激励式仿真系统一机多模功能的设计与实现
操高城;董泽;宋云燕;张悦
【摘 要】上位机软件开发培训The multi-model function was widely used to increase the utilization rate of simulation training system (STS). Based on the function the efficiency of STS in thermal power plant will be greatly improved, so it has become the essential function in thermal power unit training systems. The multi-model simulation system of domestic power plants was introduced. The structures of simulation systems in stimulation mode and traditional mode were analyzed, as well as the similarities and differences of multi-model functions between them. Relying on the stimulation mode simulation support system, which was based on virtual DCS, and was independently researched and developed, the real-time database was constructed. The database was used for the design of some sub-functions such as multi-model data management, simulation task scheduling and model control in the Windows platform. Finally an example of a triple model simulation system was realized.%一机多模功能是提高仿真培训系统利用率的有效方法之一,能大大提高火电机组仿真培训的效率,已经成为火
电机组仿真系统设计过程中的必备功能之一.在分析了国内火电机组一机多模仿真系统的基础上,以火电机组激励式仿真系统为对象,阐述了不同体系结构下一机多模功能需求的异同.以自主研发的基于虚拟DCS(分散控制系统)的激励式火电机组仿真支撑系统为依托,构建实时数据库进行多模型数据管理、多仿真任务调度和模型控制等子功能的设计,并在Windows平台中实现了一机多模功能,最后给出了一机三模的仿真系统实例.
【期刊名称】《中国电力》
【年(卷),期】2012(045)003
【总页数】4页(P47-50)
【关键词】虚拟DCS;激励式仿真系统;一机多模;共享内存
【作 者】操高城;董泽;宋云燕;张悦
【作者单位】山西电力职业技术学院,山西太原030021;河北省发电过程仿真与优化控制工程技术研究中心(华北电力大学),河北保定071003;河北省发电过程仿真与优化控制工程技术研
究中心(华北电力大学),河北保定071003;河北省发电过程仿真与优化控制工程技术研究中心(华北电力大学),河北保定071003
【正文语种】中 文
【中图分类】TP391.9;TK323
自1958年世界上第1台由电子管模拟机构成的火电站仿真器问世至今，已有50多年的历史，随着计算机和科学技术的发展，从仿真系统的功能到其应用都有了飞跃变化［1］。就仿真系统的功能而言，不仅需要满足培训现场运行人员（包括机、炉、电、控等）的需求，更需要满足一系列科学研究的需求，如对控制系统出厂前进行功能测试、对运行中的机组进行控制策略优化、对机组改造的方案进行可行性仿真验证等。这就需要仿真系统能够在仿真模型和控制系统两方面都能精确地模拟实际运行，而这些需求往往是并行的，这对仿真系统软、硬件结构的设计提出了很高的要求，国内也出现了一些简单形式的一机多模仿真系统，如华东电培中心某300 MW仿真系统［2］，针对2套引进型300 MW机组使用通用的盘台，通过仿真模型和控制系统的大范围修改，实现了一机多模功能；国华仿真培训中心的500 MW/800 MW一机多模仿真系统实现了对不同机组分别仿真［3］，搭建了物理上独立的一机
多模仿真系统。上述仿真系统尽管实现了一机多模的功能，但是在经济性和便捷性上略有欠缺，为此在自主研发的基于虚拟DCS的激励式仿真系统［］的基础上进行了一机多模功能的设计与实现。
激励式仿真系统保留了现场分散控制系统的全部功能，只是将分散控制系统通过I/O接口与仿真模型相连，可在仿真机上方便地进行控制算法分析研究及改进工作，激励软件和硬件很容易做到与实际电厂始终保持一致。国际上20世纪70年代就实现了激励式仿真系统技术，随着计算机软、硬件技术的发展，如今激励式仿真系统的结构也有了重大的改变。
