孫宇貞， 彭道剛， 于會群， 李 芹， 徐春梅

(上海電力大學(xué) 自動化工程學(xué)院，上海發(fā)電過程智能管控工程技術(shù)研究中心，上海 200090)

0 引 言

半實物仿真也稱硬件在回路仿真(Hardware In The Loop Simulation，HILS)，是將數(shù)學(xué)模型、實體模型和系統(tǒng)的實際設(shè)備聯(lián)系在一起進行運行的仿真系統(tǒng)[1-2]。與純計算機軟件仿真相比，半實物仿真是一種更接近實際的仿真試驗技術(shù)[3]，具有有效性、可重復(fù)性、經(jīng)濟性、安全性等諸多優(yōu)點[4-5]。隨著計算機控制技術(shù)的不斷發(fā)展和集成度的提高，基于半實物仿真系統(tǒng)的方案在航空航天、武器設(shè)計、機械制造、電力等各個領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用[6-7]，在連續(xù)型流程生產(chǎn)工業(yè)也有越來越多的應(yīng)用案例[8-11]。近年來在高校的學(xué)科平臺建設(shè)與實驗領(lǐng)域，半實物仿真系統(tǒng)因其科學(xué)性和先進性，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[12]，提高創(chuàng)新意識和實踐能力[13-14]，也越來越得到重視[15-18]。

本文針對電力生產(chǎn)的主要企業(yè)——火力發(fā)電廠，研制了一套超超臨界火力發(fā)電機組的半實物仿真平臺，幫助學(xué)生直觀理解和掌握現(xiàn)代化火力發(fā)電廠的生產(chǎn)工藝流程，針對其中的分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)進行邏輯組態(tài)和控制操作。通過半實物仿真平臺，增加學(xué)生操作和體驗的機會，將理論學(xué)習(xí)和實際工程技術(shù)緊密聯(lián)系，提高解決問題的能力，為今后走上工作崗位打下堅實基礎(chǔ)[19-21]。

1 超超臨界火電機組半實物仿真平臺

火電機組半實物仿真平臺是以目前典型的超超臨界火力發(fā)電裝置為基礎(chǔ)，機械設(shè)備按一定比例縮小，工藝流程適當簡化，儀表和執(zhí)行器采用實際設(shè)備運行，整個裝置有一定的工程化概念。平臺實物如圖1所示。

圖1 半實物仿真平臺實體圖

整個平臺系統(tǒng)由機械設(shè)備、動力設(shè)備、檢測儀表、執(zhí)行機構(gòu)、輔助系統(tǒng)等組成。其中機械設(shè)備按實際超超臨界燃煤機組的工藝流程設(shè)計，總體可以分為汽水流程和風(fēng)煙流程兩大類。其中汽水流程的主要設(shè)備有凝汽器V101、熱井V102、精處理裝置V103、軸封加熱器V104、低壓加熱器V105、除氧器V106、高壓加熱器V108、省煤器V109、汽水分離器V110、鍋爐V113、汽輪機組V115；風(fēng)煙流程的主要設(shè)備有鍋爐系統(tǒng)延伸的除塵器V118、脫硫塔V119、煙囪V120等設(shè)備。動力設(shè)備包括了給水泵P101、P102，凝水泵P103、P104，鍋爐啟動疏水泵P105，送風(fēng)機C101、C102，一次風(fēng)機C103、C104，引風(fēng)機C105、C106、電加熱器HV101等。檢測儀表包括了基于4～20 mA模擬量的鍋爐給水流量傳感器，Pt100熱電阻溫度傳感器(檢測凝汽器溫度、凝水泵母管出口溫度、給水泵母管出口溫度、汽水分離器入口溫度等)，基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的除氧器液位調(diào)節(jié)閥閥位反饋、凝結(jié)水泵出口壓力、給水泵出口壓力、分離器儲水罐液位等儀表，基于FF現(xiàn)場總線的除氧器液位、凝汽器熱井液位、疏水擴容器液位儀表，基于HART現(xiàn)場總線的鍋爐給水流量、凝汽器溫度、鍋爐給水調(diào)節(jié)、疏水擴容器液位調(diào)節(jié)、儲水罐液位調(diào)節(jié)等儀表，基于MODBUS現(xiàn)場總線的給水泵和凝水泵變頻調(diào)節(jié)等儀表。半實物仿真平臺汽水系統(tǒng)相關(guān)的工藝與儀表流程圖如圖2所示。

