曾雪峰，祝建飛，沈建峰

（1.國家電投集團(tuán)廣東電力有限公司，廣東廣州 510710；2.上海明華電力科技有限公司，上海 200090）

DCS 控制系統(tǒng)是發(fā)電機組的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，其能實現(xiàn)順序控制、保護(hù)跳閘、自動調(diào)節(jié)、參數(shù)監(jiān)控等功能［1］。隨著發(fā)電機組自動化程度的提高，對DCS 控制系統(tǒng)提出的要求也越來越高，DCS 系統(tǒng)能否正確實現(xiàn)設(shè)備保護(hù)、自動控制等功能也密切關(guān)系到機組的正常安全運行，故在邏輯設(shè)計和功能組態(tài)時對DCS 系統(tǒng)進(jìn)行全方位的控制功能仿真測試十分必要。通過仿真調(diào)試，對控制系統(tǒng)進(jìn)行全面測試，將原先可能要在實際調(diào)試時才能發(fā)現(xiàn)的問題消除在萌芽狀態(tài)，減少設(shè)備實動帶來的安全風(fēng)險，確保機組順利投產(chǎn)。在仿真調(diào)試中通過功能測試和參數(shù)初設(shè)后，大部分控制回路基本可用，待現(xiàn)場調(diào)試時再根據(jù)實際情況進(jìn)行參數(shù)細(xì)調(diào)，這樣可以縮短實際調(diào)試時間，加快調(diào)試進(jìn)程，節(jié)約調(diào)試費用。但由于模型搭建困難、測試方法缺乏等原因，在DCS 系統(tǒng)出廠前進(jìn)行全面功能測試存在較大難度，往往要等到現(xiàn)場實際調(diào)試時，才能對控制系統(tǒng)進(jìn)行功能測試，進(jìn)而會帶來設(shè)備實動的安全風(fēng)險，延長實際調(diào)試時間。

針對這一問題，本文給出一種基于激勵式仿真系統(tǒng)的火電機組DCS仿真測試方法。該方法采用已有的典型1000MW 直流機組激勵式仿真系統(tǒng)作為仿真支撐平臺，通過分析對比待測機組與激勵式仿真系統(tǒng)提供的機組特性，包括機組容量、蒸汽參數(shù)、輔機布置等，將待測DCS系統(tǒng)控制參數(shù)與激勵式仿真系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行合理對接，快速建立仿真測試環(huán)境；同時，進(jìn)行待測DCS系統(tǒng)與激勵式仿真系統(tǒng)DCS間數(shù)據(jù)跟蹤及無擾切換功能的設(shè)計。這一功能的實現(xiàn)可以應(yīng)用激勵式仿真系統(tǒng)的裝載工況教練員功能，迅速建立測試狀態(tài)，實現(xiàn)了針對某一工況快速重復(fù)測試的功能，極大地方便在線測試的能力。

本文將這一方法應(yīng)用到某新建電廠660MW 火電機組的DCS 仿真測試中，對各主要系統(tǒng)及整個協(xié)調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了全工況測試，對DCS 系統(tǒng)中存在的問題及時進(jìn)行了修改和完善。仿真測試結(jié)果表明這一方法的有效性，對在建機組降低設(shè)備實動風(fēng)險，提高機組運行安全性，早日投入生產(chǎn)，提供了很大幫助。

1 激勵式仿真系統(tǒng)

目前，許多科研單位及電廠中均配置有激勵式仿真系統(tǒng)，基本上主要由模型機及虛擬DCS 系統(tǒng)構(gòu)成［2-3］。本文給出的火電機組激勵式仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 火電機組激勵式仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Thermal power simulative simulation systemstructure

圖1 中，激勵式仿真系統(tǒng)包括仿真模型支撐系統(tǒng)及虛擬DCS 系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用2 層結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，且這兩部分相對獨立，以網(wǎng)絡(luò)通信的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互操作。

1.1 仿真模型支撐系統(tǒng)

仿真模型支撐系統(tǒng)以通用的1000MW 超超臨界直流機組為原型，鍋爐為π 型爐，采用一次中間再熱、雙列輔機布置。模型采用機理建模的方法搭建了鍋爐、汽機、電氣等各個系統(tǒng)過程的動態(tài)模型。仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了從冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)和極熱態(tài)啟動到滿負(fù)荷，從額定負(fù)荷到停機，以及鍋爐與汽輪發(fā)電機的各種不同組合工況，最大化地模擬現(xiàn)場實際的運行情況［4］。同時，該仿真模型支撐系統(tǒng)，可以方便加載實際運行中各種不同工況。在此基礎(chǔ)上實施火電機組相關(guān)方面的研究，具有很強的操作性及可信度。仿真模型支撐系統(tǒng)部分模型如圖2所示。

