（电气工程专业论文）基于xdps400图形组态的仿真系统的开发.pdf

浙江大学工程硕士学位论文 摘要 摘要 胜利发电厂# l 、# 2 机组热控系统从1 9 9 9 年2 0 0 0 年全部实行了d e s ( 分散 控制系统) 、d e h ( 数字电液调节系统) 改造。机组改造后采用上海新华公司的 x d p s 一4 0 0 控制系统，由原来的常规仪表以及单回路控制改为全新的计算机过程 控制，这对运行人员的专业知识以及操作技能和系统的各种故障、突发事件的应 变能力，以及热控人员对d c s 的组态、维护能力的要求越来越高，加强对运行人 员的操作技能培训和热控人员的技术培训已成为我厂电力安全生产的重要一环。 因此，仿真系统软件的研究和应用也势在必行。 基于图形组态的仿真模型的开发，始终坚持“计算机适应人”的原则，在设 计思想上借鉴了面向对象的认知方法，提高了程序的可利用率。 本文所研究的风烟系统是锅炉系统的重要组成部分之一，其结构复杂，与其 它系统联系紧密，其建模内容包括送风机、引风机、排粉机、调节风阀等设备的 数学模型。所涉及的参数如送风系统风压、炉膛负压、烟道负压、制粉系统出力 及风压和给粉量等都直接关系到锅炉的燃烧和传热。此外，在炉膛燃烧工况发生 较大扰动时，炉膛内烟气压力和温度将急剧变化且将波及整个风烟系统。依据设 备的基本物理方程建立了各设备的数学仿真模型，并将风烟系统作为一个流体网 络来求解烟气和风系统各处的压力、流量、温度和烟气中含氧量等参数。 本文所基于的开发平台是新华控制工程有限公司的x d p s ( x i n h u a d i s t r i b u t e dp r o c e s s i n gs y s t e m ) 分散控制系统，在其d p u 组态软件平台上开发所 需面向对象的设备模块，本文主要介绍了胜利发电厂风烟系统的生产过程仿真开 发与实现。 关键词：风烟系统；面向对象；动态特性；图形组态；仿真 塑坚查兰三墨堡圭兰焦堡苎 竺! ! 垦竺! a b s t r a c t t h e 恤咖a lc o n 仃0 1 l i n go fn 0 1 & n 0 2g e n c r a t o ru i l i t so fs h e n g l ip o w e rp l 趾t sh a v eb e e n r c f 如i n e dt od c s d e h 矗o m1 9 9 9t o2 0 0 0y e a r ，a d a p tt 0c h 孤g i n g0 fa f ! 陋r so fc v e r yk i i l do f b r e a k d o 啪，b r e a k - o u ta f f a i r sf o rp r o f e s s i o nl ( i l o w l e d g ef o rx d p s - 4 0 0 f o rr e f o m l i n gt l l ec o i n p u t e r c o n 廿o l l i n gs y s t e mo fs h a l l g h a ix i n h u ac o m p a l l y ，c h a n 百n g 舶mo r i g i n a l l yo fn o r i n a lr e g l l l a l i o n s a p p e a r a i l c ea n ds i n g l e c n u i tc o n n d lt ot h cc o n 打o lo fa un e wc o m p u t e r p r o c e s s ，t h i sr i g h t m o v e m e n t sp e r s o n n e l s e sa i l do p e r a ! t i o nt e c l l i l i c a la b i l 时谢ms y s t e mo fm a c h i n es e ta b i l 埘，趾d m e r n l a lc o n t r o l l i l l gp e r s o n n e lt od c ss e ti l n p o n a n c ef 0 1 t e c l l i l i q u ef o rr e q u e s tf o rc o 曲g 嘣t i o n ， m a i n t e n a n c ea b i l i t ym o r ea n dm o r eh i 曲l y ，e n h a i l c i l l go p e r a t i o n i n gc i r c u l a t ep e r s o n n e lt e c l l n i c a l a b i l i t yt r a i n i n g 诚ht l l e r m a lc o m o lp e r s o n n e l 仃a i 血n gh a v eb e c o m i n gt h ei m p o n a 皿tp a r to fo u r f a c t o r y s e l e c t r i cp o w e rs a f 苦t y p r o d u c i n g 1 1 1 e r e f o r e ，i m i 