圖2 半實物仿真平臺的汽水工藝與儀表流程圖

整個半實物仿真平臺的對象設(shè)備與控制裝置分離設(shè)計，控制裝置可采用主流的DCS系統(tǒng)或其他類型控制系統(tǒng)進行控制。目前本平臺采用了ECS-700和SUPMAX兩套DCS系統(tǒng)，并且可以進行DCS系統(tǒng)的自主切換。

平臺的工業(yè)過程是對實際電力生產(chǎn)過程的部分簡化，檢測和控制儀表采用了目前國內(nèi)外主流的先進儀表與控制系統(tǒng)。作為高校的研究與實驗平臺，可以讓學(xué)生了解現(xiàn)場設(shè)備狀況，掌握運用與現(xiàn)場緊密聯(lián)系的儀表設(shè)備與控制系統(tǒng)，將理論學(xué)習(xí)與實際工程技術(shù)相聯(lián)系，提高學(xué)生綜合應(yīng)用的能力。

2 ECS-700控制系統(tǒng)的特點

本半實物仿真平臺的監(jiān)控系統(tǒng)可以在主流的DCS或其他流程工業(yè)中常見的控制系統(tǒng)上進行開發(fā)。ECS-700是國產(chǎn)DCS的典型，具有高可靠性、高開放性、高擴展性、物美價廉等優(yōu)點，在國內(nèi)的化工、電力、石油、冶金等各類流程生產(chǎn)領(lǐng)域有著廣泛的實際應(yīng)用，其具體特點包括[22-23]：

(1) 采用全冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括供電系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、控制站等，使用高可靠性部件及信息安全設(shè)計，保證系統(tǒng)連續(xù)正常運行，提高了系統(tǒng)的可靠性。

(2) 系統(tǒng)的硬件模塊抗環(huán)境干擾能力較強，能夠?qū)崿F(xiàn)不停車更換硬件；控制器具有一定的防病毒能力，提高了系統(tǒng)的安全等級。

(3) 可以無縫整合PROFIBUS、FF、HART、EPA等國際標準現(xiàn)場總線，在統(tǒng)一的設(shè)備管理平臺上管理多種現(xiàn)場總線設(shè)備，且支持在線升級和擴容，便于調(diào)試、管理、維護、擴展。

(4) 組態(tài)軟件包括硬件組態(tài)、位號組態(tài)、軟件組態(tài)，國產(chǎn)組態(tài)軟件的全漢化界面對用戶友好。其中的用戶程序設(shè)計包含眾多常用的功能塊如手操器、PID、FF標準和濾波等模塊，還可以用戶自定義模塊，方便完成整個系統(tǒng)的控制策略設(shè)計。

3 ECS-700半實物仿真平臺監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

本平臺上的ECS-700控制系統(tǒng)由控制節(jié)點、操作節(jié)點、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成。相關(guān)組態(tài)功能由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組態(tài)管理、硬件、位號、控制方案和監(jiān)控等組態(tài)軟件實現(xiàn)。

在超超臨界火電機組半實物仿真平臺上利用ECS-700進行監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)，主要包括了控制域組態(tài)和操作域組態(tài)兩部分。其中控制域組態(tài)主要完成硬件配置、位號配置以及程序的編寫等，即把系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和關(guān)系在控制域中體現(xiàn)出來并且整理清楚。操作域組態(tài)主要完成監(jiān)控畫面和流程圖的組態(tài)，并且在流程圖中將位號與流程中的各種數(shù)據(jù)點關(guān)聯(lián)起來，這樣一來控制域和操作域就可以關(guān)聯(lián)在一起，在操作域中進行相關(guān)操作就可以通過控制域在控制器以及現(xiàn)場設(shè)備間進行信號傳輸，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。

下面以半實物仿真平臺中汽水系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計為例，說明本平臺上的監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計過程和實施效果。

3.1 ECS-700控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和配置

半實物仿真平臺組態(tài)設(shè)計首先需要配置控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及控制器參數(shù)，包括了ECS-700系統(tǒng)的控制域、操作域和通信網(wǎng)絡(luò)等。