圖2 仿真模型支撐系統(tǒng)Fig. 2 Support system of simulation model

1.2 虛擬DCS系統(tǒng)

虛擬DCS 系統(tǒng)是將真實DCS 在非DCS 的計算機系統(tǒng)中以某種形式再現(xiàn)［5-8］。真實DCS 主要是由分散處理單元（DPU）和人機界面（HMI）構(gòu)成的。同樣，虛擬DCS也由虛擬DPU 和HMI構(gòu)成。其中，虛擬DPU 是虛擬DCS 的核心。虛擬DPU 是指將實際分散控制單元中的DPU 功能移植到虛擬DPU 軟件上，使DPU功能脫離實際硬件而實現(xiàn)的，這樣整個虛擬DCS 系統(tǒng)就可以脫離數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)運算硬件設(shè)備而工作，節(jié)省大量硬件投資。本文中虛擬DCS包含1000MW 超超臨界火電機組全部的控制邏輯，其中，DEH 及MEH 控制系統(tǒng)的控制邏輯也集成在虛擬DCS系統(tǒng)之中。

2 DCS控制系統(tǒng)仿真測試原理

2.1 通信原理

OPC（OLE for Process Control）通信協(xié)議是工業(yè)中應(yīng)用比較普遍的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)。 OPC 以微軟的OLECOMDCOM 技術(shù)為基礎(chǔ)，采用客戶端/服務(wù)器模式，定義了一套適用于過程控制應(yīng)用，支持過程數(shù)據(jù)訪問、報警、事件與歷史數(shù)據(jù)訪問等的功能接口［9］。在使用過程中，OPC服務(wù)器是數(shù)據(jù)的供應(yīng)方，負(fù)責(zé)為OPC的客戶提供所需的數(shù)據(jù)；OPC 客戶是數(shù)據(jù)的使用方，可以對OPC 服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)按需要進(jìn)行處理。目前，國外DCS 系統(tǒng)諸如Ovation、ABB 及國內(nèi)DCS 系統(tǒng)諸如國電智深、和利時、新華等系統(tǒng)均提供了OPC 的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，以保證這些系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的連接。因此，本文在仿真測試通信部分采用OPC 的通信方式，具體通信結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 仿真測試中OPC通信原理Fig. 3 OPC communication theory of simulation testing

由圖3 可以看出，仿真模型系統(tǒng)作為OPC 的客戶端，待測DCS 系統(tǒng)作為服務(wù)器端，通信過程中，客戶端向服務(wù)器端發(fā)送收發(fā)數(shù)據(jù)請求，服務(wù)器收到客戶端請求后進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)處理，以此實現(xiàn)激勵式仿真系統(tǒng)與待測DCS系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。

2.2 仿真測試原理

2.2.1 數(shù)據(jù)連接

采用主干鏈接的方式，在通信數(shù)據(jù)連接中，僅將需要測試的部分邏輯及所需的點信息進(jìn)行通信，包括鍋爐主控邏輯、燃料主控邏輯、給水主控邏輯、送引風(fēng)控制、一次風(fēng)壓控制等，以及凝結(jié)水水位控制、低加水位控制、高加水位控制、過再熱汽溫控制等。對于DEH的邏輯也將保持在原有仿真DCS系統(tǒng)中。這樣一方面滿足了對協(xié)調(diào)控制及各輔機的主要控制回路進(jìn)行仿真測試的功能；另一方面減少了過多仿真模型點與DCS點的連接建立，節(jié)省人力成本。

2.2.2 數(shù)據(jù)匹配

由于待測DCS系統(tǒng)與激勵式仿真系統(tǒng)中機組參數(shù)不同，在進(jìn)行模擬量通信時（諸如機組負(fù)荷、溫度、壓力、風(fēng)量、流量等），需根據(jù)兩者機組運行參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。若待測DCS為600MW 機組DCS系統(tǒng)，接收的信號需根據(jù)激勵式仿真系統(tǒng)機組負(fù)荷情況及待測機組設(shè)計參數(shù)進(jìn)行折算，折算成待測DCS 的當(dāng)量值后再將其應(yīng)用到DCS 系統(tǒng)的測試中。同理，待測DCS 系統(tǒng)依據(jù)各激勵式仿真系統(tǒng)中設(shè)備的出力設(shè)置，將輸出指令經(jīng)折算后，折算成激勵式仿真系統(tǒng)的當(dāng)量值輸入到仿真模型中，產(chǎn)生控制作用。

