（控制理论与控制工程专业论文）激励式仿真系统的研究及其在600mw超临界机组中的应用.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 6 0 0 m w 超临界火电机组由于其高效率性已经成为我国电力生产中的主力机组， 而对于它的操作控制还有待于进一步的提高，仿真机培训是一种切实可行的方法。 文中介绍了p a s 一3 0 0 m 这一新的d c s 系统，并在此基础上进行了激励式仿真系统的研 究，论述了该方式的优势，给出了基于虚拟d c s 技术的仿真系统的设计方案，在此 基础上完成了一台6 0 0 m w 超临界机组仿真机。给水控制是直流锅炉自动控制中相对 重要的一环，论文最后介绍了给水控制在该台仿真机中的应用，得到了较好的仿真 效果。 关键词：激励式，仿真，超i 临界 a bs t r a c t 6 0 0 m ws u p e r - c r i t i c a lu n i t sh a v eb e e nt h em a i nf o r c eo fe l e c t r i c a lp r o d u c t i o ni no u r c o u n t r yb e c a u s eo fi t sh i g he f f i c i e n c y , b u ti t so p e r m i o n a lc o n t r o lw o u l db ef u r t h e r i m p r o v e d ，s i m u l a t o rt r a i n i n gi saf e a s i b l em e t h o d an e wd css y s t e mn a m e dp a s 一30 0 m i si n t r o d u c e d ，s t i m u l a t i v es i m u l a t i o ns y s t e mi ss t u d i e db a s e do ni ta n dt h ea d v a n t a g e so f s u c hd e s i g ni sd i s c u s s e d ，t h ed e s i g np r o j e c to fs i m u l m i o ns y s t e mb a s e do nv i s u a ld c si s p o i n t e do u t ，as i m u l a t o ro f6 0 0 m ws u p e r c r i t i c a lu n i ti sf i n i s h e d f e e dw a t e rc o n t r o li s a ni m p o r t a n tl i n ko fa u t o m a t i cc o n t r o li n o n c e - t h r o u g hb o i l e r , t h ea p p l i c a t i o no f f e e d w a t e rc o n t r o ls y s t e mi nt h i ss i m u l a t o ri si n t r o d u c e da n dg e t sg o o ds i m u l a t i o ne f f e c t l i ug u o h u a ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s u nw a n y u n k e y w o r d s ：s t i m u l a t i v e ，s i m u l a t i o n ，s u p e r c r i t i c a l 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 6 0 0 m w 超临界火电机组由于其高效率性已经成为我国电力生产中的主力机组， 而对于它的操作控制还有待于进一步的提高，仿真机培训是一种切实可行的方法。 文中介绍了p a s 一3 0 0 m 这一新的d c s 系统，并在此基础上进行了激励式仿真系统的研 究，论述了该方式的优势，给出了基于虚拟d c s 技术的仿真系统的设计方案，在此 基础上完成了一台6 0 0 m w 超临界机组仿真机。给水控制是直流锅炉自动控制中相对 重要的一环，论文最后介绍了给水控制在该台仿真机中的应用，得到了较好的仿真 效果。 