（机械工程专业论文）电厂分散控制系统hil仿真研究与应用.pdf

北京交通大学专业硕士学位论文! 茎塑茎 一 中文摘要 摘要：分散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n 舡d ls y s t e m ，d c s ) 设计与运行人员水平是 影响火电机组运行的两个重要因素。d c s 仿真模拟操作平台的研究对于提高控制 水平以及进行运行人员的培训都具有深远意义。硬件在回路( h 嬲i w a r ei l l 也el o o p ， h i l ) 仿真技术将实际控制系统与被控对象的数学模型组成仿真控制回路，系统既 具有与实际系统相同的人机交互界面，又能反映实际被控对象的动态特性。 本文针对北京国电智深控制技术有限公司自主研发的e d p f _ n tp l u s 型d c s ， 实现了激励与虚拟d p u 两种方式的h i l 仿真。研究过程中，使用了学术研究领域 广泛使用m a t l a b s i m u l i n k 平台，因此在对象模型辨识以及先进控制算法的应 用方面更为灵活，具有方便研究及应用的优势。本文围绕火电机组分散控制系统 组态、分散控制系统h i l 仿真平台搭建等进行了以下四个方面的研究： 1 、使用国电智深e d p f - n tp l u s 分散控制系统，完成了小型生物质电厂数据 采集系统( d a s ) 、电气控制系统( e c s ) 、顺序控制系统( s c s ) 、模拟量控制系 统( m c s ) 以及炉膛安全控制系统( f s s s ) 的设计、组态及调试工作。 2 、基于m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台，针对e d p f - n tp l u s 分散控制系统开 发了激励与虚拟d p u 两种方式的分散控制系统h i l 仿真方案。由于实际d c s 软 硬件设备及m a t l a b 平台的引入，使得仿真方案在保证逼真度的同时，在模型辨 识以及先进控制算法应用方面对传统电厂仿真功能进行了一定的扩展。 3 、基于火电机组实际运行过程中锅炉给水系统数据，采用机理结合系统辨识 的方法建立了汽包水位以及给水流量的数学模型，并应用所研究的分散控制系统 h i l 仿真技术，实现了汽包水位控制的h i l 仿真。 4 、以火电机组主汽温度控制系统为对象，探讨了两种实现模糊p d 复合控制 策略的方法。第一种方法将模糊控制器转换为查询表，使用d c s 白带的算法模块 近似实现了模糊p i d 复合控制；第二种方法借助了m a t l a b 与d c s 之间的数据 通信技术，使用s m u l i n k 模糊逻辑模块与d c s 本身p d 控制器协同完成模糊 p i d 复合控制策略。对两种模糊p i d 控制器的h i l 仿真实践表明本文设计的分散 控制系统h i l 仿真方案有助于先进控制策略在火电机组中的研究与应用。 关键词：分散控制系统，生物质电厂，h i l 仿真，汽包水位建模，模糊p i d 复合 控制 分类号：t m 7 4 3 北京交通大学专业硕士学位论文垒呈! ! 坠里! 一一 a bs t r a c t a b s t r a c t d i s t r i b u t e dc o l l 仃o ls y s t e m ( d c s ) i s 丽d e l yu s e di n l eg e n e r a t i l l gu i l i t s t oa c l l i e v es 砾匆a n de c o n o m ye 伍c i e n c y t h ed e s i 印o fm ed c sa n dm es l ( i l ll e v e lo f t l l eo p e r a t o r sa r et w ok e yf a c t o r sf o r 戗1 es a f 的a n de 伍c i e n c y h e n c er e s e a r c ho fd c s s i i i l u l a t i o ni si m p o r t a ：n tt ob o mc o n t r o lq u a l i 够a n do p e r a t o r 位l i i l i n g h a r d w a r ei i lt h e l o o p ( h i l ) s i m u l 撕o ni sat e c h l l i q u e l a tp r o v i d e sa ne 疏c t i v ep l a t f o 皿b ya d d i i l gt h e c o 瑚【p l e x 毋o f 1 ep l 