基于虚拟DCS与SIS的数据比较系统的开发
发布时间：2013-12-07
来源：中国自动化网
类型：
专业论文
人浏览
关键字：
SIS
导读：
0 引 言 当前，大型火电机组正在成为我国新一轮电力能源建设的主力机组，其运行、控制和信息系统技术具有新的特点，因此对运行监控人员的仿真培训及热控技术人员的系统分析提出了更高的要求。分散控制系统(DCS...
0 引 言
当前，大型火电机组正在成为我国新一轮电力能源建设的主力机组，其运行、控制和信息系统技术具有新的特点，因此对运行监控人员的仿真培训及热控技术人员的系统分析提出了更高的要求。分散控制系统(DCS)的仿真必须包含全部的I/O测点，采用真实逻辑，设置完全相同的功能模块和控制参数，"虚拟DCS"就可以满足这些要求[1]。但为了提高大型机组的安全性和经济型，各方又对仿真机提出了更高的要求，要求其可以实现机组性能优化和故障预测等功能。根据这些要求，本文在虚拟DCS技术基础上，利用发电厂的监控信息系统(SIS—— supervisory information system)数据，结合数据库技术和实时通信技术，开发了数据比较系统。
通过数据比较系统，可以把仿真系统和真实系统的不同参数按重要性列在表中显示，并运用相似理论计算出两个系统的相似度。按照列表中显示的参数的不同，可以指导仿真的操作，例如与现场同时进行机组负荷的升降等操作，对培训人员提供更高层次的培训。根据相似度的大小和参数比较的差异，可以修正仿真系统信息和模型信息，得到较为精确的仿真模型和与现场一致的运行状态，这样就可以存储工况，提供专门培训和事故分析的初始状态。在仿真模型足够精确且相似度也足够大的情况下，使仿真模型超实时运行，可以实现故障预测。
1 发电厂的实时系统[2,3]
随着计算机网络技术及数学建模技术的不断发展和进步，各大型发电厂在DCS之外还大力发展了SIS和实时仿真系统(SIM——simulation system)构成了大型发电厂的三大实时系统，如图1所示。
DCS用于直接控制锅炉、汽轮机和发电机组，实现自动逻辑和调节功能，保证机组的启停和稳定运行;SIS是为火电厂全厂实时生产过程综合优化服务的生产过程实时管理和监控信息系统，用于为上层领导和职能部门提供实时监测数据，为运行和检修决策提供信息依据，并管理海量历史数据。SIM用于电厂运行人员的系统培训，并可用于机组运行控制逻辑的分析。
目前仿真系统的发展方向之一是开发虚拟DCS。虚拟DCS是相对于在过程工业系统中运行的"真实DCS"而言，虚拟DCS的实现方法是在完成DCS组态后，采用对DCS网络下载文件进行智能编译转换的方式，采用与现场一致的控制逻辑、功能模块和控制参数，包含全部的I/O测点，是真实DCS的再现。因此，虚拟DCS具有极高的软件功能逼真度，可以与现场达至高度的一致性。
为了达到利用虚拟DCS技术和虚拟I/O来分析提高大型机组经济性、安全性的目的，本文根据三大实时系统的实时一致性，运用数据库技术，开发了基于SIS及SIM互联而实现的真实和仿真数据比较系统，使运行监控及决策人员可以对实时数据和仿真数据进行比较，做出正确的判断和故障分析。
2 数据比较的设计思想
为了方便仿真系统的I/O数据与来自SIS的控制系统I/O数据的比较，本文把I/O数据分为开关量和模拟量两大类。根据一定的标准，把经过比较的有差距数据，按照其重要性显示在列表中。并根据相似理论，对系统的相似程度进行量化，计算出仿真系统与真实系统之间的相似度，当相似度大于一定的阀值时，就可以认为仿真系统与真实系统足够接近，就可以把此时的仿真系统工况存储下来，作为进一步仿真计算和分析的初始工况。本文中计算的相似度是模型的静态精度。
在数据的处理过程中，为了得到准确的比较结果，需要考虑控制模型的输入和输出量。数据比较流程如图2所示。
2.1 仿真系统的相似度[4,5]
仿真系统的相似度是相似单元的数量、相似元的数值以及每个相似元对系统相似度影响权系数等因素的函数。根据系统相似度的定义，设真实系统为系统A，由κ个要素组成，仿真系统为系统B，由ι个要素组成，系统A与B间存在n个相似要素，构成n个相似元，每个相似元的值记为q(ui)，每个相似元对相似系统相似程度的影响权重为βi，则A和B两个系统的相似度可定义为:
