CN104077933A - 虚拟dcs仿真系统及其仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开虚拟DCS仿真系统及其仿真方法，其中虚拟DCS仿真系统包括：一DCS控制系统，所述DCS控制系统包括画面监控模块和组态模块，所述画面监控模块用于终端操作以及画面监测，所述组态模块提供实现仿真功能的组态配置环境，一控制虚拟控制器集群，所述控制虚拟控制器集群与DCS控制系统相互连通，还包括一仿真虚拟控制器集群，所述仿真虚拟控制器集群在组态配置环境下，构建不同物理设备模型及过程模型。还包括一仿真平台，所述仿真平台统一调度、管理控制虚拟控制器集群以及仿真虚拟控制器集群。本发明真实再现机组特性，给受训人员带来直观的培训感受，提高培训效果。

Description

虚拟DCS仿真系统及其仿真方法

技术领域

本发明涉及虚拟DCS仿真系统及其仿真方法，具体应用于发电领域。

背景技术

仿真系统(又称仿真机)是利用计算机仿真技术，演示与真实情况相同或相近的发电机组各种运行方式的状态，并可对其进行离线控制，为机组运行值班员和工程技术人员进行培训、研究的计算机系统。

传统仿真系统上DCS控制模型软件一般采取翻译的方式进行仿真开发，即采用一套软件，将真实DCS的画面、组态等内容重新生成一遍。由于DCS系统有许多不同的产品和型号，因此采用同一套软件进行翻译往往伴随着许多特性、功能、信息的丢失，翻译后的DCS在仿真系统上只能部分实现真实机组DCS的内容，同时其DCS模型的精度也出现了不同程度的下降，这些都降低了仿真系统的整体精度和仿真效果。

由于采取翻译方式对电厂DCS系统进行仿真，往往导致仿真精度与仿真效果先天不足。而且，由于翻译得来的DCS画面、组态等核心功能软件与真实的DCS软件存在不可替代性，而电厂日常工作中，DCS系统的画面、组态存在不断修改、完善和增加功能的情况，导致翻译方式的仿真系统会与电厂实际DCS系统脱节越来越大，培训效果也必然会越来越差。当偏差到一定程度时，仿真系统便失去了仿真的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供虚拟DCS仿真系统及其仿真方法，将整套现场实际机组上运行的DCS的组态、画面、软件复制到仿真系统上，真实再现机组特性，确保了仿真系统上的DCS画面、组态、报警、趋势、操作及软件版本等与现场DCS保持完全的一致；给受训人员带来直观的培训感受，提高培训效果。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

虚拟DCS仿真系统，包括：

一DCS控制系统，所述DCS控制系统包括画面监控模块和组态模块，所述画面监控模块用于终端操作以及画面监测，所述组态模块提供实现仿真功能的组态配置环境，

一控制虚拟控制器集群，所述控制虚拟控制器集群与DCS控制系统相互连通，所述控制虚拟控制器在组态配置环境下，用于构建仿真系统运行的控制逻辑。

在本发明的一个优选实施例中，包括一仿真虚拟控制器集群，所述控制虚拟控制器与仿真虚拟控制器通过虚拟通讯连通。

在本发明的一个优选实施例中，所述仿真虚拟控制器集群在组态配置环境下，构建不同物理设备模型及过程模型。

在本发明的一个优选实施例中，还包括一仿真平台，所述仿真平台统一调度、管理控制虚拟控制器集群以及仿真虚拟控制器集群。

在本发明的一个优选实施例中，还包括一历史数据存储功能模块，该历史数据存储功能模块用于进行历史数据回放及事故分析、反事故演练、控制逻辑的验证。

在本发明的一个优选实施例中，所述仿真平台通过软件通讯接口分别连接控制虚拟控制器集群以及仿真虚拟控制器集群。

在本发明的一个优选实施例中，所述控制虚拟控制器集群由若干个控制虚拟控制器构成，且每个控制虚拟控制器对应一个特定控制编号；

所述仿真虚拟控制器集群由若干个仿真虚拟控制器构成，且每个仿真虚拟控制器对应一个特定仿真编号。

在本发明的一个优选实施例中，所述仿真平台根据需要手动调用不同控制编号的控制虚拟控制器以及不同仿真编号的仿真虚拟控制器。

在本发明的一个优选实施例中，所述仿真平台在配置文件中键入不同控制编号的控制虚拟控制器以及不同仿真编号的仿真虚拟控制器，在仿真平台自动运行情况下自动开启对应控制虚拟控制器和仿真虚拟控制器。