协t e t l l er e s e 盯c ho fd e v e l o p i n g 趾d i m p l y m gt h es i m u l a t i n gs y s t e ms o f t w a r e i si i r l p e r a t i v e t h es i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nt l l eg r a p l l i cc o n f i g u r a t i o ni sa l w a y sd e v e l o p e do nt h eb a s i so f t h e 硼n c j p l e - c o m p u t e rs e r v e sm a l ls ot h a tt h eu t i l i 删o no fc o d e s i sg o tt ob ei i l l p r o v e dt 0 0m u c h t h ea i rf l u es y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a no fb o i l e rs y s t e m n ss n u c t u r ei sc o m p l e xa n di th 髂 a 1 1 y m i n gt od o 谢t ho t l l e r s s y s t e m t h em o d e l i n gi n c l u d e sm a n ym a m e m 撕cm o d u l e s ，s u c ha s f o r c e dd f a u 曲tb l o w e r ，i n d u c e df a n ，e t c s o m ep a r 鼬e t e r s ，s u c ha sb l a s tp r e s s u r eo fa i fs l l p p l y s y s t c m ，s u c t i o np r e s s l l r eo ff 啪a c ec h 锄1 b e r ，e t c ，d i r e c t l yi n n u e n c et h eb o i l e rc o m b u s t i o na l l d h e a t 订a n s f e lf m t h e m o r e ，u n d e rm es i t u a t i o no f t h ec o m b u s t i o nw o r kc o n d i t i o n sd i s t u r b i n gt o ob i t h es e v e r ec h a n g eo f 也ea i rm 硷p r e s s u r ea n d 协p e r a n 盯ew i l l 单r e a dt o 也ew h o l e 加rf l u es y 或e m t h ee s t a b l i s e mo fe q u i p m e mm a m e m a ：t i cm o d e l si sb a s e do nt h ep h y s i c a lf h n c t i o no fe a c ho n e ， a n dt h ea i rf l u es y s t e mi sd e a l t 、v i t l la saf l o wn e t w o r ki no r d e r t ow o r ko mt l l ep a r a m 曲：r so fa i r f l u ea n da hs y s t e me a s i l y t h ed e v e l o p m e n tp l a t f 0 衄u s e di nm i sp a p e ri s ) ( i ) p sd e v e l o p e db y ) ( i nh u ac o n 们l e n g i n e e r i n gc o ，t h ee q l l i p n l e mm o d u l e sa r ed e v e l o p e d o nm ed p uc o n f i g l l r 嘶o ns o f t 嗍e t h i sa r t i c l eg i v e sm ea c t u a ls i m u l a t i o nd e v e l o p i n gp r o c e s so nt h e rf 1 u es y s t e mo fs h e n 舀ip o w e r p l a n t k e yw o r d s ：d c s ；o b j e c t - o r i e n t e d ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ；g r a p h i cc o n 6 9 u r a 廿o ； s i m u l a t i o n 浙江大学工程硕上学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 电厂仿真技术概念 随着经济的发展，先进国家的生产和生活对电力需求量迅速增大，促使电力 系统和发电设备向高参数、大容量发展，从而导致工艺系统设计越来越复杂，操 作人员若预先不经过有效的培训，将难以掌握运行操作技术。