狃tu n d e rc o n t r o lt ot l l es i i n u l a t i o nl o o p d c ss i m u l a t i o nw i 也h i l t e c q u ec a l la c q u n 廿1 es 锄em a n - m a c h i l l em t e 刊ea st h er e a ls y s t e ma i l ds i i n u l a t e t l l ed y n 锄i cc h 牡a c t e r i s t i co fn l e c o n t r o l l e dp l 砌a tt l l es 锄et i i l l e e d p f - n tp l u si sad c sd e v e l o p e db yg d z sc o l t d s t i i i l u l a t i o ns i i i l u l a t i o na n d v i r t u a ld p us i m u l a t i o nc o u l da c l l i e v e db a s e do nt h ee d p f n tp l u sd c s o t h e rt h a n u s i n ga v a i l a b l es i i i l u l a t i o ns u p p o r t i n gs o r w 鹏p r o d u c t s ，m a t l a bi sc h o s e dt os u p p o r t t h ed c ss i m u l a t i o ns i n c e l en e x i b i l 毋o np l a n tm o d e l i n ga n da d v a i l c e dc o n 仃o l a p p l i c a t i o n 7 i 飞u st l l i sd c ss i m u l a t i o nm e t l l o da c l l i e v e ss o m ea d v a n c e so np l a n t i d e n t i f i c a t i o na n da d v a n c e dc o n 缸o l a l g 耐恤= 1 1 s f o u r a l s p e c t s o f 、v o r kw e r ed o n e f o c u s i l l go nt h ed e s i g l lo fd c s a n dd c sh i ls i i i l u l a t i o n ( 1 ) d e s i 驴，c o 血g u r a t i o na n dd e b u g g i n go fas m a l l - s c a l eb i o m a u s sp o w e rp i a n tc o n 们l s y s t e mw a sd o n eu s i n gm ee d p f - n tp l u sd c s ，i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ， e l e c t r i c a lc o m m ls y s t e m ，s e q u e n c ec o n 仃o ls y s t e m ，m o d u l a t i o nc o n t r o ls y s t e ma n d 如m a c es a f e t ys u p e i s i o ns y s t e m ( 2 ) s t i i i l u l a t i o ns n u l a t i o na i l dv i r t u a jd p us i i l l u l a t i o na r ea c l l i e v e do nt h ee d p f _ n t p l u sd c s m a t l a bi sc h o s e da s l es i l n u l a t i o ns u p p o n i n gs o 胁a r e ，a i l dt h u st h ed c s s i m u l a t i o na c m e v e ss o m ea d v a l l c e so np l a n ti d e n t i f i c a t i o na j l da d v a i l c e dc o n 们l a p p l i c a t i o n ( 3 ) b o i l e rd m m l e v e la n df e e dw a t e rn o ww a sm o d