火电机组分布式控制系统仿真新思路
发布时间：2013-12-07
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火电机组分布式控制
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引 言 目前，火电机组已广泛采用分布式控制系统(DCS)，通过操作员站界面，运行人员对机组的运行进行监视和控制[1,2]。对于DCS仿真，通常是控制逻辑的仿真和操作员站界面的仿真，过程是搜集到电厂整个控制系统的...
引 言
目前，火电机组已广泛采用分布式控制系统(DCS)，通过操作员站界面，运行人员对机组的运行进行监视和控制[1,2]。对于DCS仿真，通常是控制逻辑的仿真和操作员站界面的仿真，过程是搜集到电厂整个控制系统的资料和DCS界面图形画面并了解操作员界面的操作，针对这些资料进行搭接模块和画面组态，整个仿真过程非常繁琐复杂，并且仿真程度随着系统的复杂而降低。许多用户要求在实际机组投产之前必须达到培训要求，为了提前培训一批合格的运行人员，不影响电厂实际机组按期发电，只能压缩仿真机的研制工期，以致现在仿真机的开发周期越来越短。同时，由于实际机组尚未投产，可参考对象不存在，使得仿真难度增大，并且用户要求在仿真机交付用户使用之后，现场DCS如有改动，在不需要仿真机设计方人员的情况下，可以自主对仿真机控制系统和操作界面方便地进行相应的修改。这些要求都对仿真机开发提出了挑战。
随着计算机技术的发展，各大控制系统厂商采用了相对开放的系统平台和数据库组织，使得我们对其控制系统的了解有了定量分析的可能。本文将INFI-90控制系统的模型自动转换为STAR-90仿真控制模型，并对INFI-90操作员站的文本化画面进行翻译驱动，大大缩短了仿真机的开发周期，并提高了仿真度。
一、设计思路
1.1 组态模型与STAR-90系统的仿真模型的映射关系
INFI-90系统生成的组态模型是一种模块化的模型，由许多功能块相互连接构成，功能块是由某个功能码实例化得到，每个功能码由若干输入和输出构成。华北电力大学开发研制的STAR-90支撑系统是建立在模块化建模方法基础上的一个在线式图形建模、调试与仿真环境[3]，整个模型由各种仿直模块搭接而成，每个仿真模块是某种仿真算法的实例化，算法由一定的输入和输出、系数构成。因此，STAR-90模块化建模的思想与DCS的组态思想是完全一致的[4]。对应INFI-90系统的每种功能码建立相应的仿真算法，即建立功能码库与仿真算法库之间的映射关系，便可将组态模型中的功能块转换成仿真模块，根据功能块之间的连接关系建立仿真模块之间的连接关系，同时将功能块的输入规格参数转换为仿真模块的有关输入或系数设置，经过这些转换处理过程便初步得到了实际控制系统的仿真模型，可以将它转换为STAR-90使用的仿真控制模型。
1.2 DCS组态画面的翻译
利用INFI-90的Wintoo1s工具也可以将DCS组态画面文件转换为画面文本化文档，画面中的每个对象例如线、矩形、圆、弧等属性都在文本文件中体现出来。这样，通过对画面文本化文档的分析，可以将其翻译为我们自己的矢量图，结合Wintools工具导出的数据库，再根据INFI-90画面特性加以驱动。
二、DCS控制模型转换
对控制系统的仿真实际上包括以下部分:
1)实现控制系统逻辑上的仿真，电厂各子系统、设备之间的控制、保护、联锁等逻辑关系不能有所改变，这也是仿真最基本的要求;
2)实现操作员站界面的仿真，要求操作员站界面尽可能与现场相似，包括显示、操作风格等，使得电厂上岗运行人员经过仿真机的培训后能很快熟练掌握实际机组的监控。
在INFI-90系统中，组态模型采用树状结构，CAD图纸文件是控制模型组态的基本单位，它以图形方式记录了功能块之间的连接关系和有关文字描述，转换软件以这些图形文件为基础生成图形化仿真模型。
在INFI-90组态系统中，以控制模件(module)为单位，可以报告(report)生成有关功能块的以下几种文本化文档:*.lst模件中所含的CAD图纸文件名列表;*.txt模件中所有功能块以及相应规格取值的列表;*.lis模件中所有功能块以及相应规格的详细说明列表。其中:*.lst文件由系统自动生成;*.txt文件和*.lst文件通过组态系统的CMU(configuration maintenance utilities)应用程序产生。