所以运行中一旦 发生设备事故或自动控制失灵，运行安全性更难保证，因此发展电站仿真技术成 为了迫切的需要。 仿真系统工程涉及计算机硬件、软件、计算数学、热能工程、流体力学、热 力学、电力系统、建模理论和自动控制等诸多学科的理论和工程问题，可使我厂 的有关技术人员全面掌握仿真系统的设计原理及仿真技术，对仿真系统进行有效 地使用、维护、修改和开发；使运行人员实现机组在各种工况下的启动、停止、 正常运行操作，提高准确分析、判断、处理各种事故的能力，提高在事故情况下 操作的正确率；使热控人员可方便地利用仿真装置的工程师站进行热控系统和逻 辑的组态分析和修改，寻求控制和保护系统的最佳控制策略。 随着自动化技术、先进过程控制技术和计算机分散控制系统在发电厂全面应 用，在正常运行过程中自动化技术和设备代替人员的操作，运行人员直接参与操 作的机会甚少。一旦发生故障和事故时，需要运行人员进行处理，就显得运行知 识不足，实际操作经验缺乏，最终导致事故扩大。轻者被迫停机停产，重者设备 损坏、人身伤亡。这就要求更多地考虑发电的经济性，使工艺系统设计得非常复 杂，监视和操作参数多达数千个。操作人员如不预先经过有效的培训，就会越来 越难以掌握先进的运行操作技术。 实际系统已不适合对操作员进行培训。用实物制造一个大规模系统的相似系 统是比较困难的，有时是不可能的，而且造价也相当高。所以过去总是将系统分 成若干个部分，制造各个局部的模拟系统，分部分对操作人员进行培训。这种方 法效果不理想，使许多操作事项得不到培训。近十几年来，随着数字式计算机和 计算技术的迅猛发展，为电厂仿真培训提供了进一步的发展的条件。计算机的发 展，由实物组成的仿真培训系统已被由计算机构成的仿真培训系统所代替。这种 仿真培训系统称为仿真机，其由三部分组成：操作员站、服务器和工程师站【2 l 。 其如图1 - 1 所示。 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 图1 - 1 仿真机系统原理框图 f i g u r e1 - 1t h et h e o r ym a po f s i m u l a t o rs y s t e m 这种火电仿真机提供了一个连续的实时运行环境。它真实的仿真了整个电站 的运行工况，能够实现在多种工况下的机组启动、停机和正常运行时的监视及操 作。全部操作结果( 无论是正确操作还是错误操作) 都与实际电站的反应一致。对 岗位运行人员、技术管理人员定期轮训上岗或晋升考核，提供反映运行人员实际 操作能力和分析判断能力的手段。 1 2 电厂仿真技术的发展概况 在当今世界上己普遍采用仿真机来培训人员，取得了良好的效果，并己成为 了法定的培训方式。随着发电技术进步和计算机性能不断提高，特别是计算机容 量和运算速度不断扩大和提高，人们对电站仿真技术提出了更高的要求，即不断 扩展其功能，更好的为电力生产的运行分析及科学研究服务。 1 2 1 国外研究情况 从国外看，电厂仿真技术和仿真机的发展可以分为四个阶段。 第一阶段为仿真技术的萌芽阶段即在1 9 6 8 年以前，采用模拟式计算机作为 仿真的主要手段。1 9 6 7 年美国俄亥俄州迪纳利斯火电厂为6 1 5 m w 机组装备了一 台仿真机，采用电子模拟计算机和逻辑开关，只模拟了机组的主工况和主设各。 与美国相比，仿真在亚洲发展得比较晚。1 9 6 8 年日本原子能研究所开发了日本 第一台核电站仿真机，采用的是数字一模拟混合式计算机，包括一台数字式计算 机和两台模拟式计算机。此阶段，电站仿真技术处在一个缓慢的发展中。 第二阶段是仿真技术的发展阶段。在1 9 6 8 年以后的1 0 年间，由于发电机组 容量不断增加和数字式电子计算机的发展并被广泛应用，促使各国采用数字计算 2 浙江大学工程硕士学位论文 第一章绪论 机作为仿真研究的主要工具，迅速开展了核电站和火电仿真技术研究，并开发了 全范围、较高精度的仿真机。如日本，短短几年间内几大电力公司都建立了各自 的火电机组仿真培训中心，如1 9 7 8 年日本的中国电力公司建成了4 0 0 m w 汽包 炉燃油火电机组和5 0 0 m w 直流炉燃油火电机组的仿真中心。 第三阶段也即电厂仿真技术的成熟阶段。在1 9 7 9 年至1 9 8 8 年间，先进国家 大量发展全范围高精度的电站仿真机。在这一阶段，所有国家对电厂仿真技术提 出两点原则性要求：真实地复制电厂控制室；实时地复现生产过程和动态过程。 因此，技术发展的重点是：在硬件上力图全面的仿真电厂控制室；在对象的建模 方面要求仿真对象的动态过程与被仿真电厂一致，因而提出了物理基础的建模原 则，强调以质量、能量、动量三大守恒定律为基础建立设备的数学模型；软件结 构上发展为模块化结构的建模方法。同时，为了适应电力仿真发展形势的需要， 保证火电仿真机的顺利发展，技术上对仿真机提出了统一的要求。 第四阶段是西方停顿，中国大发展阶段。进入2 0 世纪9 0 年代，西方发达国 家电力工业发展处于停顿状态，新电厂建设在减少。因此电厂仿真技术的发展也 逐渐处于停顿。相反，这个阶段电厂仿真技术在中国有着迅猛的发展。 