关键词：激励式，仿真，超i 临界 a bs t r a c t 6 0 0 m ws u p e r - c r i t i c a lu n i t sh a v eb e e nt h em a i nf o r c eo fe l e c t r i c a lp r o d u c t i o ni no u r c o u n t r yb e c a u s eo fi t sh i g he f f i c i e n c y , b u ti t so p e r m i o n a lc o n t r o lw o u l db ef u r t h e r i m p r o v e d ，s i m u l a t o rt r a i n i n gi saf e a s i b l em e t h o d an e wd css y s t e mn a m e dp a s 一30 0 m i si n t r o d u c e d ，s t i m u l a t i v es i m u l a t i o ns y s t e mi ss t u d i e db a s e do ni ta n dt h ea d v a n t a g e so f s u c hd e s i g ni sd i s c u s s e d ，t h ed e s i g np r o j e c to fs i m u l m i o ns y s t e mb a s e do nv i s u a ld c si s p o i n t e do u t ，as i m u l a t o ro f6 0 0 m ws u p e r c r i t i c a lu n i ti sf i n i s h e d f e e dw a t e rc o n t r o li s a ni m p o r t a n tl i n ko fa u t o m a t i cc o n t r o li n o n c e - t h r o u g hb o i l e r , t h ea p p l i c a t i o no f f e e d w a t e rc o n t r o ls y s t e mi nt h i ss i m u l a t o ri si n t r o d u c e da n dg e t sg o o ds i m u l a t i o ne f f e c t l i ug u o h u a ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s u nw a n y u n k e y w o r d s ：s t i m u l a t i v e ，s i m u l a t i o n ，s u p e r c r i t i c a l 声明户口明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文激励式仿真系统的研究及其在 6 0 0 m w 超临界机组中的应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指 导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致 谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华 北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 期： 诽a 辱 2 迈址2 导师签名：捂一弓兰 、 矿日期：二垃。至，旦 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 大型火电机组仿真培训的意义 随着社会对能源需求的增长和发电技术的进步，促使高度自动化的火电机组迅 速发展。截止2 0 0 6 年底，全国发电装机容量达到6 2 2 0 0 万千瓦，其中，火电达到4 8 4 0 5 万千瓦，约占总容量的7 7 8 2 ，其中拥有6 0 0 m w 的企业有千余家。由此可见火力发 电在我国电力工业中占绝对主导地位，火力机组能否安全、经济地运行，对国民经 济和人民生活有着很大的影响。尤其随着大容量、高参数机组的投入运行和新技术 应用于火电机组，电站系统日益复杂，对机组安全性和经济型的要求也越来越高。 大容量火电机组要求运行人员具有更高的技能、熟练的技巧和更广阔的知识。 同时多数大容量的火电机组主要担负电网基本负荷，启停次数甚少。高度自动化的 倾向减少了运行人员干预的机会，甚至取消了运行人员的某些基本操作u 1 。对于一 台6 0 0 m w 火电机组，输入输出量近1 0 0 0 0 点，监视参数及操作量庞大，这样复杂的 系统和工艺过程只依赖于少数运行人员，难以长时间做到精确到位。一旦发生设备 事故时，需要运行人员的处理，就会显得操作经验缺乏，最终导致事故扩大，甚至 造成设备损坏或人身伤亡。这就使得对运行人员进行现场训练和教育变得十分必 要。为了有效的提高电厂运行人员的专业知识、操作技能、应变能力和熟练程度， 从2 0 世纪6 0 年代开始，研究人员探索出采用脱离实际现场的实时仿真技术对运行 人员进行培训。这就是仿真培训系统。 仿真培训系统可以应用于指导生产实践，这样可以预测可能发生的问题，避免 决策失误，达到避免故障、安全控制的目的。大型火电机组仿真机一般作为培训运 行人员熟练正确地掌握机组设备在各种条件下的启、停和正常运行中的监视操作技 术；培训运行人员正确判断和处理故障、事故的应变能力；对运行岗位、管理人员 定期轮训和上岗、晋升前进行实际操作能力和分析判断能力的考核。除此之外，它 还可以广泛应用于以下的方面瞳 ： 1 、热控人员的培训：热控人员可以通过仿真培训系统熟悉d c s 组态环境和调 试方法，进行控制系统优化试验，以及对改造后的控制系统进行仿真试验等。 