火电机组半实物仿真平台监控系统设计与实现

0 引 言

半实物仿真也称硬件在回路仿真(Hardware In The Loop Simulation，HILS)，是将数学模型、实体模型和系统的实际设备联系在一起进行运行的仿真系统[1-2]。与纯计算机软件仿真相比，半实物仿真是一种更接近实际的仿真试验技术[3]，具有有效性、可重复性、经济性、安全性等诸多优点[4-5]。随着计算机控制技术的不断发展和集成度的提高，基于半实物仿真系统的方案在航空航天、武器设计、机械制造、电力等各个领域得到了越来越广泛的应用[6-7]，在连续型流程生产工业也有越来越多的应用案例[8-11]。近年来在高校的学科平台建设与实验领域，半实物仿真系统因其科学性和先进性，能够激发学生学习兴趣[12]，提高创新意识和实践能力[13-14]，也越来越得到重视[15-18]。

本文针对电力生产的主要企业——火力发电厂，研制了一套超超临界火力发电机组的半实物仿真平台，帮助学生直观理解和掌握现代化火力发电厂的生产工艺流程，针对其中的分散控制系统(Distributed Control System,DCS)进行逻辑组态和控制操作。通过半实物仿真平台，增加学生操作和体验的机会，将理论学习和实际工程技术紧密联系，提高解决问题的能力，为今后走上工作岗位打下坚实基础[19-21]。

1 超超临界火电机组半实物仿真平台

火电机组半实物仿真平台是以目前典型的超超临界火力发电装置为基础，机械设备按一定比例缩小，工艺流程适当简化，仪表和执行器采用实际设备运行，整个装置有一定的工程化概念。平台实物如图1所示。

图1 半实物仿真平台实体图

整个平台系统由机械设备、动力设备、检测仪表、执行机构、辅助系统等组成。其中机械设备按实际超超临界燃煤机组的工艺流程设计，总体可以分为汽水流程和风烟流程两大类。其中汽水流程的主要设备有凝汽器V101、热井V102、精处理装置V103、轴封加热器V104、低压加热器V105、除氧器V106、高压加热器V108、省煤器V109、汽水分离器V110、锅炉V113、汽轮机组V115；风烟流程的主要设备有锅炉系统延伸的除尘器V118、脱硫塔V119、烟囱V120等设备。动力设备包括了给水泵P101、P102，凝水泵P103、P104，锅炉启动疏水泵P105，送风机C101、C102，一次风机C103、C104，引风机C105、C106、电加热器HV101等。检测仪表包括了基于4～20 mA模拟量的锅炉给水流量传感器，Pt100热电阻温度传感器(检测凝汽器温度、凝水泵母管出口温度、给水泵母管出口温度、汽水分离器入口温度等)，基于PROFIBUS现场总线的除氧器液位调节阀阀位反馈、凝结水泵出口压力、给水泵出口压力、分离器储水罐液位等仪表，基于FF现场总线的除氧器液位、凝汽器热井液位、疏水扩容器液位仪表，基于HART现场总线的锅炉给水流量、凝汽器温度、锅炉给水调节、疏水扩容器液位调节、储水罐液位调节等仪表，基于MODBUS现场总线的给水泵和凝水泵变频调节等仪表。半实物仿真平台汽水系统相关的工艺与仪表流程图如图2所示。

图2 半实物仿真平台的汽水工艺与仪表流程图

整个半实物仿真平台的对象设备与控制装置分离设计，控制装置可采用主流的DCS系统或其他类型控制系统进行控制。目前本平台采用了ECS-700和SUPMAX两套DCS系统，并且可以进行DCS系统的自主切换。

平台的工业过程是对实际电力生产过程的部分简化，检测和控制仪表采用了目前国内外主流的先进仪表与控制系统。作为高校的研究与实验平台，可以让学生了解现场设备状况，掌握运用与现场紧密联系的仪表设备与控制系统，将理论学习与实际工程技术相联系，提高学生综合应用的能力。

2 ECS-700控制系统的特点

本半实物仿真平台的监控系统可以在主流的DCS或其他流程工业中常见的控制系统上进行开发。ECS-700是国产DCS的典型，具有高可靠性、高开放性、高扩展性、物美价廉等优点，在国内的化工、电力、石油、冶金等各类流程生产领域有着广泛的实际应用，其具体特点包括[22-23]：