1 2 2 国内研究情况 我国的电站仿真研究始于1 9 7 6 年，清华大学热能工程系以国产2 0 0 m w 燃 煤发电机组为对象，开发研制了我国第l 台正式用于培训的实用性仿真系统。该 系统于1 9 8 3 年完成并投入使用。自7 0 年代中期至今，在电力部门的大力支持下， 电站仿真机以惊人的速度发展，仿真技术也达到了世界先进水平。清华大学还首 次向国外出口仿真机和仿真支撑软件，出口巴基斯坦的火电仿真机及出口韩国的 仿真支撑软件分别于1 9 9 5 年8 月和1 9 9 6 年8 月通过验收。 目前，所投运的仿真机大都以培训电厂运行操作人员为目的。为适应发电技 术的进步及满足电力生产安全、可靠性的需要，电力部门要求电站仿真机能不断 扩大功能，除培训功能外，还应有生产运行、性能分析和故障诊断等科学研究功 能。同时，随着仿真机数量的增加及市场逐步萎缩，仿真机生产厂家为扩大市场， 扩大仿真机的应用范围，在仿真技术和功能扩展方面展开了深入研究，进一步促 进了电站仿真机的发展。 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 1 3 仿真模型开发及其支撑系统 仿真技术的发展伴随着计算机技术的发展而逐渐壮大起来p 】，从基于d o s 的编程技术发展到基于w i n d o w s 的编程技术，仅仅十几年间，就发生了质的飞 跃。 1 3 1 基于传统高级语言仿真模型的开发 早期，传统的高级语言( f o r t r a n 或b a s i c 语言) 对工程计算起到了巨大的推 动作用，直到现在，其仍在工程计算中占有举足轻重的地位。许多科学计算仍然 将这些高级语言作为首选，其适合科学计算的要求：科学性、严谨性和准确性。 计算机技术的发展和高级语言的出现，为电站系统仿真计算奠定了基础。当 计算机技术的发展还未羽翼丰满之时，电站系统中的性能分析都要依靠手工计算 来实现。如在电力发展的过程中，随着电站中锅炉容量和参数的提高，对锅炉安 全和经济性要求越来越严格，锅炉负荷变动的幅度增大，对锅炉燃料的适应性的 要求变宽。因而，在锅炉设计时，必须对各种方案进行技术经济比较，力求最佳 方案。要达到这样一种目的，手工计算周期长、效率低、准确性差，无法满足实 际要求。因此计算机技术和高级语言的发展使设计工作人员从繁重的计算中解放 出来，将主要的精力放在新产品的开发及提高产品的质量上，这是电站系统性能 计算的一次革命。 传统的电_ 站系统计算采用高级语言编程的办法，将整体系统分解成各个子系 统，然后针对每一个子系统进行分析研究，编制子程序来完成子系统的性能分析 或热力计算，子程序留有接口进行程序间数据信息的传递与反馈，由统一的主程 序进行数据管理。虽然整个计算过程最终生成一次可执行程序，但已初显模块化 设计的主导思想。对于性能计算来说，这种方法显示出其优越于手工计算，解决 了许多手工计算无法实现的目标，节省了大量的人力和财力。然而，传统的编制 方法也有其自身的弊端： 1 ) 系统设计使用面窄。某一可执行程序只能针对某一电站系统甚至某一工 况下的汽机系统或锅炉系统而设计，一但改变了外界条件，如改变程序所描述的 系统对象或改变工况参数等，结果导致这些程序无法进行自我判断、自我修正， 生成与外界条件变化相对应的计算结果。 4 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 2 ) 实时计算和观察性差。所有的操作采用的是文本命令交互方式，复杂且 不便于理解和记忆。计算结果也都是以文本的形式生成，只能事后对数据进行趋 势描绘，无法实时监测系统的动态变化过程，显示想要观察的实时趋势。 3 ) 解决故障的手段不便捷。故障设置是培训运行人员和热控人员的重要手 段，电厂中的故障有5 0 0 多种，每一种故障都会使相应的设备产生对应的动作或 结果，如水冷壁损坏、凝汽器水位下降、发电机励磁等，对于这些故障，都要使 程序作出相应的自动判断和紧急处理。而且故障的种类并非一成不变，如果遇到 了新的故障，就要将这种故障记录在故障库中以便今后培训使用。还有对特殊情 况的处理，如遇到冷态启动过程，往往需要2 0 个小时，操作人员就会在仿真时 白白浪费2 0 个小时，因此就要做到加快程序的计算速度。 对于这一切仿真系统应该能够实现的操作，一次可执行程序就凸现其弱点一 修改源程序。这种修改并不是简单的数值上的修改，而是结构上的变动，甚至有 可能代码上的重写，因此，我们就要去除弊端，使程序的设计更加“人性化”。 任何事物都是在发现缺点，经过完善后逐渐壮大，电站仿真系统也是在计算 机技术的发展中得到了充实。基于图形组态的仿真模型的开发，始终坚持“计算 机适应人”的原则，在设计思想上借鉴了面向对象的认知方法，采用目前通用的 w i n d o w s 人机界面的平台【4 】。这样的设计不但人机界面更加友好，而且能够更好 的利用w i n d o w s 资源，使组态软件的功能更为强大。 1 3 2 基于图形组态仿真模型的开发“1 基于图形组态仿真模型的开发采用面向对象的方法作为一种新的程序设计 思想和认知方法，其基本特征：信息隐蔽( 或封装) 、数据抽象动态连接和继承。 与传统的采用高级语言进行编程相比，面向对象的程序更具备模块化功能、表达 概念广泛和代码复用能力强，当系统结构发生变化时，不必对代码进行修改，只 需作图形层面上的设计即可。 