虚拟DCS仿真方法，包括以下步骤：

步骤一、进入仿真运行状态后，操作人员点击DCS控制系统的画面中的具体设备，并下达动作指令；

步骤二、动作指令传送到控制虚拟控制器，控制虚拟控制器收到命令后进行逻辑判断，如果符合动作条件，则发出具体设备动作命令；若不符合动作条件，则本次操作指令无效；

步骤三、仿真虚拟控制器中的具体设备模型收到动作指令后，具体设备模型动作后，并向控制虚拟控制器反馈当前状态；

步骤四、控制虚拟控制器检测到具体设备模型动作后，更新数据库信息后，则DCS控制系统读取数据库信息，并在步骤一中的画面予以显示。

在本发明的一个优选实施例中，步骤一之前还包括调用虚拟控制器集群的步骤，若虚拟控制器集群第一次运行，则在组态配置环境中分别连接所有控制虚拟控制器和仿真虚拟控制器，读入控制逻辑组态或仿真模型组态，下装运行并写盘保存。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明在原有DCS控制系统的基础上实现的，通过控制虚拟控制器的方式运行实际控制器的控制逻辑算法；

通过仿真虚拟控制器的方式用来模拟现场设备——例如锅炉、汽轮机、发电机等设备和系统，以及压力、温度和流量等相关参数；

通过仿真平台对虚拟控制器集群的统一调度和管理，实现了全厂DCS系统的1：1虚拟DCS仿真。

这种虚拟DCS的仿真方式的仿真系统精度高、动态特性好、仿真效果逼真，因此可以真实体现各个系统或设备的相互影响和动态变化，运行人员可以在仿真机上进行学习、训练和考核，提高运行人员的技术水平和心理素质，有效减少判断失误和操作失误，从而为保障实际机组的稳定、安全运行奠定基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的硬件实施平台图。

图2为本发明的结构原理框图。

图3为本发明的工作原理图。

图4为本发明的实施例仿真示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参照图1，虚拟DCS仿真系统的硬件实施平台，包括：

一教练员站1，教练员站安装DCS控制系统，仿真平台以及虚拟控制器集群；其中虚拟控制器集群包含控制虚拟控制器集群和仿真虚拟控制器集群；

一操作员站2，操作员站安装DCS控制系统，其操作界面以及操作按钮与实际操作现场一致；

还包括一就地站3，提供仿真系统所需就地设备的模拟操作画面和操作按钮，

一多媒体站4，包括投影仪和音箱，多媒体站4模拟现场集控室中的大屏幕显示同时用作声音报警站，

根据实际需要，还包括一工程师站5，所述工程师站通过网络连接教练员站上的控制和仿真虚拟控制器，用于对仿真系统进行调试及修改。

上述教练员站1，操作员站2，就地站3以及多媒体站4和工程师站5，通过星型联接方式全部连接到交换机上，进行数据信号的传递。

从网络设计图可以看出，根据具体使用功能的不同，工作站分为四个部分：

1.操作员站

操作员站CRT上显示包含现场整个DCS控制系统的所有画面，并提供与现场一致的操作方式对操作员进行训练。操作员站的操作画面与现场画面完全相同，具有以下功能：

·监视系统内每个模拟量和开关量；

·显示并确认报警；

·控制设备操作；

·建立趋势画面并获取趋势信息；

·生成报表；

2.教练员站

教练员站可以对虚拟控制器集群进行管理，它提供一个简便的图形操作界面，通过鼠标点击实现以下功能：

·机组启停及实时运行功能；

·冻结/解冻功能；

·工况保存(只要计算机硬盘空间允许，工况数不受限制)、回退；

·故障设置功能(根据需要随时设置单个/组合故障)；

·工况的重演功能；

·能借助CRT显示出正在运算的数学模型中的有关参数；

·对操作员的操作过程进行评分；

·能在线和离线对模型块修改、扩充、调试；

·在教练员站上可设置外部参数(如环境温度等)，在仿真机运行中改变外部参数，以真实反映机组实际运行环境。

3.就地站(兼做多媒体站)

