某电厂热工模拟仿真平台简介

孟 杰

（晋能控股电力集团朔州热电有限公司，山西 朔州 036000）

随着分散控制系统（DCS）在火电厂的广泛应用，对电厂自动化水平的要求越来越高，对电厂热工人员的技术水平要求也越来越高[1-3]。朔州热电公司的热工人员由大学生和电建人员组成，但控制技术水平较低，因此，对热工人员进行培训更显得十分急迫。公司从基建到投产进度非常快，某些局部系统自动控制方面的策略、功能不是十分完整，随着复杂工况的出现，运行调整变得越来越精细，这就需要对系统的控制方式进行变更。由于在线更改逻辑组态存在很大的风险，因此，开发一个热工控制仿真平台，在模拟平台上预先确定控制方案和参数，可大大减少现场调试次数，保证机组安全稳定运行。

热工控制仿真平台结合当前我国工业自动化应用技术及器件技术的发展，从朔州热电公司的实际需要出发，充分考虑实用性、先进性，模拟真实的DCS系统结构，并配有独立的现场设备。整套装置包含DCS控制系统、SIPOS电动执行器和双容水箱水位模拟系统。该装置根据朔州热电公司现场设备及人员配置情况，量身研发而成，遵循了培训、DCS逻辑组态模拟原则，主要思路是实训装置可兼容各品牌PLC和DCS，适于公司劳动培训及实操技能考核的教学培训、DCS逻辑组态仿真模拟、控制回路参数的验证，实训项目丰富、综合性强、紧跟工业自动化发展潮流。

仿真系统构架[4]如图1所示。

图1 系统结构图

2.1 基础部分

基础部分主要由框架（三层结构）、PP水箱（上、中、下3个水箱）、PPR管路等。

为了方便移动装置，框架下设有4个脚轮，单只脚轮承重可达240 kg，脚轮自带可调的锁止地脚螺栓。所有工艺设备、管路均安装或固定到框架上。管路采用耐高温的PPR管，使用热熔方式连接。所有接头采用不锈钢或不锈钢螺纹。

中上层设有2个400 mm×400 mm×500 mm水箱，上、中水箱容量为80 L，主要用于模拟水位。管路系统有多分支、多回路，通过手阀切换实现不同的水循环。

框架底部安装400 mm×400 mm×500 mm的下水箱，主要用来储存系统所有用水，以防当装置内有漏点时，水满淋湿场地地面，造成安全隐患。

2.2 电气部分

1）电气部分主要有电源分配单元、负载驱动单元、接口单元、模拟演示板、漏电保护器、变频器、DCS控制器及附属卡件、线槽和接地点等。

2）电源分配单元主要向装置内保设备提供电源以及留有足够外出的备用电源。输入电源为AC 220 V，输出电源有AC 220 V、DC 24 V。另外提供系统内电流、电压、功率的监视与信号输出。

3）负载驱动单元主要有变频器，变频器用来控制水泵变频转速。

4）接口单元中交换机采用CiscoWS-C2960+24TCLSwitch，主要是各设备、各单元的信号与数据联络交换中心，并向外部系统如PLC、DCS提供接口。接口单元提供的连接方式有接线端子、各种插座。基本实现快速连接的功能。

5）漏电保护器。为了保证实验安全，设有漏电保护器，当系统发生漏电时，装置断电。

6）变频器采用ABB的的产品，并有中文显示操作面版。

7）DCS控制系统。DCS采用Ovation公司OCR1100控制器及相应背板、AI、AO、DI、DO、RTD等各类型常用卡件。

8）PLC使用SIEMENS的S7-300控制器。

2.3 工艺部分

工艺部分主要有阀门、电磁阀、电动调节阀和水泵等，如图2所示。

图2 工艺流程图

2.4 仪表部分

仪表部分主要有温度、压力、流量和液位等。所有仪表不但有远传仪表，还配有就地显示的指示仪表（如玻璃管浮子流量计、双金属温度计等）。

2.5 监控部分

监控部分主要有计算机与触摸屏。计算机采用2台DELL 24″宽屏液晶显示器，置于操作台面上，用于逻辑组态编程、参数监视，对整套系统进行模拟运行。

3.1 仿真机的开发目的

本装置平台设置有DCS、PLC两套控制系统，并有最下层被控设备：SIPOS电动执行器和双容水箱水位模拟系统等。可以利用此平台装置实现对DCS、PLC控制培训学习，从硬件的配置，网络架构、组态编写和系统调试等方面模拟现场，对热工人员进行从控制到终端的真实模拟培训。

