关键词：智能 热控 仿真 实训系统
1.引言
随着我国电力工业的不断发展及科学技术的进步，发电机组运行的稳定性及可靠性虽然得到了大大提高，但是因设备可靠性差和生产人员技能水平未能及时提高引起的故障仍很多。在华能集团公司最近三年的非停统计中，热工原因导致的机组非停占总非停次数超过21.7%。热工原因发生的各种故障中，DCS系统故障占比20%，主保护系统故障占比30%，其他设备及人为原因导致停机的占比50%。从这些问题中能反映出设备和人员技能水平低等方面存在的隐患。无论是设备问题、系统问题还是逻辑问题的隐患排查，分析处理，归结到一点，都需要一批具备热工专业知识及一定现场能力的生产技能人员，而这恰恰也是目前的短板。随着热工技术快速发展，DCS在电站控制的重要性不断提升，出现了热控人员水平和素质滞后的现象。分析主要原因如下：1)电厂各类控制系统控制策略主要由设备厂家、设计院和DCS厂家设计，热控人员参与程度不够，对控制系统逻辑理解不深入。2) DCS组态调试主要由DCS厂家和中试所完成，热控人员不是调试主体，对组态熟悉度差。3)机组正常投运后，为了确保机组安全稳定运行，热控人员一般不会进行DCS组态的修改、优化和整定，组态实操方面的锻炼机会较少。4)机组停运时，大部分系统设备处于停运状态，热控人员无法进行DCS组态方面的调试和整定。5)现场DCS组态的调整和验证，需要耗费大量人力和物力，而且存在很大的安全风险。6)在机组停运期间开展现场热控设备的实操培训，要确保设备不损坏和事后不留隐患，需要完善的安全和技术保障措施，实施难度较大，且不宜大量人员集中在现场培训。传统火电厂师带徒培养人才模式的缺点是在生产现场出于安全考虑，实操机会少，出徒时间长，培养技能人才数量有限。因此热控人员实操培训一直缺乏有效的手段。
目前很多行业，尤其是生产密集型行业都针对本行业开发出仿真培训系统用于一线人员的技能培训。所以，为了尽快提高人员技能水平，补齐短板，建设一套适合于热控人员并以DCS软硬件培训为重点的热控仿真实训系统迫在眉睫。该仿真系统将DCS组态软件与仿真系统模型对象有机结合，能够仿真火电厂复杂的闭环系统，同时具有设备安装调校和故障分析处理功能，将有效解决热工人员实操技能和系统故障诊断培训问题，大大提高热工人员的培训效率，并有效降低培训成本和规避现场实操培训风险。
2.热控仿真实训系统网络结构
淮阴热控实训室现有最小配置真实DCS共计13套,分别是艾默生 Ovation 4套、ABB SYMPHONY 3套、GE新华XDPS400+ 6套，预留今后扩展西门子T3000 2套，规模是15个操作站的DCS培训工位。为了充分利用现有DCS资源，实训室新购上海新华公司最新NETPAC DCS控制系统和SIMEX-6.0激励式虚拟仿真系统及300MW火电机组通用仿真模型。通过NETPAC DCS控制系统的联接，将各种实训设备、仿真模型和各类真实DCS有机结合构成一个完整的网络，利用该网络，开展热控实训，达到不少于15人同时培训的规模。淮阴热控仿真实训系统网络结构图如图1所示。
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图1 淮阴热控仿真实训系统网络结构图
该仿真实训网络硬件的核心是上海新华NETPAC DCS 3个控制柜和各类最小配置真实DCS系统。#1、#2集控室之间控制系统通过光纤组成A、B、C三个网络，其中C网连接所有36个工作站，主要作用是实现各类实操考题资料由工程师站下发和各站点考试结果上传，A、B网是NETPAC DCS冗余实时控制网。NETPAC DCS中#1信号采集控制柜布置在#2集控室专门用于对各类实训设备的信号采集及控制，仿真操作站FZ1-FZ15可同时显示所有实训设备。
3.热控实训设备系统