e l e db yu s i n gs y s t e mi d e n t i f i c a t i o n m e t h o dw i t ht h eh e l po fk n o w i n gm e c h a i l i s m ，a i l dt h eh i ls i m u l a t i o no f 吐l eb o i l e rd r u m l e v e lc o n 们ls y s t e mi sr e a l i z e d ( 4 ) 1 、w oa p p r o a c h e so f6 您z ) ，一p i dc o n 蜘o la r ea c h i e v e da i l dc o m p a r e d t h eo n ea d o p t e d t l l ed c sa l g o r i t l l mm o d l l l e st os i m u l a t et l l e 舵z yc o n 仃o la l g o d m m ；a n dt h eo t h e ru s e d t h e 6 l z z ) r c o l l 仃o lm o d u l ei nm a t l a b s i m u l i n k谢t l lt h e h e l p o fd a t a c o m m u n i c a t i o nb e 帆e n 讹钮l a ba i l dd c s c o m p a r eo fc o n 们lq u a l 埘o ft h e s e 咖 c o i l 仃o l l e r sw a sd o n eb yu s 迦t l l e 删js i m u l a t i o nt e c l l l l i q u e ，t h u st h j st e c m q u em i g h t a l s oc o n 仃i b u t et or e s e a r c ha i l d 印p l i c a t i o no fa d v a l l c ec o n n o la l g o r i t h mi nt h ep o w e r v i l 北京交通大学专业硕士学位论文 p l a n t s k e y w o r d s：d i s t r i b u t e dc o n t m l s y s t e m ， b i o m a s sp o w e r p l a n t ， h a r d w a r e i n - t h e - l o o ps i m u l a t i o n ，d m ml e v e lm o d e l i n g ，f 眦珂一p i dc o n t m l l e r c l a s s n o ：t m 7 4 3 致谢 本论文的工作是在我的导师李平康教授的悉心指导下完成的，李平康教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 李平康老师对我的关心和指导。 杜秀霞老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向杜秀霞老师表示衷心的谢意。 金涛涛、王鹏以及陈晨三位博士对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝 贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李若楠、姚广路、尹长志、张帅、李文广、 潘锐等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之 - k e 1 日。 另外也感谢家人以及女友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学、i k 。 北京交通大学专业硕士学位论文 插图目录 插图目录 图1 1d c s 的生命周期与再现方式6 图2 1 生物质电厂主工艺流程图9 图2 。2d c s 系统结构1 2 图2 3 部分系统过程画面1 6 图2 4 主汽电动门驱动级控制逻辑18 图2 5 电动门、电机马达操作窗口图18 图2 6 电机状态、启动允许条件及跳闸条件监视窗口1 9 图2 7 点火允许条件逻辑2 1 图2 8 点火装置启动顺序控制逻辑2 1 图2 9 点火装置停止顺序控制逻辑2 2 图2 1 0 点火启动允许条件窗口2 2 图2 。1 1 点火装置启停顺序控制窗口2 3 图2 1 2 一次风量控制回路2 4 图2 13p s o f 手操器窗口2 5 图2 一1 4m f t 条件判断逻辑( 部分) 2 7 图2 1 5m f t 跳闸逻辑2 8 图2 1 6 总燃料跳闸过程画面2 8 图3 1 电厂分散控制系统h i l 仿真硬件方案一3 0 图3 。