CN109765802A - 一种大型调相机虚拟dcs仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型调相机虚拟DCS仿真系统，包括：若干学员站和一个值长站，值长站具备更高的控制权限，可控制学员站的运行；学员站和值长站都部署相同的仿真软件，仿真软件包含：教练员模块、图形建模仿真模块、虚拟DPU模块及HMI上位机模块，四个模块之间通过API通讯连接。本发明提供的一种大型调相机虚拟DCS仿真系统，为调相机运维提供实验及培训平台，给学员提供真实的培训环境，使学员能熟练地掌握调相机在各种工况下故障处理，提高机组运行的安全可靠性。

Description

一种大型调相机虚拟DCS仿真系统

技术领域

本发明涉及一种大型调相机虚拟DCS仿真系统，属于发电领域热工自动控制仿真技术领域。

背景技术

目前，虚拟DCS仿真系统是相对于过程控制系统中运行的真实的DCS系统而言的，虚拟DCS仿真系统可以脱离DCS硬件系统，将实际DCS的逻辑及画面组态再现于普通的计算机环境下，在保证与实际组态逻辑一致的前提下，大大提高了仿真机的实施及使用效率，由于采用了与实际DCS完全一致的逻辑组态，仿真系统除了用于机组操作人员培训外，还可以对电厂优化运行、机组改造、控制策略优化等起到指导作用。

国内对于火电机组的仿真已有成熟的应用，300MW、600MW和1000MW级别的火电DCS仿真兼有成熟应用。但是由于大型调相机（300MVar）在国内首次应用，调相机DCS的运维培训还未普及，因此调相机虚拟DCS仿真系统对于提升学员的运维水平很有意义。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种大型调相机虚拟DCS仿真系统。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种大型调相机虚拟DCS仿真系统，仿真对象为调相机本体及其辅助系统，仿真范围至少包括调相机本体、润滑油系统、内冷水系统、外冷水系统、除盐水系统、SFC系统、励磁系统及同期装置；模拟工况包括调相机的正常运行工况及故障工况；调相机虚拟DCS仿真系统采用软件模拟实际现场一次设备及硬件DCS系统；仿真系统包括若干学员站和一个值长站，值长站具备更高的控制权限，可控制学员站的运行；学员站和值长站都部署相同的仿真软件，仿真软件包含：教练员模块、图形建模仿真模块、虚拟DPU模块及HMI上位机模块，四个模块之间通过API通讯连接。

作为优选方案，所述教练员模块为主程序，统一调度管理图形建模仿真模块、虚拟DPU模块及HMI上位机模块，对仿真系统进行工况冻结、恢复和工况保存。

作为优选方案，所述教练员模块包括：调相机故障仿真、学员操作记录与评价、同步教学、竞赛评价；

所述调相机故障仿真，用于仿真系统对调相机主机及相关系统或设备均设有5个以上故障的仿真，每个故障的仿真按故障工况运行。

所述学员操作记录与评价，用于仿真系统按学员编号或按HMI站编号保存其所有运行操作指令，并对操作过程进行量化评价，评价结果为百分制；考核评价时，值长站、学员站联网运行，值长可随意选择选择调相机启动、运行、退出过程中的某工况，由学员站仿真运行，学员分别独立操作；值长站可随时停止所有学员站操作，操作结束，各学员评价分数集中显示到值长站窗口。

所述同步教学，用于值长站、学员站全部联网运行，值长、学员同时选择某工况，值长在讲解的过程中可对任意参数进行修改、仿真，或设置事故条件，学员可分别操作，值长可在本站窗口中监督各学员操作结果。

所述竞赛评价，用于通过全体学员对同一个特定工况或事故工况的竞赛性操作，评价其处理能力；竞赛评价时，值长站、学员站全部联网运行，值长站与学员站同时选择调相机启动、运行、退出过程，或其中的某工况仿真运行，也可任意设置事故条件，值长同时监视所有学员的操作，并自动对学员的操作结果和时间进行记录；操作结束后，各学员评价分数集中显示到值长站窗口。

作为优选方案，所述图形建模仿真模块，用于模拟调相机的物理设备模型及过程，包括调相机本体、润滑油系统、内冷水系统、外冷水系统、除盐水系统、SFC系统、励磁系统及同期装置及设备本身的压力、温度、流量、电流、电压、功率参数，依据质量守恒、能量守恒、动量守恒定律及热力学、传热学、流体力学、电机学的基本方程建立机组高精度数学模型，实时仿真调相机正常工况及事故工况下的运行状态，建模软件采用图形化、模块化建模，缩短建模周期，提高建模质量。

图形建模仿真模块是面向电站工程师设计的，缺乏仿真经验和编程经验的工程师能很方便的使用。设备模块的参数输入包括物理参数和运行参数，可从设计数据中可得到，并自动判断输入参数的合理性。