可方便地利用仿真机的工程师站对培训热控人员进行热控系统的组态分析和验证、调整参数、修改定值，寻求控制和保护系统的最佳控制策略和最佳整定值。具备在热工仿真平台对逻辑组态、参数和策略等方案进行模拟运行，对上述方案进行DCS离线模拟验证的功能，从而保证本次改造方案的可行性和可靠性。

通过对现有模拟仿真平台进行局部干扰，提供某项故障现象，达到培训人员正确判断故障、处理事故的应变能力。对热控专业各岗位定期轮训，在上岗和晋升前进行实际操作能力和分析判断能力的考核。

3.2 仿真机模型硬件配置及要求

为了达到仿真模拟不同控制系统的目的，装置采用共用操作员站，执行设备模块化设计，包括按钮模块、电源模块、模拟生产设备实训模块、接线端子排和各种传感器、DCS及PLC主机模块以及变频器主机模块等。

DCS、PLC系统能进行切换，通过不同的控制系统对同一下级设备进行控制。在主要构架中，所有设备的输入、输出信号通过导线都连接到绝缘板的公共接线端子上，接线端子上级由每个回路继电器进行切换，通过继电器整体动作实现各实验模块独立的输入、输出，这样在模拟仿真DCS或PLC系统时，只需进行继电器通断切换，通过操作员站对不同的控制器（DCS、PLC）进行操作、演练。

除了控制系统外，还配有独立工艺模组，如管道、水箱、水泵、风机、调节阀和电动阀等，并设有温度、流量、压力、液位、电流和电压等传感器。驱动设备有变频器、接触器等，可提高实验与考核的真实性。

本装置配备2台操作员站（1台兼工程师站），操作员站具有以下功能：

1）采用DELL产品并满足以下要求：24″纯平显示器，防眩光，24位真彩色，分辨率为1920×1080，60 Hz，带宽＞200 MHz。

2）每台主机有其独立的显卡，处理器为i7，内存为16 G，256SSD+2T硬盘。

3）每台显示器均配置有键盘，除具有完整的数字、字母键外，还有一定数量的操作功能键和用户自定义功能键，操作人员可通过键盘调用、处理全部过程信息，操作所有控制设备。

4）具有防止误操作的闭锁功能，并在显示器上显示。

5）操作人员通过人机接口输入等手段发出的任何操作指令执行时间均＜1 s。操作人员从人机接口输入的操作指令至显示面板反馈结果的时间＜2 s。

6）操作员站显示器高度、角度和操作键盘等符合人体工程学，便于操作人员操作、监控画面。

3.3 仿真机操作员站（兼工程师）功能

工程师站[5]功能与实际机组DCS工程师站相同，选用与主机同样的方式进行仿真，能完成控制系统的维护、调试、扩充和修改，可在线进行控制系统组态、控制模块参数修改调试等功能，担负仿真系统热工培训、热工实验等功能。作为模拟实际机组DCS工程师站，需具有如下功能：

1）具有工程师站配置功能，能进行点表配置、权限管理、日志配置、网络配置、节点配置、DPU配置、报警配置和安全区配置。

2）类似实际机组DCS工程师站导出仿真系统的控制工程备份，包括画面组态、逻辑组态。

3）下装现场DCS工程师站的工程备份，包括画面组态、逻辑组态。

4）具有工程备份、工程还原和工程刷新功能。

5）历史、实时数据库配置。

6）画面组态编辑、修改、下装功能。

7）逻辑组态编辑、修改、无扰下装功能。

8）控制系统研究功能、修改控制参数、进行试验研究。

9）仿真现场热工工程师站功能，可以在线进行控制系统的组态、控制模块参数的修改等工作。

10）能够进行各种控制组态，形成的控制系统组态与实际机组一致。

11）控制系统中的控制模块和I/O点信息必须遵循参考机组DCS控制组态中的控制模块及I/O点信息完全一致。

12）控制模型中所有的功能模块都能下载到仿真平台中，并能利用原有功能模块组合成新的功能模块。

根据朔州热电公司热控专业的实际情况配置，为公司火电机组的人员培训、热控调试、运行优化和故障诊断提供一种理想的虚拟DCS先进数字化平台。

通过仿真机可对机组的故障原因和结果进行分析，改进运行操作，提高处理事故的能力。数字化平台具备对机组控制系统进行仿真研究，以选择最佳的控制方案和动态整定参数的能力和手段。通过培训学习，热工人员可掌握部分典型事故的操作处理方法，并按正确按步骤和要求完成操作，确保机组安全经济运行。

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