2 激励方式d c s 仿真方案31 图3 3 基于虚拟d p u 的d c s 仿真方案3 2 图3 4 可用通信方式：3 3 图3 5 激励式仿真通信方案3 4 图3 6 使用虚拟卡件的通信方案示意图3 4 图3 7d c s 最小系统机柜外观与内部硬件3 6 图3 8 “给水系统仿真”工程建立3 8 图3 9 控制域与d p u 设置3 8 图3 1 0i o 卡件列表建立3 8 图3 1 1d c s 最小系统运行过程画面3 9 图3 1 2m o d b u s 通信程序流程图4 0 图3 1 3 激励式d c s 仿真数据通信测试界面4 4 图3 1 4 安装虚拟d p u 4 5 图3 1 5 建立虚拟i o 卡件一4 5 北京交通大学专业硕士学位论文 图3 1 6m o d b u s t c p 通信参数设置4 6 图3 1 7 启动虚拟d p u 4 6 图3 1 8 接口站网络结构图4 7 图3 1 9d c s 接口站配置4 8 图3 2 0u d p 数据包接收程序流程图一5 0 图3 2 1u d p 数据读取s f u i l c t i o n 程序流程图一5 1 图3 2 2s 删l i n k 中u d p 数据读取白定义模块5 1 图3 2 3m o d b l l st c p 数据通信程序流程图5 3 图3 2 4s i m i ，i n k 中m o d b u st c p 数据发送自定义模块5 4 图3 2 5m o d b u st c p 应答数据帧发送s f u n c t i o n 程序流程图一一5 4 图3 2 6 虚拟d p u 方式数据通信实验5 5 图4 1 锅炉汽水系统简图5 7 图4 2 串级三冲量控制系统框图5 8 图4 3 给水流量作用下水位变化阶跃响应曲线6 0 图4 4 蒸汽流量扰动下水位变化阶跃响应曲线6 1 图4 5 辨识输入输出原始数据6 3 图4 6 插值曲线对比( 以汽包水位为例) 6 4 图4 7 建模数据归一化6 4 图4 8 汽包水位与给水流量s i m u l i n k 模型6 6 图4 9 汽包水位模型仿真输出与实验数据对比( 部分曲线) 6 6 图4 1 0 给水流量模型仿真输出与实验数据对比( 部分曲线) 6 7 图4 1 1 汽包水位控制逻辑6 8 图4 1 2s i m u l i n k 汽包水位模型h i l 仿真模块6 8 图4 1 3 汽包水位控制系统h i l 仿真趋势曲线6 9 图4 一1 4 汽包水位控制系统h i l 仿真趋势曲线与模型输出对比6 9 图5 1 主汽温度串级p i d 控制结构7 2 图5 2 主汽温度模糊p i 复合控制结构7 2 图5 3 主汽温度s m 町l i n k 仿真模型7 3 图5 4 主汽温度串级控制仿真7 3 图5 5 模糊规则曲线图7 4 图5 6 模糊控制器的隶属度函数7 6 图5 7 主汽温度模糊p i 复合控制仿真7 6 图5 8 常规p i d 与模糊p i d 复合控制仿真比较图7 7 图5 9d c s 算法模块实现模糊查询表功能7 8 北京交通大学专业硕士学位论文 插图目录 图5 。1 0 主汽温度模糊查询表p 复合控制逻辑7 9 图5 1 1 基于数据通信的主汽温度模糊p d 复合控制逻辑8 0 图5 1 2m a t l a b 环境下的模糊算法实现8 1 图5 1 3 两种模糊p i d 复合控制效果对比曲线8 1 北京交通大学专业硕士学位论文 表格目录 表格目录 表1 1 各种d c s 仿真方式对比7 表2 1 分散控制系统测点统计1 0 表2 2 系统容量1 0 表2 3 系统性能指标1 1 表2 4 测点记录属性1 4 表2 5 分散控制器负荷分配及i o 卡件规划l5 表2 6 系统主图统计1 6 表2 7 各系统设备统计17 表2 8 电气设备测点1 7 表2 9 顺序控制系统设备统计2 0 表2 1o 一次风量控制回路测点2 4 表3 一l 数据量计算3 6 表3 2d c s 最小系统硬件设备列表3 7 表3 3 过程画面中测点显示颜色与状态关系3 7 表3 。4 串行通信参数4 l 表3 5m o d b u s 信息帧结构一4 1 表3 。6m o d b u s 功能表一4 2 表3 7 数据包头部结构表4 8 表3 8m o d b u st c p 协议请求帧格式5 2 表3 9m o d b u st c p 协议应答帧格式5 2 表3 10m b a p 报文头格式5 2 表4 1 辨识数据选取6 3 表4 2 汽包给水控制组态测点表6 7 表5 1 模糊控制器输入输出范围7 4 表5 2 模糊规则表7 5 北京交通大学专业硕士学位论文 引言 1 引言 1 1 选题背景及意义 仿真技术是以系统论、控制论、相似性原理与信息技术为基础，以计算机与 专用物理效应设备( 用于模拟再现真实世界环境) 为手段，借助系统模型对实际 的或设想的系统进行动态试验研究的一门综合性技术。 