2 、火电机组的设计分析：即通过仿真系统来研究火电机组系统更改及设备性 能改变对机组性能的影响，为机组设计方案的改进提供参考依据。 3 、火电机组控制系统的优化：在仿真系统上进行控制策略的比较、控制参数 的整定和优化，从安全性和经济性两个角度出发，从而得到最优的控制方案。 4 、火电机组运行的性能分析和运行指导：在仿真机上对机组的运行性能进行 分析计算，结合相应的专家系统，对运行方式进行评价，并给出运行指导，使仿真 华北电力大学硕士学位论文 系统由被动培训功能进一步扩展到主动指导的功能。 5 、对实际运行机组的数据进行数据分析和故障处理：把火电机组运行的实际 数据与仿真系统相连接，进行数据分析处理，尤其是对事故工况的分析判断提供依 据。 6 、借助于仿真系统还可以进行更高级别的全厂级数字化功能开发：如生产优 化与分析系统、厂级系统管理和决策系统等，大大加强了管理和优化火电机组运行 的能力。 随着现代科技各个领域的迅速发展，给电站仿真技术也带来了巨大的发展空 间，电站机组仿真技术向着深度、广度和精度的方向进一步发展。 1 2 大型火电机组仿真机的发展现状 1 2 1 电站仿真机的发展1 3 】 火电厂仿真机源于核电仿真技术的发展。在2 0 世纪6 0 年代仿真机发展初期， 核电仿真机的产生带动了火电仿真的萌芽。1 9 5 7 年英国原子能研究院为了培训 c a l d e rh a l l 型核电站的人员，设计和开发了一台培训仿真机。除了省略某些次要 的仪表外，比较完整地复制了该核电站的控制盘台，几乎与被模拟的实际电厂一样。 数学模型运算和逻辑系统采用模拟式计算机和电子机械辅助装置。英国中央发电局 为了培训运行人员于1 9 5 9 年建立了它的第一台核电仿真机，1 9 6 6 年又安装了第二 台核电仿真机。两台仿真机后来作了大量修改，构成了英国最老的核电仿真培训中 心0 1 d b u r g o n s e v e r n 培训中心。在此期间，火电仿真依托核电仿真技术，进 行了小范围的局部仿真。1 9 6 4 年，美国纽约爱迪生电力局为2 0 0 m w 的一台锅炉安装 了仿真机，采用的仍是电子模拟装置。1 9 6 7 年美国的俄亥俄州卡迪纳利斯火电厂为 6 1 5 m w 机组装备了一台仿真机，但也只模拟了机组的主工况和主设备。 2 0 世纪7 0 年代，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机作为仿真研究的主要工具，迅速开展了核电和 火电仿真技术的研究，开发出了全范围、较高精度的仿真机。1 9 7 3 年之前，美国当 时的四大动力集团公司相继建立了各自得第一个核电仿真培训中心，被仿真的对象 是他们各自生产的核动力系统。由于火电的安全性对社会造成的危害不像核电显得 那样严重，所以在这个时期火电仿真机只有为数不多的几台，并且大多为日本的几 个大电力公司所建立，采用的都是数字式的电子计算机，汽包炉和直流炉并举。1 9 7 8 年以前，世界上约有5 2 台电厂仿真机，其中核电3 5 台，火电为1 7 台。 虽然计算机技术的发展和人们对发电安全性的重视促使了电厂仿真机在一段 时期内得到了较快的发展，但在1 9 7 9 年以前的电厂仿真机总体上还不够完善，突 2 华北电力大学硕士学位论文 出地表现在数学模型存在着严重的薄弱环节。1 9 7 9 年3 月，美国三涅岛核电站2 号 机组发生核泄漏事件。调查报告中指出：“运行人员的准备工作非常不充分，培训 工作是薄弱的环节。它是在对电厂的运行知识甚少的制造厂里进行培训的。而且进 一步发现培训所使用的仿真机对对象动态的模拟是不完善的。 “三涅岛事件的深刻教训之一是操作员的培训很不充分，只是不甚了解电厂生 产运行过程的锅炉制造厂的仿真机上培训。 报告中给出了一些建议：“每个电力公司应有完全仿真电厂控制室的仿真机。 操作人员和管理人员应在该仿真机上进行培训。刀此建议对于此后的电厂仿真技术 和仿真工业的发展有着深远的影响。不仅仿真机的数量急剧增加，而且仿真机的性 能也更被重视。因此，对电厂仿真机提出了两点原则性的要求：真实地复现电厂控 制室；实时地复现生产过程和动态过程。 在这期间内，核电仿真机的快速发展也促进了大型火电仿真机的相应发展。一 些比较发达国家纷纷购置核电和火电仿真机。这个阶段是核电和火电两类仿真机同 步发展的时期。美国国内火电仿真机发展到近5 0 台，加拿大和日本同期也拥有2 0 多台仿真机。 相对于其他的发展中国家，我国的大型火电机组仿真机起步较早。2 0 世纪7 0 年代，清华大学向中国电力工业部建议研制中国的火电机组仿真机，并得到了电力 工业部的批准和支持。1 9 8 2 年完成了中国的第一台大型火电仿真系统，开始了中国 自已有能力开发仿真机的历史，使中国成为世界上几个有能力开发仿真机的国家之 一o 2 0 世纪9 0 年代后，发达国家新电厂建设减少，其电厂仿真技术工业也相应地 没有足够的市场而关闭。而在此阶段，我国正处于电力生产的增长时期，促使了仿 真机有了突出的发展。1 9 8 8 年能源部发出“关于发展火电机组模拟培训装置的通知 后，国内出现了2 0 多家电厂仿真机开发公司。