器。 重新启动机器后，用帐号登录，便可进入因特网教室系统管理的主界面了，如图所示。图安装客户端客户端可任意在、 、 操作系统上执行，且支持所有类型的浏览器（推荐使用以上的浏览器）。关于安装上述操作系统与浏览器，请参阅相关的安装手册，此处不必赘述：客户端安装完以后，需要加入域名服务器（以为例），具体做法是：打开控制面板，双击网络图标或在网上邻居图标上右键单击属性选项，打开网络对话框，从网络组件中单击, 如图所示。图 单击属性按钮, 进入图。图 在图中，单击配置选项卡，选中启用 ()，输入主机、域名与校园网域名服务器地址（此地址即为服务器的地址），比如，按添加()按钮，进入图。图 在图上，刚才添加的域名服务器地址已移到下面的空白框中去了，这时按确定按钮，结束此项设置。(注：本次发行的版本，在使用范例网站时，版主名为，密码为)七、产品适用范围