(1) 采用全冗余系统结构包括供电系统、通信网络、控制站等，使用高可靠性部件及信息安全设计，保证系统连续正常运行，提高了系统的可靠性。

(2) 系统的硬件模块抗环境干扰能力较强，能够实现不停车更换硬件；控制器具有一定的防病毒能力，提高了系统的安全等级。

(3) 可以无缝整合PROFIBUS、FF、HART、EPA等国际标准现场总线，在统一的设备管理平台上管理多种现场总线设备，且支持在线升级和扩容，便于调试、管理、维护、扩展。

(4) 组态软件包括硬件组态、位号组态、软件组态，国产组态软件的全汉化界面对用户友好。其中的用户程序设计包含众多常用的功能块如手操器、PID、FF标准和滤波等模块，还可以用户自定义模块，方便完成整个系统的控制策略设计。

3 ECS-700半实物仿真平台监控系统设计

本平台上的ECS-700控制系统由控制节点、操作节点、系统网络等构成。相关组态功能由系统结构、组态管理、硬件、位号、控制方案和监控等组态软件实现。

在超超临界火电机组半实物仿真平台上利用ECS-700进行监控系统的组态，主要包括了控制域组态和操作域组态两部分。其中控制域组态主要完成硬件配置、位号配置以及程序的编写等，即把系统内部的结构和关系在控制域中体现出来并且整理清楚。操作域组态主要完成监控画面和流程图的组态，并且在流程图中将位号与流程中的各种数据点关联起来，这样一来控制域和操作域就可以关联在一起，在操作域中进行相关操作就可以通过控制域在控制器以及现场设备间进行信号传输，实现对系统的控制。

下面以半实物仿真平台中汽水系统的组态设计为例，说明本平台上的监控系统组态设计过程和实施效果。

3.1 ECS-700控制系统整体结构和配置

半实物仿真平台组态设计首先需要配置控制系统的整体结构以及控制器参数，包括了ECS-700系统的控制域、操作域和通信网络等。

控制域包括了冗余配置的控制器FCU712，模拟量输入模块AI711_S11、支持HART总线的模拟量输入模块AI711-H11、热电偶输入模块AI722、热电阻输入模块AI731、模拟量输出模块AO711-S11、支持HART总线的模拟量输出模块AO711-H11、开关量输入模块DI716、开关量输出模块DO711，以及支持FF现场总线的I/O模块AM712-S、支持MODBUS/TCP的以太网通信模块COM742、支持MODBUS-RTU的串行通信模块COM741、支持PROFIBUS主站通信模块COM722。

操作域包括了1台组态服务器、1台工程师站、8台操作员站。通信网络采用总线型双网容冗余的高速工业以太网，其集线器采用冗余配置的SUP-5117。

需要通过系统结构组态软件(VFSysBuilder)搭建出上述系统的整体结构框架，并配置工程师组及其权限，以及操作域、控制域、包括对应的控制器总体参数。

3.2 控制域通信组态设计

配置好系统整体结构后则应进行控制域组态，即需通过组态管理软件(VFExplorer)进行硬件的通信通道配置、位号组态配置等。根据控制域的设备状况本工程需要配置的通信模块有COM701-S虚拟I/O连接模块、COM741-S串行通信模块、COM742-S以太网通信模块、COM722-S PROFIBUS主站通信模块、AM712-S FF现场总线通信模块等。其中COM701-S虚拟连接模块负责4～20 mA模拟量输入输出、开关量输入输出、热电偶输入、热电阻输入、满足HART总线协议的I/O通信。COM741-S串行通信模块能够将满足标准MODBUS-RTU协议的第三方设备(串行异构设备)通过扩展I/O总线接入系统。COM742-S以太网通信模块主要负责MODBUS以及满足TCP协议的以太网通信的I/O通道。COM722-S作为PROFIBUS-DP的主站接口，用于将标准PROFIBUS-DP从站设备接入ECS-700系统，也可以通过耦合器和链接器接入PROFIBUS-PA设备。AM712-S模块是FF现场总线仪表与ECS-700控制系统间的通信接口模块。

除AM712-S通信模块需利用FF组态软件(VFFFBuilder)配置外，其余通信模块应通过硬件组态软件(VFIObuilder)配置。配置时需要注意机架的正确配置，并且应按模块物理地址逐一配置各个通信模块参数。