其中尤以清华大学，华北电力大学 和亚洲仿真公司发展的较为成功，曾一度占据了中国电力工业仿真机总量的7 2 。 不仅如此，我国已有能力出口电厂仿真机，此时我国己成为世界上电力仿真技术先 进的国家。 据不完全统计，在建和投入运行的大型火电机组仿真培训装置已逾1 0 0 套。但 值得注意的是，由于我国火电机组长期处于3 0 0 m w 为主力机组的电力发展时期，使 得仿真技术多数为3 0 0 m w 全范围仿真机。进入新世纪以来，我国的十一五计划中提 出了电力行业的“上大压小 的发展方向，使得原有电力企业一些小机组处于停产 和半停产状态，取而代之的是6 0 0 m w 和1 0 0 0 m w 的主力火电机组。这对于仿真机的 发展又提出了新的要求，原有的3 0 0 m w 全范围仿真机已经不能满足运行人员培训的 要求，同时，随着网络技术的进一步发展，仿真机的发展出现了网络化和高精度的 趋向，仿真模型的建立更贴近现场实际，控制组态和操作界面更是达到了与实际d c s 3 华北电力大学硕士学位论文 的接轨。而软件编程技术的发展使得仿真机的制造成本得以极大的降低，原来的电 力企业只能借助通用型的仿真系统培训自己的运行人员，今天，大多数的电厂已经 拥有自己的仿真机，其仿真对象就是自己实际的操作对象，大大提高了仿真培训的 效果。 目前所投运的电站仿真机大都以培训运行操作人员为目的。为适应发电技术的 进步及提高电力生产安全、可靠性的需要，电力部门要求电站仿真机不断扩大功能。 同时随着仿真机数量的增加及市场的逐步萎缩，仿真机生产厂家为了开拓市场，扩 大仿真机的应用范围，在仿真技术和功能扩展方面开展了深入的研究，进一步促进 了电站仿真机的发展。 随着6 0 0 m w 火电机组成为我国电力发展的主力军，火电仿真机的发展也将步入 一个新的阶段。 1 2 2 电站仿真机的一般要求 大型火电机组仿真机是对机组的炉、机、电、网控及热控系统实现全范围、全 过程仿真。以被仿机组控制室内所有的监视、操作、控制为主，辅助以机组在启停 和故障处理中需要在集控室外进行的就地操作，同时包括化学水处理、除灰除渣等 辅助控制系统等。 仿真模型应符合物理学、数学和电力科学的基本定律，热力和电力系统的数学 模型应严格遵守工质在不同相域能量、质量、动量守恒定律和电路、电磁转换定律 等，如实反映工质的热力学特性、传热惯性现象，反映各个系统及其运行参数在不 同运行工况下与变工况时的动态响应特性，反映各个主要辅机的启停和阀门特性以 及调节对整个机组运行的影响，能实现被仿机组运行规程所列各项试验。 仿真模型全部以物理过程为基础，建立完整、严格、精确的物理过程模型，能 连续、实时、良好的反映系统动、静态过程，具有较高的动、静态精确度，对运行 人员全部操作( 包括控制盘、操作员站及就地操作员台上的操作) 无论是正确的还是 错误的，其反映都应和实际电厂一致。仿真机应能仿真电站机组运行中的异常和故 障工况，产生的物理现象应当和被仿机组反映一致。对于各种故障或事故，学员可 在盘上或操作员站上进行操作处理，如果处理合理，故障或事故应逐渐消除，如处 理不当，模拟出事故扩大后的现象应与参考机组反映一样。 1 2 3 电站仿真机仿真模式的发展 仿真机的发展经历了传统集中式仿真方式到新型分散式仿真方式的转变。 全范围仿真 全范围仿真是比较早的仿真方式，采用软、硬件替代的方法，仿真机组人机界 4 华北电力大学硕士学位论文 面，并不需要复制其所有功能，即所谓仿真( s i m u l a t i o n ) 方式。这种仿真方法是按 d c s 外部可见功能重新开发一套d c s 软件，将所有的d c s 功能及现场设备模型统一 集中在仿真支撑软件中，它的优点是容易适应仿真机运行方式和故障，性能价格比 好，硬件维护、培训和备件费用低；缺点是所仿真的控制系统通常与实际机组间存 在差异，其仿真的功能仅限于实际d c s 在操作员站上的表现形式，而且控制环节与 模型关联在一起，修改控制组态困难，且软件维护费用较高。这种模式主要用来培 训集控运行人员，只实现了操作员站的仿真，而没有实现针对热控人员培训的d c s 工程师站的仿真。 全激励仿真 全激励式仿真系统是分散式仿真的一种，该方式是保留原有的分散控制系统软 件和硬件，接入一个只限于实现过程仿真的仿真计算机，即所谓激励( s t i m u l a t i o n ) 方式。激励方式涉及激励系统至仿真计算机的接口，两个计算机系统之间的硬件接 口可由高速并行数据接口、高速异步接口、通路或定做的接口实现。但两台计算机 之间通讯及同步软件必须由用户提供。此外，激励软件须加以修改以适应仿真机冻 结运行、快慢速、回退重演、初始条件装存等运行方式。激励方式的优点是保 留了分散控制系统的全部功能，可在仿真机上方便的进行控制算法分析研究及改进 工作，激励软件和硬件很容易做到与实际电厂始终保持一致，电厂备用硬件可用于 仿真机；缺点是激励系统与仿真机之间存在的通讯能力限制可能会限制更新速率， 以至于仿真的过程难于控制甚至不可能受到控制，而且为使激励软件适应仿真机的 工作方式，必须对激励软件进行修改。全激励的仿真方式由于保留了大部分的原d c s 硬软件，所以做到了功能分散，将模型的建立和控制策略组态分开，为仿真机建立 和调试过程提供了一定的方便。