现在考虑的是仿真系统与真实系统的相似度。在仿真系统中，由于采用了与真实系统相同的I/O点表，建模时所考虑的仿真系统的每一个特征值与真实系统都对应相似，即k=ι=n,那么式(1)可以简化为:
在求取仿真系统与真实系统相似度的式(2)中，表示相似元对相似度影响的权系数βi是不相同的。本文在这里参考层次分析法，把相似元作为评价因素，建立评价因素集:U={u1,u2,…,ui,…un}，其中，ui∈U,i=1,2,…,n。Uij表示Ui对Uj的相对重要性数值，j=1,2,…,n。Uij取值见表1。
根据上述数值标度及意义，得到判断矩阵p:
在矩阵p中，uij=1,uij=uij-1,uij=uik/ukj。其中：i=1,2,…,n;k=1,2,…,n。
根据上述判断矩阵，运用归一法最终可以得到矩阵p的特征向量即权系数为：
权系数的分配是否合理，可用一致性指标Ic检验矩阵p的一致性:
式中：λmax为p的最大特征值。
对于多阶判断矩阵，即相似元很多的情况下，还需引入矩阵的随机一致性指标IR，则随机一致性比率Rc为:
当Rc＜0.10时，辨认为判断矩阵具有满意的一致性，否则需调整判断矩阵使其达到满意。
设仿真数值为уs，真实系统中与之对应的真实数值уt，则相似元的值为:
按以上步骤可以计算出仿真系统的相似度。
2.2 开关量的比较
在真实系统和仿真系统中，各种截止阀及泵的控制命令和反馈由布尔量0，1表示，而反馈代表截止了阀和泵的实时状态，例如运行和停止。
由于各种截止阀和泵的操作对比较结果影响很大，且操作流程比较容易，操作人员严格按照规程操作则不易出错。所以，本文直接把真实系统和仿真系统开关量比较的差异按重要度直接显示在界面上，这样可以及时对比较差异进行仿真操作校正，并为模拟量整合出较为准确的系统相似度打下基础。
2.3 模拟量的比较
模拟量的比较分为模拟量的数据对比和相似度的计算两个方面。
模拟量数据对比的目的与开关量比较一样，都是要通过仿真操作校正，使仿真机的运行数据和来自SIS的真实数据相接近，同时为相似度的计算打下基础。模拟量比较时，选择汽包压力、主蒸汽温度、再热蒸汽温度、燃料量、汽机转速、调节级压力、真空、机组有功功率等主要参数，将这些重要数据采用以下公式进行比较:
式中:X为允许偏差。
比较后大于允许偏差的数据将显示在特定的列表中，找出原因后，及时修正仿真系统参数信息或模型信息，为相似度的计算打下基础。
当开关量严格一致、控制系统在整体上投入运行、根据列表中开关量与模拟量数据进行比较并判断总体上仿真系统和真实系统比较接近时，可进一步考虑仿真系统的相似度。相似度根据系统温度、压力、流量和各种阀门开度等模拟量进行计算。
来自SIS的控制数据中，因为被控的对象不同、目的不同，比较特性也应不同。可以根据专家意见把模拟量按其重要性分为5个层次，然后按层次分析法列出矩阵p。根据式(3)计算各模拟量的权系数β，相似元的值可以根据式(6)分别计算，最后根据式(2)得出仿真系统和真实系统的相似度[5]。当相似度大于某一定值时，可以认为仿真系统与真实系统足够接近，把此时仿真系统的工况存储下来，作为仿真培训或事故分析时的一个初始工况。
3 数据库的建立和连接[6,7]
在本系统中，存在大量数据的管理问题。这些数据是来自SIS的真实数据和仿真系统的仿真数据。本文利用Access数据库管理系统对这些数据进行管理和计算分析。Access数据库管理系统具有强大的数据管理功能，具有通过创建查询，在1个或多个数据表中检索、更新和删除记录，并且具有对数据库中的数据进行各种计算的功能。
3.1 数据表的建立
创建比较数据库的CompareIO数据表时，不考虑I/O测点数据的分类，将数字量的允许偏差和加权系数均设为0。对模拟量，根据具体数据的重要程度和允许的偏差范围分为若干类，加入加权系数，并设置允许偏差。数据表设计如表2所示。
根据前面的设计思想，把模拟量数据比较的关系式定义为：
3.2 查询表的创建
利用Access数据库管理系统的数据查询和检索功能，按照I/O测点的数据类型(开关量和模拟量)创建两张数据查询表格:int型测点表和float型测点表。创建查询表时需要应用结构查询语言(SQL)。
创建int型I/O测点表的SQL语句是：
SELECTCcompareIO.Name,CompareIO.FBM,CompareIO.
