火電機組半實物仿真平臺監控系統設計與實現

孫宇貞， 彭道剛， 于會群， 李 芹， 徐春梅

(上海電力大學 自動化工程學院，上海發電過程智能管控工程技術研究中心，上海 200090)

0 引 言

半實物仿真也稱硬件在回路仿真(Hardware In The Loop Simulation，HILS)，是將數學模型、實體模型和系統的實際設備聯系在一起進行運行的仿真系統[1-2]。與純計算機軟件仿真相比，半實物仿真是一種更接近實際的仿真試驗技術[3]，具有有效性、可重復性、經濟性、安全性等諸多優點[4-5]。隨著計算機控制技術的不斷發展和集成度的提高，基于半實物仿真系統的方案在航空航天、武器設計、機械制造、電力等各個領域得到了越來越廣泛的應用[6-7]，在連續型流程生產工業也有越來越多的應用案例[8-11]。近年來在高校的學科平臺建設與實驗領域，半實物仿真系統因其科學性和先進性，能夠激發學生學習興趣[12]，提高創新意識和實踐能力[13-14]，也越來越得到重視[15-18]。

本文針對電力生產的主要企業——火力發電廠，研制了一套超超臨界火力發電機組的半實物仿真平臺，幫助學生直觀理解和掌握現代化火力發電廠的生產工藝流程，針對其中的分散控制系統(Distributed Control System,DCS)進行邏輯組態和控制操作。通過半實物仿真平臺，增加學生操作和體驗的機會，將理論學習和實際工程技術緊密聯系，提高解決問題的能力，為今后走上工作崗位打下堅實基礎[19-21]。

1 超超臨界火電機組半實物仿真平臺

火電機組半實物仿真平臺是以目前典型的超超臨界火力發電裝置為基礎，機械設備按一定比例縮小，工藝流程適當簡化，儀表和執行器采用實際設備運行，整個裝置有一定的工程化概念。平臺實物如圖1所示。

圖1 半實物仿真平臺實體圖

整個平臺系統由機械設備、動力設備、檢測儀表、執行機構、輔助系統等組成。其中機械設備按實際超超臨界燃煤機組的工藝流程設計，總體可以分為汽水流程和風煙流程兩大類。其中汽水流程的主要設備有凝汽器V101、熱井V102、精處理裝置V103、軸封加熱器V104、低壓加熱器V105、除氧器V106、高壓加熱器V108、省煤器V109、汽水分離器V110、鍋爐V113、汽輪機組V115；風煙流程的主要設備有鍋爐系統延伸的除塵器V118、脫硫塔V119、煙囪V120等設備。動力設備包括了給水泵P101、P102，凝水泵P103、P104，鍋爐啟動疏水泵P105，送風機C101、C102，一次風機C103、C104，引風機C105、C106、電加熱器HV101等。檢測儀表包括了基于4～20 mA模擬量的鍋爐給水流量傳感器，Pt100熱電阻溫度傳感器(檢測凝汽器溫度、凝水泵母管出口溫度、給水泵母管出口溫度、汽水分離器入口溫度等)，基于PROFIBUS現場總線的除氧器液位調節閥閥位反饋、凝結水泵出口壓力、給水泵出口壓力、分離器儲水罐液位等儀表，基于FF現場總線的除氧器液位、凝汽器熱井液位、疏水擴容器液位儀表，基于HART現場總線的鍋爐給水流量、凝汽器溫度、鍋爐給水調節、疏水擴容器液位調節、儲水罐液位調節等儀表，基于MODBUS現場總線的給水泵和凝水泵變頻調節等儀表。半實物仿真平臺汽水系統相關的工藝與儀表流程圖如圖2所示。

圖2 半實物仿真平臺的汽水工藝與儀表流程圖

整個半實物仿真平臺的對象設備與控制裝置分離設計，控制裝置可采用主流的DCS系統或其他類型控制系統進行控制。目前本平臺采用了ECS-700和SUPMAX兩套DCS系統，并且可以進行DCS系統的自主切換。

平臺的工業過程是對實際電力生產過程的部分簡化，檢測和控制儀表采用了目前國內外主流的先進儀表與控制系統。作為高校的研究與實驗平臺，可以讓學生了解現場設備狀況，掌握運用與現場緊密聯系的儀表設備與控制系統，將理論學習與實際工程技術相聯系，提高學生綜合應用的能力。

2 ECS-700控制系統的特點

本半實物仿真平臺的監控系統可以在主流的DCS或其他流程工業中常見的控制系統上進行開發。ECS-700是國產DCS的典型，具有高可靠性、高開放性、高擴展性、物美價廉等優點，在國內的化工、電力、石油、冶金等各類流程生產領域有著廣泛的實際應用，其具體特點包括[22-23]：