控制域包括了冗余配置的控制器FCU712，模擬量輸入模塊AI711_S11、支持HART總線的模擬量輸入模塊AI711-H11、熱電偶輸入模塊AI722、熱電阻輸入模塊AI731、模擬量輸出模塊AO711-S11、支持HART總線的模擬量輸出模塊AO711-H11、開關(guān)量輸入模塊DI716、開關(guān)量輸出模塊DO711，以及支持FF現(xiàn)場總線的I/O模塊AM712-S、支持MODBUS/TCP的以太網(wǎng)通信模塊COM742、支持MODBUS-RTU的串行通信模塊COM741、支持PROFIBUS主站通信模塊COM722。

操作域包括了1臺組態(tài)服務(wù)器、1臺工程師站、8臺操作員站。通信網(wǎng)絡(luò)采用總線型雙網(wǎng)容冗余的高速工業(yè)以太網(wǎng)，其集線器采用冗余配置的SUP-5117。

需要通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組態(tài)軟件(VFSysBuilder)搭建出上述系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架，并配置工程師組及其權(quán)限，以及操作域、控制域、包括對應(yīng)的控制器總體參數(shù)。

3.2 控制域通信組態(tài)設(shè)計

配置好系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)后則應(yīng)進行控制域組態(tài)，即需通過組態(tài)管理軟件(VFExplorer)進行硬件的通信通道配置、位號組態(tài)配置等。根據(jù)控制域的設(shè)備狀況本工程需要配置的通信模塊有COM701-S虛擬I/O連接模塊、COM741-S串行通信模塊、COM742-S以太網(wǎng)通信模塊、COM722-S PROFIBUS主站通信模塊、AM712-S FF現(xiàn)場總線通信模塊等。其中COM701-S虛擬連接模塊負責(zé)4～20 mA模擬量輸入輸出、開關(guān)量輸入輸出、熱電偶輸入、熱電阻輸入、滿足HART總線協(xié)議的I/O通信。COM741-S串行通信模塊能夠?qū)M足標準MODBUS-RTU協(xié)議的第三方設(shè)備(串行異構(gòu)設(shè)備)通過擴展I/O總線接入系統(tǒng)。COM742-S以太網(wǎng)通信模塊主要負責(zé)MODBUS以及滿足TCP協(xié)議的以太網(wǎng)通信的I/O通道。COM722-S作為PROFIBUS-DP的主站接口，用于將標準PROFIBUS-DP從站設(shè)備接入ECS-700系統(tǒng)，也可以通過耦合器和鏈接器接入PROFIBUS-PA設(shè)備。AM712-S模塊是FF現(xiàn)場總線儀表與ECS-700控制系統(tǒng)間的通信接口模塊。

除AM712-S通信模塊需利用FF組態(tài)軟件(VFFFBuilder)配置外，其余通信模塊應(yīng)通過硬件組態(tài)軟件(VFIObuilder)配置。配置時需要注意機架的正確配置，并且應(yīng)按模塊物理地址逐一配置各個通信模塊參數(shù)。

在進行了通信模塊的配置之后，應(yīng)通過位號組態(tài)軟件(VFTAGBuilder)來配置所有的輸入輸出設(shè)備以及相關(guān)通信模塊的位號，包括位號名稱、類型、描述、量程上下限、信號類型、地址等屬性。

3.3 控制域的功能塊和程序組態(tài)

半實物仿真平臺系統(tǒng)的控制需要利用控制程序進行，控制程序以順序執(zhí)行為主，執(zhí)行周期為200 ms。對應(yīng)的控制方案組態(tài)軟件(VFFBDBuilder)能夠完成控制程序的組態(tài)，該軟件能夠提供功能塊圖(FBD)、梯形圖、ST語言等編程方式，并具有在線調(diào)試、位號智能輸入、圖形縮放等功能。其中FBD功能塊中除了常見的系統(tǒng)功能塊外，還包括Smith預(yù)估器、模糊控制、預(yù)測控制、自整定PID等先進控制的功能塊。同時也可以根據(jù)需要自己采用ST語言、SFC語言編寫用戶自定義的功能塊邏輯，或者自己采用VBScript腳本語言編輯流程圖腳本。

本工程中采用了FBD這種常用的控制組態(tài)方式，通過調(diào)用FBD庫中的FBD模塊并按要求進行信號連接，來實現(xiàn)對系統(tǒng)控制程序的編寫。