就地站是向培训人员提供就地操作训练手段的终端设备，其功能是仿真不在DCS系统中的主要就地设备。

仿真对象一般选取机组启停和故障处理中必须操作的就地设备。就地操作站以图形方式在CRT/LCD上显示电厂的蒸汽、水、煤、油、电等各个系统的流程，采用人机交互方式通过点击鼠标可以实现主要就地设备的操作，操作结果通过网络送入主机参与模型运算。

通过投影仪和音箱，多媒体站以图形方式投影显示大屏幕、光字牌、工业电视及其它在集控室立盘上显示的转速表、功率表等主要表计，以及声音报警。

4.工程师站

工程师工作站是为软件工程师设置的终端设备，控制系统工程师站是工程师站的另外一种形式。工程师站可以实现软件系统的修改、扩充、开发、调试以及工程分析等，功能如下：

·能在线和离线对模型块修改、扩充、调试；

·能借助CRT显示出正在运算的数学模型中的有关参数；

·能访问子程序库和全部支持软件；

·对程序进行编译、连接、装入、调试、运行；

·能通过主机查找需要的技术资料和修改技术资料，需要时打印新资料。

从本质上说，虚拟DCS系统就是一套没有运行于现场的DCS系统，其I/O交互对象不是现场I/O，而是仿真系统内的物理模型。

参照图2，虚拟DCS仿真系统，具体包括：

一虚拟控制器集群100，所述虚拟控制器集群100包括一控制虚拟控制器集群110和一仿真虚拟控制器集群120，所述控制虚拟控制器集群110与仿真虚拟控制器集群120通过虚拟I/O通讯连通，

本发明中的控制虚拟控制器集群以及仿真虚拟控制器集群主要针对于工艺、生产过程中的过程控制；

一DCS控制系统200，所述DCS控制系统包括画面监控模块和组态模块，所述画面监控模块用于终端操作以及画面监测，所述组态模块提供虚拟控制器集群和仿真虚拟控制器集群分别实现仿真功能的组态配置环境，

以及一仿真平台300，所述仿真平台通过软件通讯接口统一调度和管理虚拟控制器集群；一般采用API接口。

所述控制虚拟控制器集群110在组态配置环境下，用于构建或者直接复制仿真系统运行与实际机组完全一致的控制逻辑；所述仿真虚拟控制器集群120在组态配置环境下，构建不同物理设备模型和过程模型。

还包括一历史数据存储功能模块400，该历史数据存储功能模块用于进行历史数据回放及事故分析、反事故演练、控制逻辑的验证。

上述仿真虚拟控制器集群用于构建不同物理设备模型和过程模型，可实现虚拟DCS仿真的基础功能，还可以实现更多仿真功能；在实际使用过程中，还可以采用matlab软件或者其他方式来实现。

上述控制虚拟控制器集群由若干个控制虚拟控制器构成，且每个控制虚拟控制器对应一个特定控制编号(Ctrl ID号)；仿真虚拟控制器集群由若干个仿真虚拟控制器构成，且每个仿真虚拟控制器对应一个特定仿真编号(Simp ID号)。

仿真平台根据需要手动调用不同Ctrl ID号的控制虚拟控制器以及不同Simp ID号的仿真虚拟控制器。

仿真平台在配置文件中键入不同Ctrl ID号的控制虚拟控制器以及不同Simp ID号的仿真虚拟控制器，在仿真平台自动运行情况下自动开启对应控制虚拟控制器和仿真虚拟控制器。

控制虚拟控制器包括算法模块库，在组态配置环境下，操作人员调用算法模块库后，用于构建或者直接复制仿真系统运行与实际机组完全一致的控制逻辑；由于算法完全一致，使得控制虚拟控制器能在仿真系统中1：1完全运行真实的硬件分散处理单元控制器中运行的控制逻辑算法。

仿真虚拟控制器包括数学模型库，操作人员调用数学模型库后，构建不同物理设备模型和过程模型，用于仿真模拟不同的现场物理设备运行状态--例如锅炉、汽轮机、发电机等设备和系统，以及压力、温度和流量等相关参数。