香港青山发电厂350 MW燃煤机组仿真训练器激励式仿真系统结构如图1［5］所示。青山发电厂350 MW燃煤机组的仿真系统构建于20世纪80年代初，受制于当时的计算机技术，运行监控系统和机组数学模型的计算只能采用小型计算机来完成。该系统采用2台SEL32/77小型机完成机炉电的数学模型计算任务，通过接口机LSI11与监控系统的数学模型进行通信、减轻模型机中央处理器（CPU）的负担，并依靠过程控制接口柜CAMAC（计算机辅助测量和控制系统）与控制室完成数据交换。整个仿真系统的软、硬件成本在当时是相当巨大的，若再需要完成一机多模的任务需要投入更多经济成本。
随着计算机处理能力的提升和成本的不断下降，使用PC机就可以满足大型火电机组仿真系统的需求。基于虚拟DCS（分散控制系统）的激励式仿真系统结构如图2所示，自主研发的STS（仿真培训系统）采用与实际现场生产过程相一致的布局，采用普通PC机作为DCS上位机，仿真实际分散控制系统的工程师站、操作员站、历史站等，使用虚拟DPU（分散处理单元）还原现场控制站的全部功能，将下位QNX或VxWorks等嵌入式操作系统中的DPU程序移植到Windows操作系统中，并保证了下装文件的一致性、便于后期维护与升级。数据通信上，基于TCP/IP协议，减少了使用硬接线带来的成本，并开发了实时数据通讯软件（DataCom）来模拟现场I/O卡件的数据传输功能。最后使用1台高性能服务器完成仿真模型站的运算和通讯任务。与传统的激励式仿真系统相比，基于虚拟DCS的激励式仿真系统在开发一机多模功能的优势方面更为显著，不仅设备与开发成本大大下降，同时面向对象设计思想的出现使得仿真系统在应对需求变化时变得驾轻就熟。
传统的仿真系统是基于单元机组的，1套控制系统对应1套仿真模型，在仿真培训中仅能针对1个班组开展仿真训练，是队列式的培训模式，若要开展分组培训需要在软、硬件上复制多套仿真系统，而当仿真模型发生变化时需要做相应的更新。于是，许多开发仿真系统的专家学者进行了潜心钻研，提出了“一机多模”的概念。
所谓“一机多模”是在使用硬件尽可能少的基础上，通过软件升级，使得仿真系统能够同时容纳针对多个机组的仿真培训。如在进行300 MW亚临界和600 MW超临界2台火电机组（分别称为A、B组）仿真培训时，教练员对仿真模型进行集中控制（包括模型调度、初始状态投入、故障设置、加速减速等），A、B 2组学员各自完成所属的培训任务。如今，一机多模的概念已经进行了多方面的拓展，首先在于需要满足多组培训学员同时针对某一机组进行仿真训练，各组仿真模型所处初始状态可由教练员任意选择；其次一机多模不仅仅要满足培训需求，还应同时容纳控制系统策略优化、机组改造前仿真实验的需求，为此在不改变虚拟DCS结构的基础上对仿真支撑系统进行部分升级，以满足上述各项需求。
仿真支撑系统是基于面向对象设计思想开发完成的，拥有图形化建模环境、算法编辑器、模型运算引擎和实时通讯软件。仿真模型的开发流程由以下几部分组成：（1）仿真算法的编制与定义，模型工程师在前期应完成算法输入、输出、常系数个数、算法类型、描述等信息的定义工作，编制针对各种现场设备（包括锅炉、汽机、电气等系统的一次设备）的仿真算法，并将算法封装为制定函数接口的动态连接库；（2）模块化建模，模型工程师选择1个或1组模块进行子系统的搭建，以搭积木的方式完成子系统的建模与故障调试，最终将各子系统合并为1个完整的机组仿真模型；（3）生成对点文件，根据实际DCS数据库中的硬点点名
与仿真模型中的点名一一对应，编制对点文件；（4）仿真系统联调，通过实时通信软件将仿真模型与虚拟DCS进行连接，进一步进行仿真模型和控制系统模型的联调；（5）运行仿真模型，联调完毕的仿真系统即可投入仿真培训。
在仿真支撑系统中添加一机多模功能时如图3所示。为了不改变原有的建模与调试方式，设计了一个独立的供教练员管理平台——模型控制台。
2.1 内存数据库管理
内存数据库是整个一机多模功能的数据中心，它存放包括仿真任务、仿真工程、模块、仿真算法和辅助数据在内的数据区域，仿真模型运算时需要保证实时通信软件和模型运算引擎等应用程序对数据库内容进行实时访问（一般都是毫秒级），为此基于Windows系统的内存映射文件机制设计了基于共享内存的实时数据库，从而满足了多进程间通信与数据共享。从使用者的角度看，数据共享方法是通过让2个或多个进程映射同一文件映射对象的视图来实现的，这意味着他们将共享磁盘上同一文件或者物理存储器的同一页面。因此，当一个进程将数据写入一个共享文件映射对象的视图时，其他进程可以立即看到它们视图中的数据变更情况。通过上述操作，用户操作文件就能够达到操作内存一样的效率，多个进程操作该映射文
件实现进程间内存一级的高速数据交互［6］。

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