2.2.3 邏輯切換及無擾跟蹤

將實際DCS中各回路的指令信號經(jīng)通信傳輸?shù)郊钍椒抡嫦到y(tǒng)的仿真模型站中，模型站設(shè)置為切換邏輯，即通過切換指令將待測DCS 信號及虛擬DCS 指令信號作二選一，送入相應(yīng)的設(shè)備模型中，完成兩種DCS控制邏輯的切換。同時在虛擬DCS及待測DCS系統(tǒng)中搭建跟蹤邏輯，當(dāng)模型側(cè)切換至原仿真DCS 控制回路時，待測DCS 系統(tǒng)信號跟蹤經(jīng)當(dāng)量折算后的原DCS 指令信號，待測系統(tǒng)處于跟蹤狀態(tài)。由于激勵式仿真系統(tǒng)具有裝載工況的功能，通過邏輯切換及無擾跟蹤的設(shè)計，在切至原回路并加載工況后可無擾地切至待測DCS 系統(tǒng)中進(jìn)行該工況下的仿真測試，縮短了建立仿真測試工況的時間，提高測試效率。

通過通信數(shù)據(jù)點的連接、數(shù)據(jù)變換及邏輯切換與無擾跟蹤這三個方面的設(shè)計，即可實現(xiàn)待測DCS 系統(tǒng)在激勵式仿真系統(tǒng)中的測試。整個仿真測試設(shè)計原理如圖4所示。

圖4 仿真測試設(shè)計原理Fig. 4 Design principle of simulation test

圖4 中，F(xiàn)(x) 為仿真模型系統(tǒng)輸出信號至待測DCS 系統(tǒng)中折算函數(shù)；G(x) 為待測DCS 系統(tǒng)輸出信號至仿真模型系統(tǒng)的折算函數(shù)。

3 仿真測試實施

3.1 機組描述

某電廠新建660MW 燃煤火電的在建機組為超臨界直流機組。該機組DCS 系統(tǒng)為艾默生（Ovation）DCS系統(tǒng)。在設(shè)計過程中配置了單列輔機，即給水泵、送風(fēng)機、引風(fēng)機、一次風(fēng)機等設(shè)備均為單臺布置；進(jìn)行了煙塔合一設(shè)計，將涼水塔與煙囪合為一體。這些設(shè)計上的變化，必然會帶來邏輯上較大的改動，為了確保所設(shè)計的組態(tài)邏輯在機組中可行，滿足機組對控制性能的要求，保證機組安全穩(wěn)定運行，同時避免后期運行調(diào)試期間邏輯較大改動的隱患，在邏輯設(shè)計完成后，采用文中所述方法對所設(shè)計邏輯的主要回路進(jìn)行仿真測試，觀察運行效果并及時進(jìn)行邏輯改進(jìn)及參數(shù)調(diào)整。

3.2 控制回路連接

3.2.1 數(shù)字量連接

數(shù)字量連接主要涉及泵、風(fēng)機、馬達(dá)、閥門等設(shè)備的操作指令與反饋狀態(tài)。連接時需將Ovation 系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動邏輯的開關(guān)指令通信至仿真模型中，同時仿真模型中設(shè)備狀態(tài)通信至Ovation 的設(shè)備邏輯反饋點。雖然該在建機組為單列輔機，仿真模型為雙列輔機布置，但仿真測試的目的在于對設(shè)備驅(qū)動邏輯正確的仿真驗證，因此，將Ovation 系統(tǒng)輔機驅(qū)動邏輯與仿真模型中對應(yīng)的其中一臺設(shè)備連接即可實現(xiàn)對驅(qū)動邏輯的仿真測試。

3.2.2 模擬量連接

該廠模擬量系統(tǒng)主要包括送引風(fēng)控制系統(tǒng)、一次風(fēng)機壓力控制系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、過再熱汽溫系統(tǒng)、協(xié)調(diào)系統(tǒng)、DEH 及MEH 系統(tǒng)等。由于該廠DEH及MEH 系統(tǒng)獨立于Ovation 系統(tǒng)之外，因此在仿真過程中DEH 及MEH 的控制仍在原有仿真DCS 系統(tǒng)中實現(xiàn)，僅將所需的負(fù)荷指令及轉(zhuǎn)速指令經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)通信，送入原有仿真DCS系統(tǒng)中，產(chǎn)生控制作用。

由于Ovation DCS 系統(tǒng)所對應(yīng)的機組為660MW 機組，仿真模型為1000MW 機組模型。為了保證仿真測試的正確性，在將模擬量從模型傳遞至Ovation DCS 系統(tǒng)中時，需將當(dāng)前運行參數(shù)折算成660MW 機組對應(yīng)的當(dāng)量值。比如給水流量信號，為了保證經(jīng)折算后系統(tǒng)的狀態(tài)與模型中運行狀態(tài)一致，將其按照公式（1）進(jìn)行折算，即