以风烟系统为例，介绍用面向对象方法建立风烟系统仿真模型的基本原则： 利用对象的概念来表示风烟系统的各子系统和部件 利用封装实现对象内部属性的屏蔽，而利用信息传递完成对象间的通信 利用继承来表达对象类之间的属性继承关系，使每个对象类按“基类”、 “派生类”的概念构成一种层次结构 浙江大学工程硕士学位论文 第一章绪论 面向对象的方法认为风烟系统的各子系统、各部件都是研究对象，任对象 都包括两个部分：一是具有“数据”属性和“过程”属性的各种实体对象；二是 对象之间的相互作用关系：“信息”行为和“响应”行为，即对象在通过信息的 传递确定了自身数据属性的状态之后，其过程属性处于的“激活态”。对象的各 种属性和行为的总和就构成了关于对象描述集合。对应于风烟系统各研究对象， 其数据属性是对象的特性参数与输入输出参数；过程属性是热力计算过程和相应 的辅助计算，而对象之间的“信息”行为是对象间的输入输出参数的传递，“响 应”行为则是相应热力计算过程的触发。具有这些特征的各个子系统、各部件的 对象模型总体就构成了风烟系统的面向对象模型系统。 图l - 2 风烟系统的对象模型 f i g u r e1 - 2t h eo b j e c t e dm o d e l o f a i rf l u es y s t e m 风烟系统大致上包括一次风系统、二次风系统、引风机系统和空预器系统。 在传统风烟系统划分的基础上，可将风烟系统划分为如图1 2 所示的对象体系。 图1 - 2 中所示的层次分类模型的主要部分是风烟系统的第二层系统，而第四 层的部件对象主要有空预器部件、送风机部件、引风机部件、暖风机部件等，从 而与各级子系统构成完整的风烟系统对象模型体系。 部件对象描述的一个具体实例。 下面以风烟系统中的“空气预热器”说明部件对象的数据属性、过程属性和 实体间响应行为的描述以此加深我们对模块建立( 在后面陈述) 的理解。空气预 热器大体分为：管式空预器、回转式空预器和热管式空预器。本例对回转式三分 仓空预器建立内部的能量方程、动量方程和质量守恒方程。图1 3 图形单元描述 了“回转式三分仓空预器”。 6 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论1 1 ”1t h r lw “1 nw 2t m r 2w r 2巳w t 硎mw s w 2三生ew e 2 图1 3 回转式三分仓空预器f i g u m1 - 3a i rp m h e a t e r1 ) 数据属性 对象名称：空气预热器模块 参数名说明： 入口、出口烟气流量：。、畋： 入口、出口一次风和二次风温度：7。和丁二一、z02 入口、出口一次风和二次风流量：玎么、阡k，2和彬、，：数据特性：某一时刻的静态数值量，与时间无关。2 ) 过程属性 过程属性指用特征方程描述空气预热器部件的动态特性。直接根据实物进行 究，仿真实际系统的变化过程得到适用于实物的某些结论和推测可以指导系统的安全、经济运行以及培训电厂运行和热工人员。建立模型之前，我们只有了解了 动态特性方程才能够掌握部件的内部机理，例如： 一次风的阻力计算方程： 卸：a 华内 ( 1 - 1 )1 如2 “ 、 3 ) 响应行为的描述 响应行为描述包括：输入输出参数校核过程、属性参数获取过程、动态计算 过程和模型的其它运算过程。这种面向对象建模的方法( 尤其是具有复杂结构和 内部过程的大系统) 非常接近人类本身认识和表达某一事物的自然方法。风烟系 统最终可以由各子系统、各部件对象实例组合而成。由于风烟系统模型体系中任 一个子系统或部件都是对象，对象组合最终即是风烟系统对象。仿真计算正是针 对这些对象的一种信息响应行为属性，因此整个系统的仿真过程就变成了各模型 冀燃 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 升温成为过热蒸汽。继而烟气进入尾部烟道，尾部烟道内装有省煤器和空气预热 器，以利用烟气中的余热加热锅炉给水和预热空气，这时烟气已被冷却到 1 2 0 - - - 1 5 0 c ，经除尘器除尘后由引风机将其排入烟囱。 仿真中的数学模型应建立送风机、引风机特性方程，调节阀门的调节特性方 程，空气预热器特性方程，以及各设备和部件段的质量、动量、能量方程。并作 为一个流体网络来求解风烟系统各处的压力、流量、温度、漏风量和烟气中含氧 量等参数。所涉及的参数有送风机系统风压、悬浮段负压、燃尽室负压、烟道处 负压等。对于循环双流化床锅炉来说，炉膛负压的控制调节是很重要的。炉膛应 保持一定的负压来保证锅炉的安全运行，同时控制炉膛漏风量来提高锅炉效率。 除此以外，在仿真的数学模型中，还要满足一些事故仿真的需要，例如空气预热 器泄漏和积灰、过热器或省煤器爆管、受热面积灰、吹灰、尾部积炭着火等。 1 3 4 仿真支撑系统 本系统采用当前在国内外具有先进水平的实时仿真平台s i m - p a n e l ，它运行 于微机系统w i n d o w s9 x m e n t 2 0 0 0 x p 平台，主要应用对象为大型科学计算以 及工业连续仿真系统【8 】。该系统具有界面友好、功能齐全、通用性强和开放度高 的特点，主要体现在以下各个方面： 1 ) 采用了为实时系统专门设计的网络数据库，可以管理变量记录达数十万、 数据上百万个，网络数据刷新周期可以控制在1 2 5 毫秒以内。 