为了生成控制系统的仿真数学模型，转换软件需要将以上文件结合起来使用，从CAD图纸文件中获取功能块的位置信息和其他描述信息，从CMU报告生成的文档中获得功能块之间的连接信息，根据这些信息建立相应的图形化仿真模块和它们之间的连接关系。由于可以获得的功能块列表是以模件为单位的，因此模型转换过程也以模件为基本单位进行。
在模型转换过程中，首先生成STAR-90仿真系统可以识别的文本模型，然后将这种文本模型再转换为可以在线运行的仿真数学模型。本软件是将电站的实际控制系统模型转换为仿真控制模型，转换过程如图1所示。其中，INFI-90组态模型是电厂的实际控制模型，由一些专有格式的二进制文件组成，INFI-90组态系统(即Wintools)可以生成这些控制模型的文本化文档，DCS模型转换软件根据这些文本化文档将INFI-90组态模型转换为STAR-90文本化模型，这种文本化模型是STAR-90专用的文本格式的模型文件(在STAR-90中称之为TBL文件)，它们可以被STAR-90仿真支撑系统加载(或装入)，生成能够在线运行的图形化仿真数学模型。
三、DCS操作员站画面翻译
在INFI-90系统中，控制台组态采用项目树结构，包括数据库、标准图元、回路、控制台、画面文件等。其中:DR文件是操作员站系统图画面文件，DY文件是组成图元的最基本文件，由Wintools画面组态工具生成，转换软件以这些图形文件为基础翻译成操作员站画面。
利用贝利公司的Wintools工具，通过数据库操作可以导出以FOXPROW为基础的数据库文件，其中包括标签索引号、标签名、测点描述、测点类型、工程单位等。同时，通过翻译操作将DR及DY文件转换为DT文本文件，因为在电厂内部，热工人员将修改后的组态画面文件转换后生成DT文件，然后装入软盘，用软盘插入集控室操作员站，这样修改后的画面已经在集控室内的操作员站显示出来。为 了达到与现场一致的效果，笔者将对DT文件进行分析处理，结合数据库并形成驱动，画面如有改动，可与现场一样，将修改后的组态画面文件转换后生成DT文件，然后装入仿真机作为操作员站的PC机，再调用时所看到的已经是修改后的画面了。同时，对于操作员站软件的实现，则不仅将画面翻译并还原出来，更重要的是还要实现其动态变化及操作过程，通过INFI-90功能码-算法库，对各个不同类型的标签如STATION站、MSDD、RCM等分别进行模块化处理。这样，只要INFI-90现场实际控制设备类型没有变化，那么，给每个不同类型标签的描述和处理模块便无须改动。
当然，对画面的翻译过程是重点。对于Wintools组态工具GDC，其生成的DT文件主要由一些画图指令组成。例如:"fcl5"表示前景色为本15，其中15为其总共64种颜色中的一种;"lc l5"表示线宽为本15，这里的线宽并不表示像素点个数，而是UNIX系统屏幕坐标所表示的宽度，在微机上需要进行转换;"pg 400,6700;75,75;3475,0;0, -75;-3550.0～"表示画线段等;对于动态点的联系，则主要通过标签号，例如:"ed 42,32,79,625, 6825,248,3,0,7,10,4，0，0"，79为标签号，Index为79的标签。
INFI-90操作员站画面翻译如图2所示。
实现转换的主要过程在于对画面组态文本文件的命令分析以及对数据库的设计和组织，对文本文件的命令分析准确与否将决定画面的翻译还原质量。同时，数据库的设计和组织的好坏，将影响画面与实际模型运行同步及其操作准确度、刷新响应速度的快慢、动态数据及设备显示正确性。
四、结 语
通过对吴径第二发电有限公司660MW火电机组和湖南湘潭电厂300MW火电机组仿真机的应用，均成功实现了INFI-90仿真控制系统的自动转换和DCS画面自动翻译过程，从而大大减轻了仿真机开发人员的开发强度，极大地缩短了仿真机的开发周期;最大限度地还原了控制系统的逻辑及画面，提高了仿真精度;为用户以后任何现场修改自动转换到仿真机上提供了便捷手段，亦即提供了用户的二次开发能力。
由于计算机技术的发展，目前各大控制系统厂商系统平台趋于相似或一致，对用户基本上开放了数据库和外部接口，使得自动转换和DCS画面自动翻译这一技术的应用并不局限于INFI-90系统，这为我们使用上述模型自动转换和画面的自动翻译方法提供了契机，具有广阔的应用前景。
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