Modulename,CompareIO. SimuData,CompareIO.
RealData,CompareIO.Input,CompareIO.Comefrom FROM CompareIO WHERE((CompareIO.IO)="DI")OR((CompareIO.IO)="DO")
创建float型I/O测点表的SQL语句是：
SELECTCompareIO.Name,CompareIO.FBM,CompareIO.
Modulename,CompareIO.SimuDate,CompareIO.
RealData,CompareIO.Input,CompareIO.Comefrom,CompareIO.X,CompareIO.Y
FROM CompareIO WHERE ((CompareIO.IO)="AI")OR((CompareIO.IO)="AO")
3.3 数据库的连接
本文采用ADO(activeX data object)数据库访问技术实现Access数据库和应用程序的数据连接。ADO是Microsoft数据库应用程序开发的新接口，是建立在OLE DB之上的高层数据库访问技术。ADO接口技术的使用大大简化了程序编制，增加了程序的可移植性。比较数据库的开发应用了ADO接口技术，方便地实现了Access数据库和应用程序的数据连接。
下面给出数据库连接的实现过程。
1)首先引入ADO动态链接库。VisualC++通过程序中使用预编译指令#import来告知编译器将此指令中指定的动态链接库引入工程，并从动态链接库中取出其中的对象和信息，产生msadol5.tlh和adol5.tli两个头文件来定义ADO库。在应用程序的文件stdafx.h中加入如下语句:
#import c:\program files\common files\system\ado\msado15.dll\
no_namespace rename("EOF","adoEOF")
2)创建ADO与数据源的连接。ADO库是一组COM动态库，这意味着应用程序在调用ADO前必须初始化OLE/COM库环境。在MFC应用程序中，一个比较好的方法是在应用程序主类的Initinstance成员函数中初始化OLE/COM库环境。
::CoInitialize(NULL);
在程序关闭之前需要在EXitInstance函数中调用CoUninitialize()代码释放程序所占用的COM资源。
ADO与数据源的连接是通过连接智能指针来创建的。首先需要添加一个指向Connection对象的指针，然后调用CreateInstance()来创建一个连接对象的实例，再调用Open()函数来创建与数据源的连接。
3)一旦建立了数据连接，就可以创建一个指向Recordset对象的指针，然后创建ADO记录集对象并且打开记录集。
4 数据比较系统的具体实现过程
在具体实现过程中，数据比较和系统相似度是利用C++语言进行编写的。数据比较系统程序嵌入仿真主程序内运行，直接利用仿真主程序中实时数据库提供的数据接口连接仿真系统的I/O测点。现场真实I/O测点的数值利用SIS提供的对外数据通信接口获得。以SIS的数据刷新频率来刷新比较数据库的参数值。
数据比较系统的具体实现过程如图3所示。
5 结 语
数据比较系统的开发可以把仿真系统与真实系统进行更加细致的比较，根据数据的差异对仿真系统进行完善。如果在一段时间内相似度都满足一定的要求，就可以把工况存储下来，作为进一步仿真计算和分析的初始工况。在仿真模型足够精确，且相似度也足够接近的情况下，使仿真模型超实时运行，可以实现故障的分析和预测。
版权声明：版权归中国自动化网所有，转载请注明出处！