热控实训设备系统具有硬仿真的特点，其目的是为了在一个较小的空间里安全布置和仿真再现生产现场真实系统和设备，让实训人员直观了解控制变化过程，并亲自动手，实际安装、调试热控设备，查找分析处理故障，达到实操、实训目的。仿真实训设备的详细设计、研发、生产要依托设备生产厂家和电力专业高校。为了提高热工三个工种培训规范中II、III级实操培训模块的培训覆盖率，需要在实训室设计、安装、调试尽可能多的有效实训设备。淮阴热控实训室现有主要实训设备如下。
3.1 水箱集成系统
水箱集成系统实训装置是结合热工仪表专业课程设计，集成了生产现场常用的典型热工传感器及仪表，功能丰富强大。在设计思想上，以实际操作技能为主，将相关的专业理论知识与实际操作技能有机地融为一体，具有明显的实训特征。
本实训装置主要用于热工测量与仪表工种中常规仪表的实操培训。实现常用转速、液位、压力、流量、温度等安装和调试类操作的技能实训和考核。实训装置中配备有各类传感器，所有传感器和动力设备输入输出信号通过控制箱转接至DCS信号采集柜。系统结构流程图如图2所示
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图2 水箱集成系统结构流程图
本水箱集成系统主要由液位水箱、加热锅炉、各类检测装置、执行器、二套水路动力系统组成。可在DCS中实现单回路控制系统、串级控制系统、比值系统、前馈-反馈控制系统实训项目。
3.2 高级过程控制对象实训装置
高级过程控制对象系统是热控人员学习高级过程控制相关理论、培训过程控制实验的仿真实训装置。培训师和学员可在装置提供的硬件平台上，利用DCS组态，自行设计和拓展各类实操培训项目。实训装置能实现包括温度、压力、流量、液位定值调节系统，以及比值、串级、前馈等复杂调节系统的实验及培训功能。
高级过程控制对象实训装置主要用于自动调节工种的实操培训。主要由被控对象、检测装置和执行机构三大部分组成。供水系统有两路：一路由增压泵、电动调节阀、电磁阀、流量计1及管道和阀门组成；另一路由变频器、磁力泵（220V变频调速）、压力变送器、流量计2及管道和阀门组成。被控对象由不锈钢储水箱、三个水箱、电加热模拟锅炉、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。高级过程控制对象实训装置总体框图如图3。
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图3 高级过程控制对象实训装置总体框图
该实训装置主要特点是执行器中既有电动调节阀类执行机构，又有变频器类执行机构。装置除了改变调节器的设定值作阶跃扰动外，还可在对象中通过电磁阀和手操阀制造各种扰动。一个被调参数用不同动力源、不同的执行器、不同的工艺线路下可演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。通过对对象系统进行不同的组合，结合不同的培训目的，可开发几十种过程控制实操题。
3.3 TSI实训装置
TSI系统实训装置主要用于热工程控保护工种的实操培训。装置系统由一套最小典型配置的TSI系统和与其配套的校验装置两部分组成。TSI系统采用独立机柜，实训装置的模拟量和开关量输出信号进入仿真DCS系统。校验装置是一套基于计算机软件的TSI数字校验系统，采用了虚拟仪器技术，与TSI实训装置配套使用，实现对TSI 监控卡件、振动、位移传感器以及TSI框架仪表的校验和检测功能。利用该校验装置可以开展TSI系统探头安装，系统检修、维护及校验等实操培训。采用计算机通讯手段，将机组仿真模型对象中各类振动、位移、转速等动态信号送校验系统，实现培训传感器实时动态显示，在此仿真环境下开发TSI类实操考题。这些考题可用于TSI系统故障处理，系统故障诊断及预防等模块的实操培训。
4.智能信号转接控制