2 ) 具有多种数据显示数据，包括表格、曲线、流程图、直方图等，且可以对 显示画面进行方便地在线组态。 3 ) 在各种显示方式下，都可以对数据库中的任意数据进行在线修改，并可以 立即影响到模型的计算。 4 ) 支持多人在网络环境下的程序协同开发，提供了从程序编辑、变量扫描、 编译、连接到运行、调试等全过程的支持。 5 ) 具有完整的指导教师工作站功能，包括：常数的读取与快速保存；工况的 读取与快速保存；模型的运行与停止；模型的冻结与解冻，可以冻结所有模型程 序，也可以冻结部分模型程序；改变模型运行速度，可以将模型运行速度从实际 速度的十分之一至十倍之间进行连续调整；故障设置，故障库可以由用户自己添 加与管理；回退功能，是否启用回退功能、回退数据的保存长度与间隔均可以由 浙江大学工程硕士学位论文 第一章绪论 用户定制；追忆功能，是否启用追忆功能、追忆数据的保存长度与间隔、以及需 要追忆的变量均可以由用户定制；运行状态显示，可以显示当前仿真状态、故障 设置情况、运行时间、仿真速度等；单步执行。 8 ) 提供了先进的多任务实时调度功能，使得用户可以在本系统下同时执行多 个数学模型程序，并使互相之间自动保持同步。 7 ) 高精度的仿真周期，最小仿真步长可以达到1 0 个毫秒。 8 ) 在w i n d o w sn t 2 0 0 0 x p 操作系统中支持在多c p u 环境下的运行。 9 ) 具有多流程支持功能，可以在一套硬件系统上同时开发或运行不同的仿真 系统。 1 0 ) 具有方便的数据超限监视功能，可由用户自行定义变量的上下限，系统可 以在各种显示方式下给出变量的超限状态。 1 1 ) 采用了“客户服务器”运行机制，使得系统具有结构灵活、便于扩展的 特点。 1 2 ) 提供了方便的应用程序开发接口，为用户基于s i m p a n e l 的软件开发提供 了手段。 1 _ 4 课题背景与任务 随着电力产业的发展及电厂对安全运行问题的重视，电站运行在线监测和通 过仿真机培i ) l i 员工已获得普遍运用，但热工操作人员的仿真机培训的发展水平尚 不及运行人员培训。本文着重发展基于图形组态的电站风烟系统动态仿真模型， 其主要工作内容： ( 1 ) 建立基于图形组态的可压缩流体网络仿真模型，可方便地组态电厂生 产过程的不同管网系统，实现静态和动态的在线计算。 ( 2 ) 研究了电站风烟系统实际结构，建立了系统中各设备的数学描述模型， 根据电厂生产过程的参数变化范围为特征，引入合理的简化假设，满足在线仿真 的要求。 ( 3 ) 通过对胜利发电厂2 2 0 m w 仿真机联调实践，完成了全工况范围仿真机。 比较了静态仿真结果与实际测量数据，观测和验证了仿真模型的动态响应曲线。 浙江大学工程硕士甚墨鼋磊磷罄毫萋謇墓匿童銎囊璧鬻 薹2 - 1 删营薹坠 【! l l 蓝戛 f i g u r e2 - 1t h es k e t c hm a po f af l o wp i p e 犁备召篓荤壶1 x l 盥薷婴。际国碌：盔瞧旧帐蟛噔瑚峪馐 萋2 滔糌。囊1 * 蕤要琴= r j x 鋈( 2 - 1 i 轿器；罩随一醪封夔墼| 薹髫 ! 一氯露墼烂( k g s i r j 随甬浔喃滂i l 蓥薹篓舞! 堕呼r j 苦0 卵酿靶静；旦可。 有了对部件对象的了解，我们就可以对其建立仿真模块。实际上，电站系统 是一个庞大而复杂的系统，包含上万个设备( 或功能、流程) ，当我们对系统进 行分析时，并不需要针对每一个设备都要建立一个部件对象，过多的部件对象会 导致管理系统操作异常复杂。对设备( 或功能、流程) 内部的机理进行研究。就 会发现这些设备( 或功能、流程) 不外乎若干个类别。如：整个风烟系统中用了 许多阀门，它们形状不同、功能各异，但可以粗略地分为两类：可调节型的；不 可调节型的。将属性相同或接近的部件加以抽象构成多个具有共性的部件类，而 具体设备、过程、关系则看作某部件类的实例。将部件类具有共性的内部过程和 结构特性用一段子程序( f o r t r a l l 或c 语言) 来表达形成该部件类的算法。一个 算法由若干输入输出参数、内部参数及特征系数构成，各参数间满足特定的物理 或逻辑关系。在模型开发过程中根据某类部件的具体数量多少可创建多个模块， 构成该类部件的多个实例。同类部件模块的结构完全相同，不同的只是表征具体 设备特性( 结构、物性参数等) 的模块系数值。设备( 或功能、流程) 分类的方 法是人为的，但原则上按照工质流程、信息流向、功能、设备的自然边界来划分。 浙江大学工程硕十学位论文第二章流体网络仿真模型与数值计算 图2 - 2 可压缩流体网络 f i g u r e2 - 2t h es k e t c hm a po fac o m p r e s s i b l ef l o wp i p e a ) 阻力集中在支路入口 对于第j 条支路有： mt rd 扎 一2 巧“署z 仃= 1 , 2 ，搠，( 2 - 2 ) 毛一岛= 心呜 式中，v 为第j 条支路容积；r 。，为以入口参数计算的第j 条支路的流阻， 即r q = g j 2 p 。鬈。 由于p = ，h ) ，因此有： 盟：盟堕；鱼堕( 2 - 3 ) d r 8 氐d ro h q d r 对于液体，! 