各热力系统的数学模型应严格遵守工质不同相域的能量、质量和动量守恒定律，能如实反映工质的热力学特性。

在传热过程仿真模型中，均考虑金属热容的影响，能真实反映传热的热惯性现象，同时传热面金属温度的计算可满足金属温度检测的需要。

换热系数的计算全面考虑换热方式（对流、凝结）对工质特性等的影响，同时考虑到换热面污染（如积灰、结垢）的影响，使换热过程模型能满足全工况仿真需要。

各调节阀门或挡板的仿真以能真实再现执行机构的调节特性。

作为优选方案，虚拟DPU模块运行的逻辑组态复制现场实际DPU的逻辑组态，仿真系统采用与现场DCS系统相同的组态逻辑，对虚拟DPU模块的上装、下载、修改组态操作与实际DPU一样，同时虚拟DCS仿真系统也可对DCS工程师培训；虚拟DPU模块通过VDPUMng仿真管理模块完成虚拟控制器工程配置的编辑功能，负责启停VDPU运行内核子系统及本机上所有VDPU运行内核子系统对外通讯的存储转发；包括启动配置模块、VDPU程序管理模块、通讯存储转发模块及报文信息监测模块。

作为优选方案：HMI上位机模块复制现场HMI上位机软件，画面、报警、趋势及报表功能与现场一致，提升学员1:1逼真的培训效果。

有益效果：本发明提供的一种大型调相机虚拟DCS仿真系统，为调相机运维提供实验及培训平台，给学员提供真实的培训环境，使学员能熟练地掌握调相机在各种工况下故障处理，提高机组运行的安全可靠性。

附图说明

图1是调相机虚拟DCS仿真系统硬件拓扑图；

图2是调相机虚线DCS学员站仿真软件结构图；

图3是教练员模块操作界面；

图4是图形化建模仿真模块界面；

图5是HMI上位机模块界面；

图6是VDPUMng仿真管理模块界面；

图7是虚拟DPU模块运行内核子系统主界面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种大型调相机虚拟DCS仿真系统，包括：若干学员站、值长站、打印机和交换机。学员站、值长站采用星型网络组网。学员站、值长站都部署相同的仿真软件，值长站具备更高的控制权限，可控制学员站的运行。每个学员站和值长站都运行各自的调相机模型，模型之间互不影响。

如图2所示，在学员站和值长站部署的仿真软件包括：教练员模块、图形建模仿真模块、虚拟DPU模块及HMI上位机模块。

如图3所示，教练员模块为主程序，可统一调度管理图形建模仿真模块、虚拟DPU模块及HMI上位机模块，仿真软件运行时，首先启动教练员模块，通过教练员模块启动图形建模仿真模块、虚拟DPU模块及HMI上位机模块，而后选择工况，直接进入设定工况为初开始态开始运行；教练员模块设置调相机故障仿真、学员操作记录与评价、同步教学和竞赛评价。

如图4所示，图形建模仿真模块用于模拟调相机的物理设备模型及过程模型，主要是对一次设备及仪表的模拟，依据质量守恒、能量守恒、动量守恒定律及热力学、传热学、流体力学、电机学的基本方程建立机组高精度数学模型，实时仿真调相机正常工况及事故工况下的运行状态。

如图5所示，HMI上位机模块的画面与调相机的图形化建模的画面一一对应。

仿真系统的仿真效果，主要取决于建模质量，图形化的建模仿真软件是面向电站工程师设计的，让缺乏仿真经验和编程经验的工程师能很方便的使用，图形化建模仿真软件支持在线参数调试、单步运行及倍数运算等便于调试的功能，可大幅缩短建模周期，提高建模质量。

如图6所示，VDPUMng仿真管理模块，用于完成虚拟控制器工程配置的编辑功能，负责启停VDPU运行内核子系统及本机上所有VDPU运行内核子系统对外通讯的存储转发。

如图7所示，虚拟DPU模块用于监视VDPU的运行状态。

虚拟DPU模块是虚拟DCS的核心，将实际分散控制单元中的DPU功能移植到虚拟DPU模块上，使DPU逻辑功能脱离实际硬件而实现，将真实DPU的控制逻辑在虚拟DPU模块中实现，以再现控制过程所有的状态信息。仿真软件的虚拟DPU模块具有以软件模拟全部真实DPU运行的功能，模拟真实DPU的数据输入输出和控制功能。由于虚拟DPU模块运算的逻辑组态与现场真实DPU运算的逻辑组态完全一致，调相机在运维检修过程中，修改的真实DPU组态，可以下载至虚拟DPU模块中，保证仿真系统的实时更新，仿真培训更具实操性。

由于虚拟DPU模块中逻辑组态和HMI上位机模块与实际DCS完全一致，本发明的虚拟DCS仿真系统可以实现全厂1:1仿真，学员可以在仿真机上进行学习、训练、考核，可以通过教练员站的故障模拟，进行故障演练，提高学员的应急处理水平，保障调相机运行的安全可靠性。