但由于全激励型仿真机造价高、结构复杂、设计到 投产时间长、无移植性、需专门的教练员，因此一般电厂难以承担。 部分激励仿真 部分激励方式是在全激励方式上发展出来的一种新型仿真方式，采用实际系统 的软件和硬件复制人机界面，但实际功能( 如控制回路) 由仿真计算机实现。部分 激励方式结合仿真和激励两种方式的优点。其优点是容易适应仿真机的运行方式和 故障，具有很高的视觉逼真度，其软、硬件维护费用最低；缺点是所仿真的系统与 实际系统之间可能存在差异。 基于虚拟d c s 技术的激励式仿真系统是部分激励方式的一种，其中的虚拟d p u 技术是今年来最新兴起的一种比较实用的仿真技术。 虚拟d p u 称为虚拟分布式处理单元，是采用软件仿真方式在计算机上模拟一个 或多个d p u 的工作过程。其处理对外透明，使得外部环境无法判断是与真实d p u 还 是虚拟d p u 协同工作。 基于虚拟d p u 技术的激励式仿真系统的出现使得仿真机的发展达到了一个新的 5 华北电力大学硕士学位论文 高度，他综合了全范围仿真和全激励仿真各自的优点，不仅逼真度上达到了和实际 d c s 相同的效果，而且降低了仿真机的成本，是一种行之有效的仿真方式。 1 3 论文的主要工作 1 3 1 主要内容 本论文主要针对我国火力发电中6 0 0 m w 超临界机组仿真机的兴起，介绍了激励 式仿真系统这一仿真形式的优点，着重研究了基于虚拟d c s 技术的激励式仿真系统， 在此基础上设计、开发并实现了一套了6 0 0 m w 超临界机组仿真机。 1 、p a s - 3 0 0 m 是一套新型的d c s 系统，是我们所讨论的激励式仿真系统的控制 系统支撑平台，虚拟d c s 正是在此基础上开发出来的。对p a s 一3 0 0 m 系统的深入了 解不仅给虚拟d c s 的开发带来一定的方便，更能使控制系统的组态得以顺利的进行。 2 、激励式仿真系统之所以成为现代仿真的发展趋势有它独特的优势，本文在 此部分比较了此方式与传统的仿真方式的优缺点，并在p a s 一3 0 0 m 平台上设计基于 虚拟d c s 技术的激励式仿真系统，介绍了各个相应软件的设计理念和用途。 3 、在前面的基础上，本文针对实际电厂，实现了一台6 0 0 m w 超临界机组的仿 真机。此部分主要围绕仿真机的实现过程进行叙述。 4 、激励式仿真系统同传统仿真的最大区别在于它能够实现控制策略的优化和 改进。本文针对6 0 0 m w 超临界机组控制的特点，将给水控制策略在本仿真机上实现， 通过对仿真效果的评价验证激励式仿真的优势。 1 3 2 主要工作 本文的主要工作包括以下几个方面： l 、对p a s 一3 0 0 m 分散控制系统进行研究和介绍。 2 、在p a s - 3 0 0 i v 上建立虚拟d c s 技术的激励式仿真系统，着重讨论其设计、开 发及实现的过程。 3 、介绍6 0 0 1 v i w 超临界机组控制特点，将给水控制策略在仿真机上实现，并得 到仿真结果。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章p a s - 3 0 0 m 分散控制系统概述 分散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) 是集计算机技术、控 制技术、网络技术和c r t 显示技术为一体的高新技术产品。其实质是利用计算机 技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。它采用分散递阶结构，体 现了集中管理、分散控制的思想，实现了系统的功能分散、危险分散，具有控制功 能强、操作简便和可靠性高等特点。它可以方便地用于工业装置的生产控制和经营 管理，在化工、电力、冶金等流程自动化领域的应用已经十分普及。它既不同于分 散的仪表控制系统，又不同于集中式计算机控制系统。它是吸收了两者的优点，在 它们的基础上发展起来的一门系统工程技术啼，。 2 1 分散控制系统的发展忉 随着科学技术的飞速发展，现代化火力发电厂生产过程自动控制技术也得到了 相应的发展。大型火电机组的监视点多，参数变化快，控制对象数量大，而各个控 制对象又相互关联，所以，操作稍一失误，所引起的后果是十分严重的。传统的炉、 机、电分别监控方式，已经不能适应现代单元机组监控的要求。如果将机组的监视 和控制任务仅仅交给运行人员去完成，不仅体力和脑力劳动强度大，而且很难做到 及时调整和避免人为的操作失误，因此必须用高度计算机化的机组集控取而代之。 大型火电厂自动控制技术最早期是以现场的手动操作为主，操作员在现场边看 温度、压力表，边控制调节开关、阀门等以达到控制的目的。2 0 世纪4 0 - - 5 0 年 代，引入了控制室集中操作的概念，从而操作员不必在现场中操作了，这便是控制 室的仪表盘操作。起初的仪表盘是气动仪表，随着仪表的小型化、密集化和电子化， 发展为模拟电子仪表。控制室仪表操作其生产过程中的测量和控制信号都分布在生 产装置的各个部分，为了便于生产操作人员进行操作和控制，将各个测量和控制仪 表集中在控制室的仪表盘或操作台上。在控制仪表系统中，各个仪表是独立的、互 不关联的。2 0 世纪6 0 - 一7 0 年代，计算机应用到工业自动化领域。