上世纪九十年代以来，分散控制系统( d c s ) 广泛地应用在火电机组的自动 控制系统中，但是用的控制方案绝大多数还是比较传统的p d 控制。随着机组向 着大容量，高参数方向发展，被控对象也越来越复杂。许多被控对象存在非线性、 时变、大滞后以及大惯性，并且在不同的工况下显示出不同的动态特性。对于这 些复杂对象，要得到其精确的数学模型较为困难，同时也使得传统的p i d 控制在 一些关键的控制回路难以取得理想的控制效果，严重影响了火电机组运行的安全 性、经济性。因此，针对火电机组自动控制回路研究先进控制方法并在分散控制 系统中应用变得十分必要。然而由于电力生产的特殊性，从经济性和安全性的角 度考虑，频繁地在实际生产环节进行新控制方法的试验是不现实的，因此进行控 制系统仿真是重要的研究方法。 除了先进控制方法，运行人员的水平也是提高火电机组运行的安全性和经济 性的一项重要措施。早在1 9 7 5 年，美国联邦能源部提出的安全性专题报告中就已 经指出：“电厂的可靠性可以由改进设计和加强维护来改善，但是它只占可靠性的 2 0 一3 0 。另外7 0 8 0 依靠于运行人员。”在火电机组向着大容量、高参数的方向 发展时，大量新技术在火电机组中应用，其系统也越来越复杂。一个6 0 0 m w 的火 电机组，其模拟量与开关量输入输出测点就将近1 0 0 0 0 个，需要监视的参数以及 进行的操作数量庞大，一旦有所失误，就有可能导致经济损失与人员伤亡。因此， 运行人员的培训显得非常必要。自2 0 世纪6 0 年代起，专家学者就开始研制实际 发电过程的实时仿真技术，用于培训运行人员，以提高运行人员的操作技能，专 业知识，熟练程度以及应变能力。 近年来，分散控制系统用户要求仿真机不仅能够用于运行操作人员的生产运 行培训、考核和事故演习，同时还要能够用于d c s 维护人员的d c s 培训、考核、 工程分析以及控制方案优化。这就要求仿真运行画面，工程师界面与真实d c s 完 全一致，同时要求仿真机工程缩短开发周期，应能做到机组投产前仿真机即可投 入使用。这样的需求存在于对运行安全性要求较高的d c s 用户，如火电、核电、 石化等行业用户。如果能够将传统仿真机与d c s 有机的结合起来，将是一种满足 用户需求的最佳解决方案。分散控制系统生产公司同样对仿真技术存在需求，仿 北京交通大学专业硕士学位论文 真技术能给d c s 提供一个模拟现场对象的闭环环境。在仿真系统中，控制工程师 能够进行控制方案的验证、调试与优化；质量工程师可对工程组态进行出厂前的 检验；测试工程师能够对d c s 进行模拟现场的测试；培训工程师同样可以利用仿 真机来提高培训的效果。为了达到以上的目的，并且能够便捷的应用，最合适的 方法就是将仿真技术与分散控制系统相结合。社会上的各种院校、培训机构、研 究机构也需要一个既能够进行生产过程教学，又能够进行分散控制系统教学的培 训平台，和一个能够进行数学模型分析、分散控制系统研究的实验平台。因此火 电机组仿真系统应集运行人员培训，火电机组设计分析，火电机组控制优化，火 电机组运行指导功能为一体1 2 ，3 1 。 硬件在回路( h a r d w a r ei nt h el o o p ，h i l ) 仿真技术是指采用仿真系统模拟硬 件设备的实际工作环境，将硬件设备与仿真系统有机结合，共同构成一种闭环的 测试系统，满足实时性、动态性等测试要求。与传统软件仿真技术不同，硬件在 环仿真技术将实际硬件设备引入到仿真系统环境中，利用仿真平台的计算能力、 辅助工具等系统资源，实现动态的功能测试，检查设计过程中可能存在的错误与 缺陷。 目前，硬件在回路仿真技术主要应用在汽车制造行业，例如e c u 设计与开发。 在火电机组分散控制系统的设计与开发过程中引入硬件在回路仿真技术，建立被 控对象的数学模型并与实际分散控制系统组成控制回路进行控制系统仿真也可以 带来以下好处：1 、提高控制逻辑与控制器硬件的可靠性，通过硬件在回路仿真技 术，系统功能测试可以在设计初期进行，有效降低设计开发过程中可能存在的错 误与缺陷；2 、降低控制逻辑与控制器的测试成本与风险，采用硬件在回路仿真系 统环境模拟实际的试验过程，可以对系统的安全动作、报警、应急处理等高危控 制功能进行验证，从而避免在实际控制对象上进行试验的经济损失与风险；3 、满 足不同应用环境的测试要求，通过软件的灵活配置，模拟不同的电厂运行工况， 满足指定的测试要求；4 、在控制策略设计完成后，仿真系统可以用于运行人员的 培训。