Design and Development of Simulation System Based on Virtual DCS
程祥武1，李成银1，赵登科1，王自岭2
（1.上海大屯能源股份有限公司，江苏 徐州 221611；2.山东电力研究院，山东 济南 250002）
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 System
1 引言
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xxxx。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xxxx。
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xxxx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xxxx，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xxxx。LN仿真支撑平台提供xxxx的运行环境，实现xxxx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xxxx的建立、修改和调试的功能。xxxx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xxxx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xx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xxxx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xxxx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。
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 xxxx的开发
设备的xxxx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。xxxx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。xxxx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xxxx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xx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{zg}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），2
[2]王立志等，虚拟DCS技术及实现，山东电力技术，2004，5
[3]冷杉，论虚拟分散控制系统技术，中国电力，2003，（36），2
程祥武1，李成银1，赵登科1，王自岭2
（1.上海大屯能源股份有限公司，江苏 徐州 221611；2.山东电力研究院，山东 济南 250002）
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 System
1 引言
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xxxx。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xxxx。
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xxxx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xxxx，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xxxx。LN仿真支撑平台提供xxxx的运行环境，实现xxxx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xxxx的建立、修改和调试的功能。xxxx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xxxx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xx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xxxx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xxxx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。
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 xxxx的开发
设备的xxxx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。xxxx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。xxxx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xxxx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xx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{zg}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），2
[2]王立志等，虚拟DCS技术及实现，山东电力技术，2004，5
[3]冷杉，论虚拟分散控制系统技术，中国电力，2003，（36），2