(1) 采用全冗余系統結構包括供電系統、通信網絡、控制站等，使用高可靠性部件及信息安全設計，保證系統連續正常運行，提高了系統的可靠性。

(2) 系統的硬件模塊抗環境干擾能力較強，能夠實現不停車更換硬件；控制器具有一定的防病毒能力，提高了系統的安全等級。

(3) 可以無縫整合PROFIBUS、FF、HART、EPA等國際標準現場總線，在統一的設備管理平臺上管理多種現場總線設備，且支持在線升級和擴容，便于調試、管理、維護、擴展。

(4) 組態軟件包括硬件組態、位號組態、軟件組態，國產組態軟件的全漢化界面對用戶友好。其中的用戶程序設計包含眾多常用的功能塊如手操器、PID、FF標準和濾波等模塊，還可以用戶自定義模塊，方便完成整個系統的控制策略設計。

3 ECS-700半實物仿真平臺監控系統設計

本平臺上的ECS-700控制系統由控制節點、操作節點、系統網絡等構成。相關組態功能由系統結構、組態管理、硬件、位號、控制方案和監控等組態軟件實現。

在超超臨界火電機組半實物仿真平臺上利用ECS-700進行監控系統的組態，主要包括了控制域組態和操作域組態兩部分。其中控制域組態主要完成硬件配置、位號配置以及程序的編寫等，即把系統內部的結構和關系在控制域中體現出來并且整理清楚。操作域組態主要完成監控畫面和流程圖的組態，并且在流程圖中將位號與流程中的各種數據點關聯起來，這樣一來控制域和操作域就可以關聯在一起，在操作域中進行相關操作就可以通過控制域在控制器以及現場設備間進行信號傳輸，實現對系統的控制。

下面以半實物仿真平臺中汽水系統的組態設計為例，說明本平臺上的監控系統組態設計過程和實施效果。

3.1 ECS-700控制系統整體結構和配置

半實物仿真平臺組態設計首先需要配置控制系統的整體結構以及控制器參數，包括了ECS-700系統的控制域、操作域和通信網絡等。

控制域包括了冗余配置的控制器FCU712，模擬量輸入模塊AI711_S11、支持HART總線的模擬量輸入模塊AI711-H11、熱電偶輸入模塊AI722、熱電阻輸入模塊AI731、模擬量輸出模塊AO711-S11、支持HART總線的模擬量輸出模塊AO711-H11、開關量輸入模塊DI716、開關量輸出模塊DO711，以及支持FF現場總線的I/O模塊AM712-S、支持MODBUS/TCP的以太網通信模塊COM742、支持MODBUS-RTU的串行通信模塊COM741、支持PROFIBUS主站通信模塊COM722。

操作域包括了1臺組態服務器、1臺工程師站、8臺操作員站。通信網絡采用總線型雙網容冗余的高速工業以太網，其集線器采用冗余配置的SUP-5117。

需要通過系統結構組態軟件(VFSysBuilder)搭建出上述系統的整體結構框架，并配置工程師組及其權限，以及操作域、控制域、包括對應的控制器總體參數。

3.2 控制域通信組態設計

配置好系統整體結構后則應進行控制域組態，即需通過組態管理軟件(VFExplorer)進行硬件的通信通道配置、位號組態配置等。根據控制域的設備狀況本工程需要配置的通信模塊有COM701-S虛擬I/O連接模塊、COM741-S串行通信模塊、COM742-S以太網通信模塊、COM722-S PROFIBUS主站通信模塊、AM712-S FF現場總線通信模塊等。其中COM701-S虛擬連接模塊負責4～20 mA模擬量輸入輸出、開關量輸入輸出、熱電偶輸入、熱電阻輸入、滿足HART總線協議的I/O通信。COM741-S串行通信模塊能夠將滿足標準MODBUS-RTU協議的第三方設備(串行異構設備)通過擴展I/O總線接入系統。COM742-S以太網通信模塊主要負責MODBUS以及滿足TCP協議的以太網通信的I/O通道。COM722-S作為PROFIBUS-DP的主站接口，用于將標準PROFIBUS-DP從站設備接入ECS-700系統，也可以通過耦合器和鏈接器接入PROFIBUS-PA設備。AM712-S模塊是FF現場總線儀表與ECS-700控制系統間的通信接口模塊。