并且在仿真逼真度方面，硬件在回路仿真有着传统的全模拟仿真技术无法 比拟的优越性1 4 j 。 1 2 分散控制系统在火电机组中的应用 1 2 1分散控制系统 分散控制是目前火电厂生产中广泛应用的控制技术，作为一种工业控制技术 出现于2 0 世纪7 0 年代中期。分散型控制系统是一个集中与分散相结合的系统， 北京交通大学专业硕士学位论文 引言 它吸收了分散仪表控制系统和集中式计算机控制系统的优点，将微处理器、数据 通信技术应用在工业过程控制领域。分散控制系统的逻辑结构是分支型的，由下 至上可以分成过程控制、控制管理和生产管理这三个层次，体现了集中管理和分 散控制风险的思想，分散整个机组的控制功能到各个控制器，集中的监控操作则 在操作员站中完成p j 。 分散控制系统由人机接口( m ，m a i lm a c h i n ei n t e 妇e ) 计算机，分散控制 器及i o 卡件，网络通信设备共同组成。人机接口计算机包括操作员站、工程师站、 历史站、接口站等，机组控制系统的监控功能主要在操作员站实现，工程师站负 责对控制组态进行维护，历史站用于存放历史数据，接口站用于与第三方系统进 行数据通信。分散控制器与i o 卡件用于接收现场设备传来的测点信号，进行控制 算法的运算，并输出控制信号。分散控制系统的软件由多任务实时操作系统、数 据库、数据通信接口、工程组态程序软件以及各种辅助软件构成。 自上世纪九十年代开始，分散控制系统开始朝着高可靠性、开放性、智能化 的方向发展。相对之前计算机集中控制系统，分散控制系统中的某一个控制器故 障时，依然可以保证其他控制功能，这种容错设计使得自动控制系统的可靠性得 到了很大提高。高可靠性还体现在每个控制器的控制负荷较小，出现故障的概率 比之前降低许多。分散控制系统的开放性体现在标准化设计思想、模块化设计思 想的引入。由于各个控制器与人机交互计算机之间采用网络通信，在进行功能扩 充时可以做到不影响控制系统的原有功能。为了兼容不同厂家的设备，在现场总 线端采用了统一的通信协议，极大程度的减少了系统的封闭性。传统的现场仪表 功能包括信号的检测、变送等操作，智能化的现场仪表可以完成故障诊断、信号 补偿、就地控制组态以及就地校验等任务，使现场仪表的功能大大增强。大量的 仪表厂家都开始生产自主研发的d c s 系统，并被很多工业领域所认可。采用分散 控制系统可以改善系统的控制质量、生产流程的管理，同时可以提高自动化水平， 降低运行中的人员成本。 1 2 2 分散控制系统在火电机组过程控制中的应用 火电机组采用分散控制系统后，使得整个单元机组控制系统成为一个可靠性 较高的控制系统，自动化水平得到显著提高。这个优点随着机组朝着大容量、高 参数的方向发展，以及对机组运行的安全性、经济型的需求不断增大而愈发突出。 同时，在一个单元机组中使用一套分散控制系统同时实现数据采集系统、顺序控 制系统、电气控制系统、模拟量控制系统、炉膛安全控制系统以及电液控制系统， 这样的设计使得各个系统的设备统一，通信方便。还有另一种设计方案是在分散 北京交通大学专业硕士学位论文 控制系统中实现数据采集系统、顺序控制系统、电气控制系统、模拟量控制系统， 而炉膛安全控制系统以及电液控制系统由专门的厂家提供，这种方案的优势在于 成本相对较低，并且对分散控制系统生产厂家的设计经验要求较低，但需要在设 计初期统一通信接口或预留硬接线以便进行信号传输。总而言之，分散控制系统 已经成为了火电机组提高安全性、稳定性经济性的必要手段。目前投产的火电机 组基本上都采用了分散控制系统，一些老的火电机组也大都完成了分散控制系统 改造。 1 2 3 e d p f 姗p l u s 分散控制系统 e d p f _ n tp l u s 系统是由北京国电智深控制技术有限公司研制开发的，具备自 主知识产权，广泛应用于国内过程控制领域的分散控制系统。e d p f _ n tp l l l s 分散 控制系统融计算机技术、网络通信技术、数据库技术与自动控制技术为一体的过 程自动控制产品。e d p f _ n tp l u s 分散控制系统实现了控制和信息的一体化标准设 计，硬件兼容良好，系统结构开放，同时具备了很好的软件可扩展性。在火电厂、 水电厂、化工、冶金、造纸等多个行业中都可以很好的实现信息监视与自动控制 功能，被电力规划设计总院推荐为d c s 类优选产品。至今，在国内有近3 0 0 家电 厂采用了e d p f - n tp l u s 分散控制系统进行发电过程的自动控制。 1 3 火电机组控制系统仿真技术 1 3 1火电机组控制系统仿真技术发展 上世纪6 0 年代，仿真技术开始应用于电力行业中，此阶段为仿真技术的发展 初期。这个阶段由于当时计算机发展程度不高，以采用模拟计算机对火电机组控 制系统的某一个子系统进行简单的模拟仿真，用到的数学模型以及系统结构都比 较简单6 1 。