参照图3，虚拟DCS仿真方法，包括以下步骤：

步骤S01、仿真平台调用虚拟控制器集群：

在仿真平台Simpanel.ini配置文件中，[SDPU]字段中Ctrl ID为控制虚拟控制器的ID号，Simp ID为仿真虚拟控制器的ID号。

当仿真平台Simpanel启动时，会提示选择手动或自动开启虚拟控制器，如果选择自动，则仿真平台Simpanel将按照Simpanel.ini配置文件，启动开启全部Ctrl ID、Simp ID中所配置的虚拟控制器。

全部虚拟控制器集群启动完成后，如果是第一次运行，还需要在组态配置环境中连接所有虚拟控制器，读入控制逻辑组态或仿真模型组态，下装运行并写盘保存。

之后仿真系统进入仿真运行状态。下次开启时虚拟控制器不需要再次读入组态，它会默认运行上次保存的组态。

步骤S02、进入仿真运行状态后，操作人员点击DCS控制系统的画面中的具体设备，并下达动作指令；

步骤S03、动作指令传送到控制虚拟控制器，控制虚拟控制器收到命令后进行逻辑判断，如果符合动作条件，则发出具体设备动作命令；若不符合动作条件，则本次操作指令无效；

步骤S04、仿真虚拟控制器中的具体设备模型收到动作指令后，具体设备模型动作后，并向控制虚拟控制器反馈当前状态；

步骤S05、控制虚拟控制器检测到具体设备模型动作后，更新数据库信息后，则DCS控制系统读取数据库信息，并在步骤S02的画面予以显示。

下文以电机启动为实施例，具体阐述虚拟DCS仿真方法如下：

进入仿真运行状态后，操作员可以在操作员站的画面上进行设备操作，比如启动一台电机，操作后启动命令将先传送到控制虚拟控制器VDPU，控制虚拟控制器VDPU收到命令后进行逻辑判断，如果符合启动条件，则发出电机启动命令(测点值变为1)。

仿真虚拟控制器SDPU中的电机模型收到电机启动命令后，模型动作。启动完成后，运行状态反馈发生变化(测点值变为1)。

仿真虚拟控制器VDPU检测到电机运行状态为1，更新数据库信息。操作员站上的画面实时读取数据库信息，画面上的电机状态刷新为运行状态。操作过程完毕。

下面结合实施例，进一步阐述采用虚拟DCS仿真系统的某600MW仿真系统的仿真效果：

1、稳态仿真精度

在项目现场调试结束后，对600MW超临界仿真系统的测试验收。验收过程中，对仿真系统硬件、仿真系统软件、模型软件的功能进行了检查测试，对模型系统进行了启动、停机的动态过程操作，并抽取50％、75％、100％三个负荷点检验了仿真数值的精度，验收结果表明，仿真系统关键参数的精度满足ISAS77.20-1993国际标准要求，关键参数的计算值与参考机组设计值的静态误差均小于1％。

2、暂态与事故仿真

在仿真机模拟事故、启停等暂态运行时，仿真机参数的变化趋势必须正确，报警和自动动作要与实际机组的响应保持一致。另外，仿真机的暂态响应与参考机组的暂态响应数据比较时，关键参数偏差不超过5％。

图4为高压加热器给水管道泄漏事故(程度15％)仿真时的参数变化趋势，如图所示，在泄漏事故投入后，#2高加水位迅速上升，正常疏水门自动控制开大以维持水位稳定，由于泄漏发生后给水流量减少，主汽压力、机组负荷呈下降趋势，在燃料自动、给水自动的控制下，燃料量、给水流量增加，之后主汽压力、负荷部分恢复原设定目标。值得注意的是主汽温度的变化，在事故过程中，主汽温度尽管由减温水自动控制，但在一级、二级减温达到最大开度后，主汽温度最高升到约577℃，高温管屏的温度都有一定程度的上升，因此，对于超临界直流炉，在处理高加泄漏事故时，应密切监视高过汽温、壁温的变化，防止超温爆管，必要时应降负荷运行，这是与亚临界汽包炉在处理相同事故时的一个很大不同之处。

采用虚拟DCS仿真技术的仿真系统精度高、动态特性好、仿真效果逼真，因此可以真实体现各个系统或设备的相互影响和动态变化，运行人员可以在仿真机上进行学习、训练和考核，提高运行人员的技术水平和心理素质，有效减少判断失误和操作失误，从而为保障实际机组的稳定、安全运行奠定基础。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (15)