其中，F(xiàn)100為模型機給水流量；F66為折算后給水流量；f1(P66)為Ovation DCS 對應(yīng)機組在當(dāng)量負(fù)荷下的設(shè)計給水流量；f2(P100)為模型機組在當(dāng)前負(fù)荷下的設(shè)計給水流量。

通過公式（1）的折算，可以將模型機組“欠負(fù)荷”與“過負(fù)荷”時的動態(tài)過程更真實地傳輸?shù)絆vation DCS系統(tǒng)中。同理，諸如總風(fēng)量、總煤量等也可按照公式（1）給出的折算形式進(jìn)行折算。

對于Ovation DCS 系統(tǒng)傳輸至模型機組中的指令信號，由于其生成的指令信號與模型機組所需的指令信號均為0～100% 的標(biāo)稱化信號，因此無需對指令信號進(jìn)行折算。另外，Ovation DCS 系統(tǒng)對應(yīng)機組為單列輔機布置，因此在指令傳輸至模型機過程中需將其單列輔機指令信號傳輸至模型機組的兩臺輔機設(shè)備中。

3.2.3 跟蹤設(shè)置

為了保證由原虛擬DCS 控制切換至Ovation DCS控制過程無擾動，需將原虛擬DCS 指令送至Ovation DCS 控制邏輯中，在原虛擬DCS 控制時，Ovation DCS中指令跟蹤原虛擬DCS 控制指令，保證切換至Ovation DCS 時控制指令不發(fā)生跳變。另外由于其為單列輔機，模型機組中相關(guān)雙列輔機指令需取平均后再送至Ovation DCS 系統(tǒng)。本文以送風(fēng)機指令為例，其跟蹤邏輯如圖5所示。

圖5 中，切換按鈕置1 時，送風(fēng)機動葉調(diào)節(jié)裝置指令為仿真模型輸出的調(diào)節(jié)指令，同時邏輯中M/A 手操器輸出跟蹤仿真模型輸出指令；切換按鈕置0 時，送風(fēng)機動葉調(diào)節(jié)裝置指令切為M/A 手操器輸出，經(jīng)由通信程序傳遞到模型使控制指令作用到送風(fēng)機模型中，實現(xiàn)無擾切換。

圖5 送風(fēng)機系統(tǒng)及切換邏輯Fig. 5 The forced air fan system and the switching logic

3.3 仿真測試

經(jīng)各部分與仿真模型通信及邏輯搭建完成后，仿真模型加載CCS協(xié)調(diào)方式工況，待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，將其切換至Ovation DCS 控制邏輯對仿真模型進(jìn)行控制，以測試所設(shè)計邏輯的有效性。通過協(xié)調(diào)方式的測試，發(fā)現(xiàn)并修改了原Ovation 控制邏輯中不足的部分，同時根據(jù)變負(fù)荷情況對邏輯中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，使其能夠按照預(yù)定的結(jié)果運行。圖6 給出了DCS方式下，待測DCS 系統(tǒng)將負(fù)荷由620MW 升至640MW時的變負(fù)荷情況。

由圖6 可知，變負(fù)荷指令發(fā)出后，機組能夠平穩(wěn)升至目標(biāo)負(fù)荷，燃料量及給水流量等控制參數(shù)能夠按照預(yù)期平穩(wěn)變化。通過對該新建機組DCS邏輯進(jìn)行仿真測試，完善了DCS邏輯，同時也驗證了邏輯的正確性及有效性，基本達(dá)到了所設(shè)計的預(yù)期效果。將測試后的邏輯應(yīng)用到實際中，可以有效縮短調(diào)試時間，降低由于邏輯不完善而造成設(shè)備誤動作的安全風(fēng)險。

圖6 新建機組DCS仿真測試變負(fù)荷情況Fig. 6 The test of DCS changing load simulation

4 結(jié)論

對于在建機組而言，DCS 組態(tài)邏輯的仿真測試是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，通過仿真測試來對控制功能和軟件組態(tài)進(jìn)行全面檢測，并對控制參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)置，以提高控制系統(tǒng)功能組態(tài)的實施質(zhì)量，為控制系統(tǒng)的實際調(diào)試和正常投用創(chuàng)造有利條件。本文在全面了解激勵式仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，給出了一種基于激勵式仿真系統(tǒng)的火電機組仿真測試方法，并將其應(yīng)用到在建機組中，仿真測試結(jié)果表明這一方法的有效性。這一方法的提出，對在建機組降低設(shè)備實動風(fēng)險，提高機組運行安全性，早日投入生產(chǎn)，提供了很大幫助。