以本半實物仿真平臺中汽水系統(tǒng)的除氧器液位控制系統(tǒng)為例，考慮到除氧器液位自身無自衡能力特性，且除了凝水泵的控制信號外，鍋爐給水流量和凝水泵出口壓力都對除氧器液位高度有較明顯的影響，采用以凝結(jié)水泵出口壓力作為串級副變量，保證在凝水側(cè)壓力變化下快速抑制擾動；鍋爐給水流量引入前饋補償控制，以提前消除鍋爐給水側(cè)的擾動。設(shè)計了如圖3所示的除氧器液位串級三沖量調(diào)節(jié)控制策略，該控制策略也與目前超超臨界機組實際主控制策略相一致。

3.4 操作域組態(tài)設(shè)計

通過監(jiān)控組態(tài)軟件(VFHMICfg)進行操作域中監(jiān)控運行所需相關(guān)組態(tài)，包括配置操作小組以及配置域變量、監(jiān)控用戶授權(quán)、歷史趨勢、自定義報警分組、面板權(quán)限、報警擱置、工況管理、規(guī)程管理等；并且設(shè)計包括總貌畫面、一覽畫面、分組畫面、趨勢畫面、流程圖、報警面板、報警聲音、操作指導(dǎo)、位號關(guān)聯(lián)流程圖、位號關(guān)聯(lián)趨勢畫面等操作界面。應(yīng)將操作域需進行監(jiān)控的相關(guān)輸入輸出參數(shù)的位號與實際輸入輸出點的位號相吻合，保證聯(lián)系到控制域中的對應(yīng)位號。其中設(shè)計的汽水流程操作界面圖如圖4所示。

圖3 除氧器液位串級三沖量控制策略

圖4 半實物仿真平臺汽水系統(tǒng)操作界面組態(tài)圖

4 火電機組半實物仿真平臺監(jiān)控系統(tǒng)實施效果

在完成所有的控制域和操作域的組態(tài)設(shè)計后，將相關(guān)監(jiān)控程序編譯、下載至控制器，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布控制域與操作域程序。操作員站啟動監(jiān)控組態(tài)軟件后，在流程圖界面將機組汽水系統(tǒng)水循環(huán)回路上的調(diào)節(jié)閥和電動泵依次打開，待除氧器液位穩(wěn)定后，打開除氧器的副調(diào)節(jié)由手動切為串級自動，將主調(diào)節(jié)由手動切為自動，修改SV即除氧器液位設(shè)定值，由圖5所示的除氧器液位實時曲線圖可知，采用串級三沖量控制的除氧器液位能較快速地穩(wěn)定在設(shè)定值，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠達到預(yù)期的控制效果。

圖5 除氧器液位串級三沖量調(diào)節(jié)效果圖

注：圖中藍色線為除氧器水位設(shè)定值；橘色線為除氧器液位實時值；綠色線為除氧器液位主調(diào)節(jié)閥輸出值

5 結(jié) 語

超超臨界半實物仿真平臺是以電力生產(chǎn)工藝中主流的超超臨界火電機組為模板設(shè)計研制的，部分工藝流程也采用實際的工質(zhì)，平臺上所有儀表、執(zhí)行器、控制器皆使用與工業(yè)現(xiàn)場一致的設(shè)備，包括有傳統(tǒng)的模擬量和開關(guān)量通道以及先進的各類現(xiàn)場總線通道?？刂破骱涂刂葡到y(tǒng)選用國產(chǎn)先進DCS系統(tǒng)，并可以在各系統(tǒng)間切換。文中介紹了如何利用ECS-700 DCS設(shè)計針對該平臺的監(jiān)控系統(tǒng)，本監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計就是在學(xué)生的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等各項實踐類活動中不斷完善成形的。該監(jiān)控系統(tǒng)在實際的半實物仿真平臺上能夠穩(wěn)定運行，且控制效果符合設(shè)計預(yù)期。通過在本半實物仿真平臺上進行的相關(guān)實踐類學(xué)習(xí)、操作，以及深入的設(shè)計工作，進一步開發(fā)了平臺的相關(guān)功能，同時也提高了學(xué)生的實踐能力和研究開發(fā)能力，為自動化專業(yè)更好培養(yǎng)懂技術(shù)、能應(yīng)用、能創(chuàng)新的人才奠定了扎實的基礎(chǔ)。