1.虚拟DCS仿真系统，其特征在于，包括：

一DCS控制系统，所述DCS控制系统包括画面监控模块和组态模块，所述画面监控模块用于终端操作以及画面监测，所述组态模块提供实现仿真功能的组态配置环境，

一控制虚拟控制器集群，所述控制虚拟控制器集群与DCS控制系统相互连通，所述控制虚拟控制器在组态配置环境下，用于构建仿真系统运行的控制逻辑。

2.根据权利要求1所述的虚拟DCS仿真系统，其特征在于：包括一仿真虚拟控制器集群，所述控制虚拟控制器集群与仿真虚拟控制器集群通过虚拟通讯连通。

3.根据权利要求2所述的虚拟DCS仿真系统，其特征在于：所述仿真虚拟控制器集群在组态配置环境下，构建不同物理设备模型及过程模型。

4.根据权利要求2所述的虚拟DCS仿真系统，其特征在于：还包括一仿真平台，所述仿真平台统一调度、管理控制虚拟控制器集群以及仿真虚拟控制器集群。

5.根据权利要求1-4任意一项权利要求所述的虚拟DCS仿真系统，其特征在于：还包括一历史数据存储功能模块，该历史数据存储功能模块用于进行历史数据回放及事故分析、反事故演练、控制逻辑的验证。

6.根据权利要求4所述的虚拟DCS仿真系统，其特征在于：所述仿真平台通过软件通讯接口分别连接控制虚拟控制器集群以及仿真虚拟控制器集群。

7.根据权利要求1或2或4所述的虚拟DCS仿真系统，其特征在于：所述控制虚拟控制器集群由若干个控制虚拟控制器构成，且每个控制虚拟控制器对应一个特定控制编号。

8.根据权利要求2或4所述的虚拟DCS仿真系统，其特征在于：所述仿真虚拟控制器集群由若干个仿真虚拟控制器构成，且每个仿真虚拟控制器对应一个特定仿真编号。

9.根据权利要求4所述的虚拟DCS仿真系统，其特征在于：所述仿真平台根据需要手动调用不同控制编号的控制虚拟控制器以及不同仿真编号的仿真虚拟控制器。

10.根据权利要求4所述的虚拟DCS仿真系统，其特征在于：所述仿真平台在配置文件中键入不同控制编号的控制虚拟控制器以及不同仿真编号的仿真虚拟控制器，在仿真平台自动运行情况下自动开启对应控制虚拟控制器和仿真虚拟控制器。

11.根据权利要求7所述的虚拟DCS仿真系统，其特征在于：所述控制虚拟控制器包括算法模块库，在组态配置环境下，操作人员调用算法模块库，用于构建仿真系统运行的控制逻辑。

12.根据权利要求7所述的虚拟DCS仿真系统，其特征在于：所述控制虚拟控制器包括算法模块库，在组态配置环境下，操作人员直接复制现场实际控制系统的组态逻辑，用于实现与现场实际机组完全一致的控制逻辑。

13.根据权利要求7所述的虚拟DCS仿真系统，其特征在于：所述仿真虚拟控制器包括数学模型库，在组态配置环境下，操作人员调用数学模型库后，构建不同物理设备模型和过程模型，用于仿真模拟不同的现场物理设备运行状态和动态特性。

14.虚拟DCS仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、进入仿真运行状态后，操作人员点击DCS控制系统的画面中的具体设备，并下达动作指令；

步骤二、动作指令传送到控制虚拟控制器，控制虚拟控制器收到命令后进行逻辑判断，如果符合动作条件，则发出具体设备动作命令；若不符合动作条件，则本次操作指令无效；

步骤三、仿真虚拟控制器中的具体设备模型收到动作指令后，具体设备模型动作后，并向控制虚拟控制器反馈当前状态；

步骤四、控制虚拟控制器检测到具体设备模型动作后，更新数据库信息后，则DCS控制系统读取数据库信息，并在步骤一中的画面予以显示。

15.根据权利要求1所述的虚拟DCS仿真方法，其特征在于，步骤一之前还包括调用虚拟控制器集群的步骤，若虚拟控制器集群第一次运行，则在组态配置环境中分别连接所有控制虚拟控制器和仿真虚拟控制器，读入控制逻辑组态或仿真模型组态，下装运行并写盘保存；所述虚拟控制器集群包括控制虚拟控制器集群以及仿真虚拟控制器集群。