HMI上位机模块复制现场HMI上位机软件，画面、报警、趋势及报表功能与现场一致，提升学员1:1逼真的培训效果。调相机在运维检修过程中，修改的画面、报警、趋势及报表，移植至仿真系统的HMI上位机模块中，仿真系统的实时更新，使仿真培训更具实操性。

结合实施例，300Mvar调相机的虚拟DCS仿真效果如下：

整个仿真系统的精度主要取决于一次设备模拟的精度，仿真软件在稳定状态下，仿真机运行参数与参照机组实际参数相比，满足关键参数误差≤±1%，主要参数误差≤±1%，一般参数误差≤±2%。仿真机暂态运行，关键参数误差≤±2%，主要参数误差≤±5%，一般参数误差≤±10%。

本发明的大型调相机虚拟DCS仿真系统，由于虚拟DPU模块中的组态逻辑和HMI上位机模块中软件，画面、报警、趋势及报表功能都是来自实际现场移植，可大幅减小仿真系统的开发过程，同时操作方式与现场完全一致，学员在仿真系统上培训，可以提高学员的应急处理水平，保障调相机运行的安全可靠性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种大型调相机虚拟DCS仿真系统，其特征在于：包括：若干学员站和一个值长站，值长站具备更高的控制权限，可控制学员站的运行；学员站和值长站都部署相同的仿真软件，仿真软件包含：教练员模块、图形建模仿真模块、虚拟DPU模块及HMI上位机模块，四个模块之间通过API通讯连接。

2.根据权利要求1所述的一种大型调相机虚拟DCS仿真系统，其特征在于：所述教练员模块为主程序，统一调度管理图形建模仿真模块、虚拟DPU模块及HMI上位机模块，对仿真系统进行工况冻结、恢复和工况保存。

3.根据权利要求1所述的一种大型调相机虚拟DCS仿真系统，其特征在于：所述教练员模块包括：调相机故障仿真、学员操作记录与评价、同步教学、竞赛评价；

所述调相机故障仿真，用于仿真系统对调相机主机及相关系统或设备均设有5个以上故障的仿真，每个故障的仿真按故障工况运行；

所述学员操作记录与评价，用于仿真系统按学员编号或按HMI站编号保存其所有运行操作指令，并对操作过程进行量化评价，评价结果为百分制；考核评价时，值长站、学员站联网运行，值长可随意选择选择调相机启动、运行、退出过程中的某工况，由学员站仿真运行，学员分别独立操作；值长站可随时停止所有学员站操作，操作结束，各学员评价分数集中显示到值长站窗口；

所述同步教学，用于值长站、学员站全部联网运行，值长、学员同时选择某工况，值长在讲解的过程中可对任意参数进行修改、仿真，或设置事故条件，学员可分别操作，值长可在本站窗口中监督各学员操作结果；

所述竞赛评价，用于通过全体学员对同一个特定工况或事故工况的竞赛性操作，评价其处理能力；竞赛评价时，值长站、学员站全部联网运行，值长站与学员站同时选择调相机启动、运行、退出过程，或其中的某工况仿真运行，也可任意设置事故条件，值长同时监视所有学员的操作，并自动对学员的操作结果和时间进行记录；操作结束后，各学员评价分数集中显示到值长站窗口。

4.根据权利要求1所述的一种大型调相机虚拟DCS仿真系统，其特征在于：所述图形建模仿真模块，用于模拟调相机的物理设备模型及过程，包括调相机本体、润滑油系统、内冷水系统、外冷水系统、除盐水系统、SFC系统、励磁系统及同期装置及设备本身的压力、温度、流量、电流、电压、功率参数，依据质量守恒、能量守恒、动量守恒定律及热力学、传热学、流体力学、电机学的基本方程建立机组高精度数学模型，实时仿真调相机正常工况及事故工况下的运行状态，建模软件采用图形化、模块化建模。

5.根据权利要求1所述的一种大型调相机虚拟DCS仿真系统，其特征在于：所述虚拟DPU模块运行的逻辑组态复制现场实际DPU的逻辑组态，仿真系统采用与现场DCS系统相同的组态逻辑，对虚拟DPU模块的上装、下载、修改组态操作与实际DPU一样；虚拟DPU模块通过VDPUMng仿真管理模块完成虚拟控制器工程配置的编辑功能，负责启停VDPU运行内核子系统及本机上所有VDPU运行内核子系统对外通讯的存储转发；包括启动配置模块、VDPU程序管理模块、通讯存储转发模块及报文信息监测模块。

6.根据权利要求1所述的一种大型调相机虚拟DCS仿真系统，其特征在于：所述HMI上位机模块复制现场HMI上位机软件，画面、报警、趋势及报表功能与现场一致。