这个阶段的标志性成果有1 9 5 7 年英国原子能研究院针对c a l d e rh a l l 型 核电站开发的仿真培训系统，这是世界上第一台电厂仿真培训系统，除了一些次 要仪表外此系统较为完整的重现了核电站的控制盘 7 1 。在这个阶段的仿真系统中， 模拟电路完成了数学方程的求解以及控制逻辑的实现。 到了上世纪7 0 年代，电厂的仿真技术以及仿真机水平得到了大幅度的提高。 数字计算机技术的发展为电力系统的仿真作出了很大贡献，借此开发出的仿真系 统相对于前一阶段的产品具有仿真范围全面，精度提高的优点。各个电力行业的 先进国家都开发了自己的仿真培训系统，这种对电厂仿真与培训的重视在1 9 7 9 年 4 北京交通大学专业硕士学位论文 引言 3 月美国三里岛电站事故发生后到达了顶峰。上世纪8 0 年代至9 0 年代，发达国家 的电厂仿真技术已经发展到一个比较完善的地步。电厂仿真系统可以对电厂实际 生产过程以及操作环境进行真实的重现。比较著名的电厂仿真支撑软件有加拿大 c a e 公司研发的r o s e ，美国a b b 公司研发的c e t 融埘，法国汤姆森研发的 f l o w 全砸t 、l o g d 厄t 和i 也g 舢她t ，芬兰f o m u mn u c l e a rs e r v i c e sl t d 研发的 a p r o s 软件【8 1 ，用于电厂被控对象建模的工具有m o d e l i c a 建模语言等【9 】。 中国的电厂仿真技术研究开始于上世纪7 0 年代。1 9 7 5 年，清华大学在电力工 业部的支持下开始研究中国第一台大型火电机组仿真系统，这套系统在1 9 8 2 年完 成并投用，在世界处于先进行列【1 0 】。到上世纪9 0 年代，随着新建电厂数量增加， 规模增大，我国的电力系统仿真行业发展迅猛，在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”之后，有二十多家单位开始进行发电机组的仿真 系统研发，清华大学、华北电力大学、亚洲仿真公司、东南大学等都是技术比较 先进的研发单位【l 。由于我国坚持独立地发展电厂控制系统仿真技术，成功开发 面向对象以及面向工程的图形化、模块化、高精度建模方法，同时独立成功研制 了支持电厂仿真机的研发、调试、管理功能于一体的仿真支撑软件，例如清华大 学的v c s 仿真支撑软件平台、华仿公司( 华北电力大学) 开发的s t a i t 9 0 软件【轮】。 目前的仿真支撑软件主要特点有【1 3 】【1 4 】【1 5 】：( 1 ) 使用网络通信技术以及分布式 计算方式；( 2 ) 图形化建模；( 3 ) 先进算法的引入，如模式识别、模糊算法、人 工智能以及神经网络等；( 4 ) 可以实现与实际分散控制系统的数据通信。 东南大学动力工程系于2 0 0 2 年引进a p r o s 火电站版本，用于大型火电厂全 范围的建模与仿真，并且已成功应用于平圩6 0 0 m w 机组，扬州第二发电厂6 0 0 m w 机组，姚孟1 _ f 、3 挣两台3 0 0 m w 机组等全范围仿真【1 6 1 。文献【1 7 1 使用a p r o s 软件， 以华能玉环电厂l 号超超临界1 0 0 0 m w 机组为仿真对象，对机组工艺流程进行 1 0 0 仿真。文献 1 8 】使用a p r o s 软件开发了3 0 0 m w 机组全范围仿真培训系统。 安徽省电力科学研究院与华仿科技公司合作研发了基于s 吖峡9 0 的3 0 0 m w 亚临 界，6 0 0 m w 超临界、6 6 0 m w 超超临界、1 0 0 0 m w 超超临界4 套火电机组仿真系 统l l9 。文献 2 0 】使用新华控制工程有限公司的s 刀m p a n e l 分布式仿真系统，进行 图形化组态，建立了风烟系统模型进行仿真。 除了上述大型仿真软件平台，许多学者也利用现有的软件资源研究各种形式 的分散控制系统仿真方法。文献【2 l 】使用d c s 自身的算法功能块建立对象模型， 建立了基于组态软件的d c s 仿真开发平台。文献 2 2 】使用o p c 通信技术，开发了 基于和利时公司d c s 产品h o l l i a s m a c s 的仿真机系统。文献 2 3 1 借助d d e 技 术实现了分散控制系统与m a t l a b 之问的通信。文献【2 4 】开发了基于虚拟d p u 技 术的6 0 0 m w 火电机组仿真机，采用虚拟d p u 和真实h m i ( h u m a i lm a c l l i n e 北京交通大学专业硕士学位论文 i n t e 血c e ，人机界面) 的方案。 