拿：0 ；对于气体，管网中工质流速一般远低于音速，故焓值 d r 的变化要比压力的变化速度慢得多，皇享 堡，并且由理想气体状态方程1 们“- p = 且丁和定压比热方程c ，= 等得： 旷器 c ：川 p 口。矗i 2 州 求解p 对h 。e 的偏导可知： 8 d “r 一 ，口c ，。弓( 2 - 5 ) rh e 阢一 o i 强 c p p ； 由( 2 - 5 ) 可得薏鬻苦，我们知道压力与焓的比值是一个有限值，因 此可以忽略焓变化的影响，则； 1 5 融 浙江大学工程硕士学位论文第二章流体嘲络仿真模型与数值计算 警= 喜形一静+ w ( 2 1 2 ) 式中，肘为节点质量，彬为流入、流出压力节点的流量，w 为微小流量之和。 引入压缩比和流体密度p ，由m = p 矿，假定管系体积矿是定值，可得： 由于( 2 7 ) 可知， 警= 丢( p 咖矿鲁i 2 磊妒j 叫瓦 ( 2 - 1 3 ) 掣：矿罢冬：隧譬 ( 2 1 4 ) 出8 p 出d l 、7 这里k ：罢，当流体类型一定时，k 可近似认为一常数。发值的大小反映 a p 了流体的可压缩性，k 值越大，说明流体可压缩性越强，反之，可压缩性则越小。 在工程实际中要不要考虑流体的可压缩性，则要视具体问题而定。通常把液体视 为不可压缩流体，把气体作为可压缩流体处理。当气流的马赫数小于0 4 时，可 忽略气体可压缩性。在工程计算中足可以在实际经历的参数范围内由回归表达式 或差分平均常数来表示。 将式( 2 1 1 ) 、( 2 1 4 ) 代入式( 2 1 2 ) 得： 馏警= 喜j 掣一薹掣+ w c z 小， 采用隐式欧拉公式将微分方程转化为差分方程： 整理得： 馏簪= 喜厮吲一茎厨圳+ w 陆旧 异= + 隧出t 矗+ e 只+ w 隧，f + b 式中，r ，巧分别为前后两个时刻的节点压力 1 8 ( 2 1 7 ) 浙江大学工程硕士学位论文第二章流体网络仿真模型与数值计算 小为计算步距 i = l ，2 ，一，n + 棚 将该算法扩充到一个流体网络中去，当流体网络处于平衡状态时，各压力节 点及各支路的流量都稳定在某一定值下，当某节点压力变化时，整个流体网络内 的压力、流量都将发生变化，达到新的平衡。 2 3 2 组态模块的开发 基于x d p s 分散控制系统，可将组态系统模型的建立过程演变成为许多工程 模块的简单连结关系【1 8 】。其设计思想如下： ( 1 ) 算法库的建立和完善。对各基本单元( 设备) 的算法进行一次编程，并将 其放入算法库中，其后的重复调用只作系数的设定及模块间的连接操作， 模型的建立、修改和调试不再面对程序设计语言。 ( 2 ) 系统分解。根据系统的功能和结构，将整个系统自顶向下、由全局到局 部划分为若干层次的子系统。 ( 3 ) 子系统模型创建。将子系统进一步分解为若干部件，运用相应算法建 立各部件的具体模型模块，并将各模块输入、输出的数据变量连接，形 成整体子系统模型并进行调试。 ( 4 ) 系统模型集成。将个子系统模型集成形成整个系统的模型。 从整个设计思路中可以看出，组态模型开发是一个由系统分解到系统综合的 过程【2 0 】。将一个大的系统先进行分解，形成若干个小的子系统。如果可以对子系 统直接建立相应的模块，那么分解工作到此为止：如果子系统仍然不能由一个模 块进行描述，则继续分解，直到可以建立描述系统或设备的模块为止。系统集成 是分解的一个反过程即综合的过程。由此可见，模块是能被修改的最小对象，其 开发是系统开发的前提，当模块能真实地反映出所描述设备的动态特性，才能使 形成模型系统以最接近实际情况的反映出实际系统的动态特性【2 l 】。 一个特定算法模块的定义包括三部分：输入参数、输出参数和描述模块自身 1 9 氍 浙江大学工程硕+ 学位论文 第二章流体网络仿真模型与数值计算 特性的系数。模块的输入来自其它模块的输出或者数据采集接口系统等数据源， 模块的输出供其它模块输入使用、用于显示输出或进行调试，模块系数不同值代 表设备或过程的各特定属性。基于x d p s ，开发组态模块分两部分： 图形单元开发 算法库开发 1 ) 图形单元开发 一个模块需要在组态软件中正确的显示和输入数据，进行线路连接，则需要 建立一个图形单元文件，这个文件定义了一类模块。按照组态软件所要求的文本 格式在文件中编写图形单元的信息，其中包括：i d 号、输入参数个数、输出参 数个数、系数个数以及各个参数的数据类型描述等。在平台中显示出模块( 图2 ，4 ) 图2 4 个支路节点压力模块示意图 f i g u r e2 - 4t h es k e t c hm a po f 4b r a n c hn o d e - p r e s s u r em o d u i e i d 号是模块在系统中能惟一被识别的标识，它与学生的学号相似，用于快速 识别和调用。如果在模块定义中不同的模块有相同的i d ，组态软件只会显示最 后定义的模块图形，因此i d 号必须唯。 2 ) 算法库开发 算法是建立数学模型的基础，每个算法对应一个独立的子程序。加入一个新 算法一般要进行以下工作： 确定算法所需要仿真的实际设备或系统，对实际设备的原理进行分析、 或用于衄；il布输出至互一它模块输入 吣啪蛐帅 浙江大学工程硕士学位论文 第二章流体网络仿真模型与数值计算 研究；必要时确定假设条件，如2 3 1 节所述。 