在进行了通信模块的配置之后，应通过位号组态软件(VFTAGBuilder)来配置所有的输入输出设备以及相关通信模块的位号，包括位号名称、类型、描述、量程上下限、信号类型、地址等属性。

3.3 控制域的功能块和程序组态

半实物仿真平台系统的控制需要利用控制程序进行，控制程序以顺序执行为主，执行周期为200 ms。对应的控制方案组态软件(VFFBDBuilder)能够完成控制程序的组态，该软件能够提供功能块图(FBD)、梯形图、ST语言等编程方式，并具有在线调试、位号智能输入、图形缩放等功能。其中FBD功能块中除了常见的系统功能块外，还包括Smith预估器、模糊控制、预测控制、自整定PID等先进控制的功能块。同时也可以根据需要自己采用ST语言、SFC语言编写用户自定义的功能块逻辑，或者自己采用VBscript脚本语言编辑流程图脚本。

本工程中采用了FBD这种常用的控制组态方式，通过调用FBD库中的FBD模块并按要求进行信号连接，来实现对系统控制程序的编写。

以本半实物仿真平台中汽水系统的除氧器液位控制系统为例，考虑到除氧器液位自身无自衡能力特性，且除了凝水泵的控制信号外，锅炉给水流量和凝水泵出口压力都对除氧器液位高度有较明显的影响，采用以凝结水泵出口压力作为串级副变量，保证在凝水侧压力变化下快速抑制扰动；锅炉给水流量引入前馈补偿控制，以提前消除锅炉给水侧的扰动。设计了如图3所示的除氧器液位串级三冲量调节控制策略，该控制策略也与目前超超临界机组实际主控制策略相一致。

3.4 操作域组态设计

通过监控组态软件(VFHMICfg)进行操作域中监控运行所需相关组态，包括配置操作小组以及配置域变量、监控用户授权、历史趋势、自定义报警分组、面板权限、报警搁置、工况管理、规程管理等；并且设计包括总貌画面、一览画面、分组画面、趋势画面、流程图、报警面板、报警声音、操作指导、位号关联流程图、位号关联趋势画面等操作界面。应将操作域需进行监控的相关输入输出参数的位号与实际输入输出点的位号相吻合，保证联系到控制域中的对应位号。其中设计的汽水流程操作界面图如图4所示。

图3 除氧器液位串级三冲量控制策略

图4 半实物仿真平台汽水系统操作界面组态图

4 火电机组半实物仿真平台监控系统实施效果

在完成所有的控制域和操作域的组态设计后，将相关监控程序编译、下载至控制器，并通过网络发布控制域与操作域程序。操作员站启动监控组态软件后，在流程图界面将机组汽水系统水循环回路上的调节阀和电动泵依次打开，待除氧器液位稳定后，打开除氧器的副调节由手动切为串级自动，将主调节由手动切为自动，修改SV即除氧器液位设定值，由图5所示的除氧器液位实时曲线图可知，采用串级三冲量控制的除氧器液位能较快速地稳定在设定值，该监控系统能够达到预期的控制效果。

图5 除氧器液位串级三冲量调节效果图

注：图中蓝色线为除氧器水位设定值；橘色线为除氧器液位实时值；绿色线为除氧器液位主调节阀输出值

5 结 语

超超临界半实物仿真平台是以电力生产工艺中主流的超超临界火电机组为模板设计研制的，部分工艺流程也采用实际的工质，平台上所有仪表、执行器、控制器皆使用与工业现场一致的设备，包括有传统的模拟量和开关量通道以及先进的各类现场总线通道。控制器和控制系统选用国产先进DCS系统，并可以在各系统间切换。文中介绍了如何利用ECS-700 DCS设计针对该平台的监控系统，本监控系统的设计就是在学生的课程设计和毕业设计等各项实践类活动中不断完善成形的。该监控系统在实际的半实物仿真平台上能够稳定运行，且控制效果符合设计预期。通过在本半实物仿真平台上进行的相关实践类学习、操作，以及深入的设计工作，进一步开发了平台的相关功能，同时也提高了学生的实践能力和研究开发能力，为自动化专业更好培养懂技术、能应用、能创新的人才奠定了扎实的基础。