采用计算机实 现测量控制功能后，仪表系统的仪表盘和操作台分别被计算机的屏幕显示器和键盘 取代，最重要的是可以通过计算机将所有信号连接在一起进行处理，从而实现了更 高级的自动化功能。显然采用计算机的工业自动化系统比仪表系统操作更加方便灵 活，对现场的操作和控制也更加直观准确。 1 9 7 5 年美国h o n e y w e l l 公司推出了以微处理器为基础的t d c - 2 0 0 总体分散控 制系统，其型号中的t d c 取t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o l3 个单词的第1 个字 母，含义是集中操作、显示、分散控制。随后，世界上诸多仪表厂商相继推出此类 华北电力大学硕士学位论文 产品，并统称为d c s 。 分散式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，又称为分布式控制系统，是 一种能对生产过程进行集中监视与管理，分散进行控制，以微型计算机为基础，用 数据通信把它们联系在一起的新型自动控制系统。它采用单元组合组装方式( 分散 递阶结构) ，体现了分散控制、集中管理的思想，实现了系统的功能分散、危险分 散，具有控制能力强、操作简便和可靠性高等特点，其实质是利用计算机技术对生 产过程进行监视、操作、管理和分散控制。它是在5 0 年代中期，在4 c 技术即计算 机( c o m p u t e r ) 技术、控制( c o n t r 0 1 ) 技术、通讯( c o m m u n i c a t i o n ) 技术、图形显示( c r t ) 技术不断发展并相互结合的基础上开发出来的新型控制系统。当前它又结合了信息 管理( c o r r e s p o n d e n c e ) 技术，目前的d c s 是在完成过程控制和信息管理的现代化 的装置( 即5 c 技术) 并相互结合的基础上开发出来的新型控制系统，是当前国内外 普遍关心而又积极研究的热门课题。随着微型计算机的大量推广使用，以微机为基 础的分散控制系统在过程控制与管理各个部门得到了迅速的发展。 2 2d o s 的功能分层体系 今天，层次化已经成为分散控制系统的体系特点，使之体现集中操作管理、分 散控制的思想。通常把分散控制系统的层次分成以下四级( 见图2 1 ) ： l 、直接控制级：在这一级上，过程控制计算机直接与现场各类装置( 如变送器、 执行器、记录仪表等) 相连，对所连接的装置实施监测、控制，同时它还向上与第 二层的计算机相连，接收上层的管理，并向上传递装置的特性数据和采集到的实际 数据。 2 、过程管理级：在这一级上的过程管理计算机主要有监控计算机、操作员站、 工程师站。它综合监视过程各站的所有信息，集中显示操作，控制回路组态和参数 修改，优化过程处理( 包括优化、过程控制、自适应控制、优化单元内各装置等) 。 3 、生产管理级：在这一级上的管理计算机完成比系统控制工程更宽的操作和 逻辑分析功能，协调各单元级的参数设定，实施协调策略等。 4 、工程总体管理和经营管理级：这一级居于自动化系统的最高一层，它的管 理范围很广，包括工程技术、经济、商业事务等方面的功能。 对于某一具体d c s 系统的应用来说，并不一定非具有四层功能不可，大多数应 用于中小规模的控制系统只有l 至2 层，少数情况使用到第3 层的功能，在大规模的 控制系统中才应用到完全的四层模式。就目前世界上优秀分散控制系统的产品来 看，多数局限在l 、2 、3 层，第4 层功能只附带在第3 层的硬件基础上。 8 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 分散控制系统四层结构模式 2 。3p a s - 3 0 0 m 分散控制系统 第四层 第三层 第二层 第一层 现场设备 p a s 一3 0 0 m 分散控制系统是华北电力大学与国电南京自动化股份有限公司联合 开发的一套分散控制系统，p a s - 3 0 0 m 是一个融计算机、网络、数据库、信息技术 和自动控制技术为一体的工业信息技术系列产品。系统的开放式结构、模块化设计 技术、合理的软硬件功能配置和易于扩展的特点，使其已广泛用于电站的分散控制、 电厂调度和管理信息系统、变电站监控、电网自动化、钢铁企业的高炉监控、化工 企业的过程自动化和造纸厂过程自动化。 2 3 1 系统特点 p a s 一3 0 0 m 技术特点： 1 控制算法模块采用独创的，科学的自动排序算法，解决了其它d c s 按组态 顺态有可能造成控制顺序紊乱的弊端。 2 冗余控制站实现了进程级监控，可靠性高，解决了其它d c s 有时死机的现象。 3 智能i o 模块及其通信网络具有冗余功能，对重要测点可采用主、备通道方 式，增加了冗余手段，提高了可靠性。 4 操作界面分层管理，自动导航，比其它d c s 更便于控制工程师的设计和操作 员的操作。 5 控制系统具有仿真调试功能，使设计人员在现场应用前就能判断出控制回 9 华北电力大学硕士学位论文 路的好坏，极大地减少丁调试时间。 ? a s 一3 0 0 “性能特点： i可靠性高：选用成熟的操作系统软件，如w i n d o w sn t 等，井通过技术创新 采用冗余、容错等技术，局部故障不会影响整个系统工作，确保了可靠性。 