确定算法计算时需要的输入参数、输出参数和系数。写出实际对象特性 的数学描述，如物质平衡、能量平衡和动量平衡等方程。 根据算法的精度要求和假设条件，对数学描述特别是微分方程式进行加 工、处理，变成计算机能够处理的方程或数据口2 1 。 编写并上机调试算法程序。 本算法库的开发运用v i s u a lc + + 6 0 编程，形成符合x d p s 要求的w i n d o w s 动态链接库，将其挂接在组态软件中，就可以形成自己专用的计算模块，方便调 用口”。 两部分开发完毕，需要联结，也即模块图形和模块算法库之间建立惟一对应 关系。这由函数r e g i s t e r f u n ( i d , n i n ，n p a r a ，n o u t ，0 ，0 ，o , f u n c n a m e ) 来完成，其中， i d 为图形单元的标识，n i n 为输入参数的个数，n p a r a 为参数的个数，n o u t 为输 出参数的个数，0 , 0 ，0 为其它类型参数的输入个数，f t m c n a m e 为算法库的名称。 i d 是图形单元的惟一标识，f u n c n a m e 是算法库的子程序名称。这样，算法库计 算用的中间变量与图形单元中的变量就建立了惟一的对应关系。 2 4 流体网络的图形组态及数值计算实例 依照x d p s 的建模规范，建立可压缩流体网络节点压力法的组态模块 n o d e p 4 ( 参见图2 6 ) ，该模块包括4 个压力输入、4 个流阻输入、1 个微小流量之 和输入，输出包括1 个节点压力和4 个支路流量，此外还有1 个压缩系数作为模 块参数。当节点支路少于4 时，多余的输入参数赋零值。 图2 5 所示流体网络包含四个节点，节点压力分别为p 2 、p 3 、p 5 、p 9 ，边界 点压力分别为p 1 、p 4 、p 6 、p 7 、p 8 。设流体为不可压缩流体，即k = 0 ，同时假设 没有微小流量流入，即w = 0 。在某工况下，流体网络的实验测定值列于表1 。 利用4 节点的节点压力模块n o d e p 4 对该流体网络进行图形组态，如图2 - 6 所示。若管系结构发生变化，只需调整模块间输入输出引脚联结关系；若流体网 2 1 浙江大学工程硕士学位论文第二章流体网络仿真模型与数值计算 络中节点最大支路数超过4 ，可以选用8 节点或1 6 节点的n o d e p 模块替换。 表2 - 1 莱工况下流体网络各节点压力与支路流量试验测定值1 t a b l e2 - 1t h ee x p e r i m e n t a ln o d e - p r e s s u r ea n df l o wr a t eu n d e ra nc o n d i t i o n i l 12345 6789 p i i 3 67 72 808 11 98 98 73 2 r i i 154211 32 510 51 0 w ；i23142234l 图2 5 流体网络系统 f i g u r e2 - 5f l u i dn e t w o r ks y s t e m 图2 5 所示系统的完整流体网络在分布式处理单元d p u 组态软件中的系统 模型如图2 - 6 所示，将该组态页下装到d p u 组态软件中，即自动形成在线计算。 d p u 组态软件主要用于对d p u 或v d p u ( v i r t u a ld i s t r i b u t e dp r o c e s s i n gu n i t ) 的组态、调试和组态文件保存等任务。软件可以对组态文件进行离线组态或在 线组态，组态后的文件能保存在存储设备，例如软磁盘或硬磁盘。也可以上装 已组态好的文件，并保存在磁盘中。通过组态软件提供的图形组态界面，用户 可以按照实际系统的顺序，通过图形连线组态方式，将基本的图形单元按照输 入参数与输出参数相对应的规则连接生成具有一定设备意义的设备系统图。下 装组态后，系统的各图形单元就可以进行在线计算。 图2 - 6 中( 1 ：1 0 ) 节点压力模块描述了图2 5 中p 8 ，p 5 ，p 9 ，p 2 组成的子系统；图 2 - 6 中( 2 ：2 0 ) 节点压力模块描述了图2 - 5 中p l ，p 2 ，p 4 ，b ，p 9 组成的子系统；图2 - 6 e 8 ( 3 ：3 0 ) 节点压力模块描述了图2 - 5 中p g p s ，p 6 ，p s 组成的子系统：图2 - 6 中( 4 ：4 0 ) 节点压力模块描述了图2 - 5 中p 2 ，p 7 ，p 3 ，p 5 组成的予系统。 本文算例均采用国际单位制 浙江大学工程硕士学位论文第二章流体网络仿真模型与数值计算 图2 - 6 中有四个节点压力模块，创建组态页时，组态软件会自动用模块执 行序号来标识模块运行的次序，组态软件按块号给每个模块动态分配内存空间， 每个模块的输入参数、输出参数和系数的信息都存在相应的内存空间中。这样， 模块就可以由指针来传递数据而不会发生数据误用。 图2 - 6 流体网络组态图 f i g u r e2 - 6m o d u l a r i z e dc o n f i g u r a t i