除AM712-S通信模塊需利用FF組態軟件(VFFFBuilder)配置外，其余通信模塊應通過硬件組態軟件(VFIObuilder)配置。配置時需要注意機架的正確配置，并且應按模塊物理地址逐一配置各個通信模塊參數。

在進行了通信模塊的配置之后，應通過位號組態軟件(VFTAGBuilder)來配置所有的輸入輸出設備以及相關通信模塊的位號，包括位號名稱、類型、描述、量程上下限、信號類型、地址等屬性。

3.3 控制域的功能塊和程序組態

半實物仿真平臺系統的控制需要利用控制程序進行，控制程序以順序執行為主，執行周期為200 ms。對應的控制方案組態軟件(VFFBDBuilder)能夠完成控制程序的組態，該軟件能夠提供功能塊圖(FBD)、梯形圖、ST語言等編程方式，并具有在線調試、位號智能輸入、圖形縮放等功能。其中FBD功能塊中除了常見的系統功能塊外，還包括Smith預估器、模糊控制、預測控制、自整定PID等先進控制的功能塊。同時也可以根據需要自己采用ST語言、SFC語言編寫用戶自定義的功能塊邏輯，或者自己采用VBScript腳本語言編輯流程圖腳本。

本工程中采用了FBD這種常用的控制組態方式，通過調用FBD庫中的FBD模塊并按要求進行信號連接，來實現對系統控制程序的編寫。

以本半實物仿真平臺中汽水系統的除氧器液位控制系統為例，考慮到除氧器液位自身無自衡能力特性，且除了凝水泵的控制信號外，鍋爐給水流量和凝水泵出口壓力都對除氧器液位高度有較明顯的影響，采用以凝結水泵出口壓力作為串級副變量，保證在凝水側壓力變化下快速抑制擾動；鍋爐給水流量引入前饋補償控制，以提前消除鍋爐給水側的擾動。設計了如圖3所示的除氧器液位串級三沖量調節控制策略，該控制策略也與目前超超臨界機組實際主控制策略相一致。

3.4 操作域組態設計

通過監控組態軟件(VFHMICfg)進行操作域中監控運行所需相關組態，包括配置操作小組以及配置域變量、監控用戶授權、歷史趨勢、自定義報警分組、面板權限、報警擱置、工況管理、規程管理等；并且設計包括總貌畫面、一覽畫面、分組畫面、趨勢畫面、流程圖、報警面板、報警聲音、操作指導、位號關聯流程圖、位號關聯趨勢畫面等操作界面。應將操作域需進行監控的相關輸入輸出參數的位號與實際輸入輸出點的位號相吻合，保證聯系到控制域中的對應位號。其中設計的汽水流程操作界面圖如圖4所示。

圖3 除氧器液位串級三沖量控制策略

圖4 半實物仿真平臺汽水系統操作界面組態圖

4 火電機組半實物仿真平臺監控系統實施效果

在完成所有的控制域和操作域的組態設計后，將相關監控程序編譯、下載至控制器，并通過網絡發布控制域與操作域程序。操作員站啟動監控組態軟件后，在流程圖界面將機組汽水系統水循環回路上的調節閥和電動泵依次打開，待除氧器液位穩定后，打開除氧器的副調節由手動切為串級自動，將主調節由手動切為自動，修改SV即除氧器液位設定值，由圖5所示的除氧器液位實時曲線圖可知，采用串級三沖量控制的除氧器液位能較快速地穩定在設定值，該監控系統能夠達到預期的控制效果。

圖5 除氧器液位串級三沖量調節效果圖

注：圖中藍色線為除氧器水位設定值；橘色線為除氧器液位實時值；綠色線為除氧器液位主調節閥輸出值

5 結 語

超超臨界半實物仿真平臺是以電力生產工藝中主流的超超臨界火電機組為模板設計研制的，部分工藝流程也采用實際的工質，平臺上所有儀表、執行器、控制器皆使用與工業現場一致的設備，包括有傳統的模擬量和開關量通道以及先進的各類現場總線通道?？刂破骱涂刂葡到y選用國產先進DCS系統，并可以在各系統間切換。文中介紹了如何利用ECS-700 DCS設計針對該平臺的監控系統，本監控系統的設計就是在學生的課程設計和畢業設計等各項實踐類活動中不斷完善成形的。該監控系統在實際的半實物仿真平臺上能夠穩定運行，且控制效果符合設計預期。通過在本半實物仿真平臺上進行的相關實踐類學習、操作，以及深入的設計工作，進一步開發了平臺的相關功能，同時也提高了學生的實踐能力和研究開發能力，為自動化專業更好培養懂技術、能應用、能創新的人才奠定了扎實的基礎。