2 技术先进：把握国际技术动态和发展方向，采用了现场总线技术，产品生 命期长。 3 实用性强：注重先进性与实用性的统一，全汉化界面，易学易用，便于开 发和操作人员使用。 4 工程造价低：易于更新升级，在国内具备竞争优势。 5 积木式结构：能满足大、中、小不同规模的生产过程的控制和管理需求。 6 开放的网络结构：便于实现综合信息管理系统。 2 32 系统构成 p a s 一3 0 0 m 的基本构成由现场级、控制级、监控级、管理级四层构成，现场级 主要包括各种过程通道卡件或者模块，控制级包括所有的过程站( p s ) ，监控级包括 工程师站( e s ) 、操作员站( 0 s ) 、历史站( h s ) 和打印机等附属设备，四层中间相应的 通信网络由控制网络( c n el ) 、监控网络( s n e t ) 、管理网络( m n e t ) 三层网络结构，如 下图所示： p a s 一3 0 0 m 的基本结构 现场级 在p a s 一3 0 0 m 系统中，现场级设备包括通信转换控制器( c c 卡) 和i 0 卡件。c c 卡 华北电力大学硕士学位论文 与i 0 卡件之间通过c a n 总线协议进行数据交换。c c 卡与上一级设备之间通过t c p i p 协议进行数据交换。 c c 卡中使用q n x 6 0 操作系统，软件功能包括：通过c a n 总线协议与i 0 卡件进行 数据交换；并对交换的数据进行整理，同时通过t c p i p 协议与过程控制站进行这些 数据的交换；对i 0 卡件和c a n 网的状态进行监视，并向过程控制站报告。 i o 卡件中的软件为汇编形式，固化在e p r o m 中，完成各种卡件过程通道信号的 预处理，如数字滤波、工程量变换、非线性补偿、热偶信号的冷端补偿等处理；通 道状态监视，每一执行周期对本卡通道进行检测，出现故障时，能够通过c c 卡向监 控级站点报告，同时通过卡件面板上的报警指示提示现场工作人员；通过c a n 网协 议与c c 卡的通信功能。 控制级 控制级主要由过程控制站构成，软件实现下列功能： l 、接收由c c 卡来的信号，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回 n c c 卡中去。现场控制站可以同时完成连续控制、顺序控制或逻辑控制功能，也 可以只完成其中的一种控制功能。 2 、接收和处理工程师站或操作员站的各种命令，这些命令包括在线或离线下 装系统数据库、修改控制参数或者控制策略、手自动控制切换、手动控制、强制 或保持信号、强制冗余切换。 3 、向s n e t 网络广播实时数据，包括现场数据、报警数据、系统状态数据、各 种运算的中间数据等。 4 、在过程控制站计算机进行冗余切换时，保证控制系统的无扰。 过程控制站中采用实时多任务操作系统，各个任务由各自独立的进程完成，所 有进程都不直接关联，而是以中心实时数据库作为中心环节交换信息，中心实时数 据库只存在于内存中。 过程控制站中的中心实时数据库中只包括与本站有关的实时信息，包括： 本站i o 数据点的索引、实时值和状态； 本站控制系统图中的中间变量实时值和状态； 本站中所有报警信息； 本站中的网络状态、主从状态和卡件状态。 监控级 监控级的主要设备有运行员操作站、工程师站和历史数据站等。监控级的所有 站点软件完全互为冗余。站点中采用多任务操作系统，各个任务由各自独立的进程 完成，所有进程都不直接关联，而是以中心实时数据库作为中心环节交换信息，中 心实时数据库只存在于内存中。 监控级站点的中心实时数据库中包括d c s 中所有的实时信息，这些信息包括： 1 1 华北电力大学硕士学位论文 所有i o 数据点的索引、实时值和状态； 所有控制系统图中的中间变量实时值和状态； 所有报警信息； 所有网络状态、主从状态和卡件状态。 一运行员操作站是运行员与分散型控制系统相互交换信息的入机接口设备。运行 人员通过运行员操作站来监视和控制整个生产过程。运行人员可以在运行员操作站 上观察生产过程的运行情况，读出每一个过程变量的数值和状态，判断每个控制回 路是否工作正常，并且可以随时进行手动自动控制方式的切换，修改给定值，调 整控制量，操作现场设备，以实现对生产过程的干预；另外还可以打印各种报表， 拷贝屏幕上的画面和曲线等。 工程师站是为了控制工程师对分散控制系统进行配置、组态、调试、维护所设 置的工作站。工程师站的另一个作用是对文件进行归类和管理，形成各种设计文件， 例如，各种图纸、表格等。 历史站的主要任务是存储过程控制的实时数据，实时报警，实时趋势等与生产 密切相关的数据，用来进行事故分析，性能优化计算，故障诊断等；也可以通过历 史站实现与外部网络的接口，使外部网络不用直接访问d c s 监控网络就可以获得所 需要的数据，即保证了开放性，又保证了安全性。 管理级 管理级也可分成实时监控和日常管理两部分。实时监控是全厂各机组和公用辅 助工艺系统的运行管理层，承担全厂性能监视、运行优化、全厂负荷分配和日常运 行管理等任务，即监控信息系统( s i s ) 。日常管理承担全厂的管理决策、，计划管理、 行政管理等任务，即管理信息系统( m i s ) 。由于s i s 和m i s 相对独立，一般不作为 d c s 的一部分，但是d c s 中在监控级提供与s i s 和m i s 进行数据通信的接口程序。 