1 3 2 火电机组控制系统仿真模式 在电厂实际运行过程中，为实现控制组态的设计调试、运行人员培训以及诊 断检测分散控制系统等功能，会在其他计算机中再现实际的分散控制系统组态。 根据分散控制系统所处于不同的生命周期，有三种方法可以再现分散控制系统分 别为仿真方式、激励方式以及虚拟方式，如图1 1 所示。 图1 1d c s 的生命周期与再现方式 f i g u r e1 1 l i f ec y c l ea i l di 沁p r o d u c t i o na p p r o a c h e so fd c s 1 仿真方式 仿真方式是对实际分散控制系统的人机界面进行模拟，使用软硬件实现对分 散控制系统中在操作员站上可以进行操作的仿真。这种仿真方式本质上是在原有 的分散控制系统之外重新开发一套仿真软硬件，由于只需要对可见的操作功能进 行仿真，因此软硬件价格相对比较低廉，同时硬件易于维护。但这种仿真方式得 到的仿真分散控制系统由于与实际系统不是在一个软件平台上开发而成，因而两 者之间存在一定的差异，并且这种仿真方式通常都是一次开发成型，用户在使用 过程中难以对控制组态进行改变，要对软件修改可能产生后续费用。除此之外， 仿真方式的仿真功能只局限于操作员站，对于工程师站并没有提供仿真功能，因 此无法进行热控人员的培训。 2 激励方式 激励方式保留了原有分散控制系统的软硬件，将一台仿真计算机接入原有分 散控制系统，这台计算机用于过程仿真的实现。这种仿真方式需要考虑仿真计算 机与分散控制系统的数据接口。两个系统之间硬件接口实现方式可以由高速异步 数据接口、高速并行接口、网关或其他定制数据接口来实现。通信接口以及通信 北京交通大学专业硕士学位论文 引言 客户端程序需要用户提供。用于激励方式的仿真软件需要满足仿真机对不同运行 模式的需求，例如快慢速、冻结，运行、回退重演等运行模式。激励方式的仿真系 统拥有实际分散控制系统所有的功能，在人员培训功能之外还可以进行控制算法 的研究以及改进，控制组态易于保持与电厂实际一致，可以利用分散控制系统的 备件来进行仿真系统的建立。然而激励方式也存在一定的缺陷：仿真计算机与分 散控制系统的通信能力对仿真系统的性能会有限制，更新速率有可能达不到实际 分散控制系统的要求进而导致被控对象难以控制甚至出现不可控的情况，需要对 控制组态进行相应的修改。 3 虚拟方式 虚拟方式是在其他计算机中再现真实分散控制系统，这种方式又称作虚拟分 散控制系统，与真正运行在工业过程中的实际分散控制系统区别【2 引。虚拟分散控 制系统的实现方式适用于分散控制系统的控制组态已经完成及其之后的阶段。将 编译完成的用于分散控制器程序文件直接下装到d c s 厂家提供的虚拟d p u 中， 控制算法完全与实际的分散控制系统相同，包括数学运算块、输入输出模块、逻 辑算法块、信号源模块、控制功能模块等。因此，使用虚拟方式可以建立一个与 实际机组对象完全一致的仿真系统【2 6 】。这样的仿真方式功能较为完善，并且成本 相对较低。既满足了培训运行人员的需求，同时可以用于热控人员培训与控制策 略的设计与验证研究2 7 1 。各种d c s 仿真方式的特点如表1 1 所示。 表1 1 各种d c s 仿真方式对比 1 1 a b l e1 1c o m p 撕s o no fd c ss i m u l a t i o na p p r o a c h e s 1 4 本文研究内容 l 、生物质电厂分散控制系统工程组态 使用国电智深e d p f _ n tp l u s 分散控制系统，完成了中小型生物质电厂数据采 集系统( d a s ) 、电气控制系统( e c s ) 、顺序控制系统( s c s ) 、模拟量控制系统 北京交通大学专业硕士学位论文 ( m c s ) 以及炉膛安全控制系统( f s s s ) 的组态工作。熟悉了火电厂的生产工艺 以及分散控制系统的功能以及建立方法，为实现电厂分散控制系统h i l 仿真奠定 了基础。这一部分工作在本文第二章进行了介绍。 2 、电厂分散控制系统硬件在回路( h i l ) 仿真方法研究与实现 针对e d p f - n tp l l l s 分散控制系统，基于分布式实时仿真的思想，使用激励与 虚拟d p u 两种仿真方式实现了由分散控制系统与m a t l a b 软件共同组建的硬件 在回路仿真方案，并对两种方案进行了对比。仿真方案采用了与电厂实际相同的 d c s 软硬件系统，从而保证了仿真系统的逼真度；在d c s 系统之外，使用一台独 立的仿真优化计算机在m a t l a b 环境下建立与运行被控过程的数学模型，保证了 仿真系统的运算速度；根据d c s 系统支持的数据通信协议，在仿真优化计算机上 编写了数据通信客户端，完成了d c s 系统与仿真优化计算机的数据通信。由此建 立的分散控制系统h i l 仿真平台不仅可以高保真地对电厂生产过程进行仿真