如何在各类最小配置真实DCS中用有限的IO硬件通道显示、操作上述各类实训设备则采用了一种信号转接方式。NETPAC DCS中#2、#3信号转接柜布置在#1集控室用于信号智能转接控制，负责将实训设备及仿真模型的输入、输出和15套最小配置真实DCS输入、输出通道相联接。每套最小配置真实DCS 48个IO通道（DI16、DO16、AI8、AO8）和信号转接柜IO通道信号类型互反，一一对应通过硬接线联接。信号转接柜每48个IO通道具体信号内容由NETPAC DCS组态动态定义，各真实DCS系统48个IO通道同一时刻可以接受相同的组态定义，也可以接受不同的组态定义，用于显示控制各种培训对象，具有灵活性。但是，任何时刻对仿真系统中的同一实训设备和仿真模型的操作，只允许有一个操作站具有操作权限，即授权分时操作。通过DCS预先组态设计实现多套实训设备在多套真实DCS中智能切换显示和操控，最大限度利用培训资源。实训设备如何通过智能信号转接柜和真实DCS相联，以水箱集成系统实训设备为例说明，如图5所示。
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图5 智能信号转接柜工作示意图
图5中集成水箱水位和温度等实时信号经#1采集柜进入DPU1并上网，DPU2将信号下载，根据IO点表类型组态定义水箱水位和温度为AO，通过已预先设计接好的硬接线送到OVATION #1CPU、#2CPU等AI通道，这样通过组态在OVATION #1、#2操作站上可实时显示水箱水位和温度。水箱实时信号送哪些真实DCS，同一时刻哪套DCS可以操作水箱，操作时间多长，由NETPAC DCS工程师站预先做好控制画面，由培训老师选择控制。工程师站智能信号转接实操控制台画面设计如图6所示。
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如图6 工程师站智能信号转接实操控制台画面
如图6所示，控制台画面左侧为所有实训对象，包括虚实结合的仿真模型对象，这些对象的实时信息均可在工程师站和仿真操作站上显示，可显示用红色圆圈表示。但这些实训对象如果要在哪些最小配置真实DCS操作站上显示和操作，则必须由控制台选择，以实现实时信号的转接。水箱集成系统实时信息可以选择任一操作站送显，用红色圆圈表示选中，但OVATION1操作站选择了水箱集成系统，就不能再选择其他实训对象。任何时刻对仿真系统中的同一实训对象和仿真对象的操作，只允许有一个操作站具有操作权限。水箱集成系统当前选中了OVATION1操作站操作，分配操作时长10分钟，均在画面显示，用红色圆圈的闪烁表示当前水箱集成系统正被OV1站操作。所有选择、互斥和计时均通过DCS组态完成，实现人工选择，智能信号转接、授权分时操作。
5.仿真模型实训系统
淮阴热控仿真实训系统网络软件的核心是上海新华SIMEX-6.0仿真系统及开发的各类热控仿真模型实训系统。仿真专家系统SIMEX-6.0是SIMPANEL-5.0的升级版本，与第五代相比，第六代仿真技术SIMEX-6.0在虚拟DPU技术的基础上发展出虚拟DCS技术，即不仅通过虚拟DPU将实际热工控制的逻辑与参数整体应用到仿真机上来，而且将对象模型的构建、信息系统参数处理、热工逻辑与参数的优化整定、机组性能的分析与诊断、机组运行方式的优化等等技术全部根植到虚拟DPU上来，从而将上述高级拓展功能转变为DCS的重要组成部分，成为虚拟DCS，从而将仿真、控制、信息、优化等机组运行的综合方面完整地统一起来。
SIMEX-6.0仿真系统提供了火电厂的各种对象子模型供选用，在建模工程师站上可以对模型进行选用和调取。仿真系统采用数学模型来模拟火电厂各种闭环控制对象，如燃烧系统、风烟系统、汽水系统等，将火电厂的生产过程划分为许多子对象，这样有利于针对某特定对象进行热工仿真控制。热工模型仿真可以分纯仿真和虚实结合仿真两种。纯仿真可以从整台机组的通用仿真模型中截取典型子系统，也可以根据培训需要新开发特定的仿真模型。虚实结合仿真是本仿真实训系统的重点和难点。为了最大限度发挥各类实训设备的培训功能，得到较好的实操体验，提高系统的可扩展性，本仿真实训系统开发出一种基于虚实结合的热控仿真系统，由真实设备驱动虚拟模型对象控制。