p a s 一3 0 0 m 系统中，监控级向管理级提供数据的接口程序包括： 实时数据周期广播程序； 使用s q l 语言，通过o d b c 向通用数据库提供数据程序； 通过w e bs e r v e r 向互联网发布实时数据。 这些接口程序都从本计算机的共享内存( 中心实时数据库) 中获得数据。 2 3 3 系统管理程序( s y s m a n a g e ) s y s m a n a g e 程序是分散控制系统上位监控功能的导航软件。在d c s 的所有上位 软件中，s y s m a n a g e 必须首先启动，之后点击程序主界面上的各个按钮就可以运行 其他的上位软件。 s y s m a n a g e 程序的主要工作有：用户登录时进行口令检测，并根据用户权限开 1 2 华北电力大学硕士学位论文 放相应的操作；完成用户管理工作，包括添加用户、删除用户、修改用户等；开辟 共享内存，建立实时数据库，实现实时数据的程序间共享；创建通讯套接字，采用 t c p i p 协议，接收下位广播和站间广播数据，并实现系统对时功能；读取数据库文 件，将所需的数据写入共享内存；分析收到的广播数据包，更新共享内存中的实时 数据库；检测本机网卡状态，确定本机是否在线；根据用户的选择完成对下位各过 程站的操作；运行其他上位软件。 s y s m a n a g e 程序在v i s u a lc + + 6 0 环境下采用面向对象的方法编写，可同时在 多台上位p c 机上运行，用户只需使用鼠标和键盘即可实现全部功能，是d c s 上位软 件中一个非常重要的导航性程序。 2 3 4 系统数据库程序( s y s d a t a ) 系统数据库组态软件完成对系统中站的配置、c c 卡件配置、i o 卡件配置和所 有数据点的配置及相关的修改、查询功能，还具有在线查询数据点的当前值和状态 值的功能。 数据库组态不仅可以在一台普通的p c 机上离线完成，而且可以通过多人在多 台普通的p c 机上相互合作完成，这个功能在其他国内外d c s 厂家的产品中是个先 例。 数据库组态程序基本上属于非常驻内存的程序，是整个d c s 软件比较重要的子 程序之一，采用并发处理机制。 2 3 5 控制策略组态程序( s t r a t e g y ) 本软件主要用于工程控制策略系统图的设计和显示。组态软件基于全汉化 w i n d o w s 操作系统，符合m i c r o s o f tw i n - 3 2 规范的3 2 位的d c s 应用软件，能充分 发挥w i n d o w s 强大功能。具备直观的图形人机界面，支持分布式客户机服务器结 构。用户借助于简单友好的w i n d o w s 图形界面，可以很方便快捷地完成控制策略的 设计和组态。并且组态软件还提供了在线监控，组态修改和维护以及多平台同时操 作功能。在同一操作系统下，该软件不支持重入。 控制策略的组态与数据库组态一样，不仅可以在一台普通的p c 机上离线完成， 而且可以通过多人在多台普通的p c 机上相互合作完成。操作简单直观。软件自动 排序、自动连线、自动匹配判断、自动排错，并提供模块成组，自定义模块；模块 缩放、移动、复制、粘贴、剪切等便捷的w i n d o w s 编辑功能。 软件的输入主要包含三个部分： 1 、来自e x t r e m e d b 的数据。e x t r e m e d b 实施对共享内存的类数据库管理。所以 这部分数据主要包括来自共享内存的站状态信息； 1 3 华北电力大学硕士学位论文 2 、来自于广播通讯的数据。这部分数据主要包括进行在线调试时来自于广播 通讯的实时信息； 3 、来自于文件的数据。主要是进行工程控制系统图的设计或显示时读取一些 系统图所需信息。 软件的输出包含两个部分： 1 、向网络发送的数据。主要是向下位下发的有关控制系统连接逻辑文件以下 以线调试时的变化数据； 2 、向文件写数据。记录所形成的工程控制系统图信息。 2 3 6 监控画面管理程序( s y s d r a w ) 图形组态软件设计的思路和控制策略组态软件相似，都是基于全汉化w i n d o w s 操作系统。 监控画面管理程序为用户提供了各种基本绘图工具，如直线、弧线、三角形、 矩形、圆角矩形、椭圆、扇形、多边形、折线、文字、位图。还提供动态数据点连 接工具，如模拟量点、开关量点、棒图、指针、实时曲线、x y 曲线、报警。可以通 过鼠标简便的绘制操作员监控画面。各基本图元都有动态属性连接，可以根据连接 的动态数据点改变颜色，闪烁，隐藏，移动。它还提供了丰富的编辑功能，使工作 效率大大提高。程序还有导航图功能，可以帮助用户在绘制过程中清晰地掌握各图 之间的层次关系，方便的在各图之间进行切换。 2 3 7 监控运行程序( s y s vie w ) 监控运行程序软件是用来显示组态图，具备直观的图形人机界面，易于操作。 用户借助于简单友好的w i n d o w s 图形界面，可以很方便快捷地了解现场设备的运行 情况，察看现场的测点和报警情况，实现在线监控和向现场站下发命令的功能。 监控运行程序软件可以同时在多台普通的p c 机上在线运行。用户仅需使用鼠 标即可实现不同图纸间