一个简单的虚实结合仿真模型实训系统示例见图7，图中的真实设备，例如电动或气动执行机构，可以用来开展执行机构调校、DCS IO卡件配置接线、组态和远程调试等实操培训。
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图7 实训设备和仿真模型相结合的简单水箱水位控制系统
如图7所示，在工程师站建模系统中建立一个简单的水箱仿真模型系统。该仿真模型包括了进水调节阀、水箱、出口电动放水阀及相关管道。通过I O接口和信号转接柜及组态通讯，仿真模型可以接收真实执行器所在DPU的控制指令及反馈，例如进水调节阀的开度指令，从而对虚拟水箱的水位产生影响，并可以通过一定的控制策略控制水箱的水位。这样就实现了真实设备和虚拟仿真模型系统的藕合，因此就地或远程对真实的进水调节阀的开和关及阀门故障等的操作就会影响到虚拟水箱仿真模型中的水位。表面上看到的是一个孤立的阀门，实际上该阀可以设计为一个仿真热力系统中的关键设备。通过这种方式，可以将孤立的热工培训设备有机的整合在一起，并与各种热力仿真系统结合起来，实现了真实设备和热力仿真系统的藕合。
热控仿真实训系统数据流程，如图8。
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图 8 热控实训仿真系统数据流程图
由图7和图8结合起来说明软件系统工作流程。本实训系统软件主要由NETPAC和其他各类真实 DCS控制软件、操作站显示软件、SIMEX-6.0仿真模型软件构成。实时生产数据通过网闸实现单向通讯，从现场的生产数据向本装置单向流动，实现了生产数据的实时显示和回放功能，可用于现场事故诊断和生产数据分析优化。在最小配置DCS控制系统中，DPU与实训操作站之间双向数据通讯，DPU采集到的数据送到操作站实时画面显示，亦可以通过操作站实时画面向DPU发送操作指令。仿真模型软件与最小配置DCS控制系统中DPU之间需通过NETPAC DPU过渡实现双向通信，最小配置DCS控制系统中DPU的设备操作指令，例如:执行器阀位指令，首先通过硬接线传到信号转接柜DPU中，由转接柜DPU通过组态通讯送至模型软件，模型软件经过运算后将设备状态发送到转接柜DPU，转接柜DPU再通过硬接线将信号送最小配置DCS中DPU后，再送操作站显示阀门位置以及水箱水位等。现场实际真实设备，例如:电动调节阀等与最小配置DCS中DPU进行双向通讯，通过信号线和IO端子接收DPU控制指令，并反馈状态至DPU，这样仿真模型中同步建有的实际设备的虚拟仿真对象就和实训的实际设备之间的状态实现同步，从而实现实际对象和虚拟仿真系统之间的藕合。
6.结论
在本热控仿真实训系统网络平台上，通过智能信号转接技术，将大量单个实训设备及不断开发的虚实结合的仿真实训模型和各类最小配置的真实DCS系统有机联接，使得系统具有很强的实训特点和非常广泛的可扩展性，在热控实操培训方面有着良好的应用前景。
参考文献：
1.杨明花. 一种热控实训仿真装置的研发 <仪器仪表用户>. 2017年6月第24卷第6期.
作者简介：王 军 男 高级工程师 54岁 华能淮阴电厂检修部主管
张波涛 男 工程师 48岁 华能淮阴电厂实训基地热控培训专工
论文作者:王军
论文发表刊物:《中国电业》2019年9月18期
论文发表时间:2020/1/14
标签：实训论文; 系统论文; 设备论文; 水箱论文; 组态论文; 模型论文; 操作论文; 《中国电业》2019年9月18期论文;