【摘要】綜合運用新型仿真軟件PineCAD、EmulateControl、iFIX等一系列軟件，進行火電廠除灰除渣系統仿真平臺的搭建。針對火電廠除灰除渣系統的順序控制線路進行了可靠有效地在線仿真建模，經實驗證明該仿真平臺效果良好，并業已投入華能福州電廠的運行培訓流程。本文著眼于介紹平臺的搭建過程，以及相關軟件的綜合應用情況。 【關鍵詞】新型仿真軟件PineCAD，除灰除渣系統，火電廠仿真，仿真平臺 【Abstract】Using simulation software PineCad、EmulateControl、iFIX and a series of softwares, I carried on simulation platform design on the system of eliminating the ash and the dregs in large power plants and received good results. This article mainly focuses on the building process of the platform and Integrated application of softwares. 【Keywords】 new simulation software PineCad；system of eliminating the ash and the dregs；simulation of large power plants；simulation platform. 1 前言 隨著分散控制系統DCS在火電廠中的廣泛應用，其自動化程度大幅度提高。為了適應進而帶來的對機組運行人員的操作熟練度更高的要求，火電站仿真技術出現并取得了飛速的發展。本文以新型組態軟件PineCAD為基本編程平臺，針對電廠對仿真系統的高逼真度、便捷調試的要求，以華能福州電廠的除灰除渣系統為例，綜合運用組態軟件PineCAD； 虛擬控制站軟件EmulateControl、數據驅動軟件SIMComm以及人機界面軟件iFIX進行仿真平臺的搭建[1]。經過實驗證明該仿真系統基本上達到了預期的效果，較準確且便捷地反映了現場的運行過程，業已投入華能福州電廠的運行監控及其培訓工作。 2 火電廠除灰除渣系統簡要介紹 該系統是電廠運行的輔助系統。主要完成的是發電過程中所產生的煙狀氣體，以及爐渣的回收及再利用。該系統的功用一方面保護環境，另一方面再利用資源，實現可持續發展。 現行的火電廠除灰除渣控制系統主要包括以下兩方面: 1、氣力除灰控制系統包括對機組除灰、壓縮空氣、空氣干燥過濾、飛灰輸送等系統的控制; 2、水力除灰渣控制系統包括對撈渣機、沖洗沖灰泵房、灰渣泵房、省煤器灰斗、空預器灰斗、聯絡煙道灰斗及電除塵灰斗等系統的控制。 基于以上流程考慮，我們選用順序控制的方式，進行分步控制:將系統按照除灰與除渣兩個程序分別建立相應的控制站點，設計符合電廠工藝流程的控制邏輯[3]。由于本文著眼于描述仿真平臺的搭建，具體的邏輯設計以及編寫過程就不加以進一步描述。 3 仿真平臺的搭建 3．1 整體構造思路 該仿真開發平臺完全基于計算機設計，對系統硬件配置無特殊要求，基本硬件配置情況為：（R）4 CPU 2.40GHz,512MB電腦一臺;基本系統配置為：Windows 2000 Sever操作系統。 整個DCS仿真開發平臺的軟件結構如圖1所示，由將控制組態軟件生成的邏輯組態數據和模型組態數據分別下載到虛擬控制站中的邏輯控制站和對象模型站，再由控制站之間數據共享軟件實現模型和控制邏輯之間的數據傳遞，人機界面和虛擬控制站之間的數據交換由專門的數據通訊軟件實現。 注：A－控制組態軟件； B－邏輯控制站； C－模型控制站； DB－邏輯組態數據； DC－模型組態數據； E－控制站數據共享軟件； F－虛擬控制站與人機界面數據通訊軟件； G－虛擬控制站；H－人機界面組態軟件。 本次設計如圖1中，A為組態軟件PineCAD；G即為虛擬控制站EmulateControl； F即為數據驅動軟件SIMComm；H為人機界面軟件iFIX。 3．2 虛擬控制站EmulateControl 虛擬控制站軟件EmulateControl是專用于仿真用的控制站，可視為虛擬的DCS硬件如PLC，通過參數的設定可實現不同虛擬控制站之間的數據傳遞和數據共享。 工作原理：經過組態軟件PineCAD分析、編譯、鏈接生成的組態數據，輸出到虛擬控制站的輸入數據內存區，同時虛擬控制站根據輸入數據內存區數據的算法特點到其自身的元件算法庫調用相關的函數算法進行運算輸出。其結構原理圖如圖2： 工作原理：經過組態軟件PineCAD分析、編譯、鏈接生成的組態數據，輸出到虛擬控制站的輸入數據內存區，同時虛擬控制站根據輸入數據內存區數據的算法特點到其自身的元件算法庫調用相關的函數或算法進行運算輸出。從圖2-15可以看出其元件算法庫主要來源于三方面：自定義函數庫、自定義算法庫、第三方算法庫，其中通過調用第三方成熟的算法庫可極大的豐富虛擬控制站的數據處理功能，同時也使其具有更大的靈活性。 在本次設計中我們分別為控制邏輯以及仿真模型建立了3個站點，見表1，均采用相同的執行時間從而實現了二者傳輸的同步。為了正確分配數據的來源及走向，在PineCAD內部加以相應的設置，使不同分系統的數據在各自的站點間傳遞。如圖3所示： 虛擬控制站EmulateControl具有如下一些功能： 1、設定所需運行的控制站總數，同時運行各站組態邏輯和實現控制站之間數據傳送和共享； 2、可對所有控制站的執行周期進行設定；根據仿真需要，可進行相應的加速或減速； 3、為了調試的方便，可對輸入輸出及中間量進行監視，同時對數字量輸入點進行寫入操作； 4、具有保存數據功能，對于運行時間長的設備，可通過仿真的數據保存功能實現暫 態工況的存貯，達到仿真中的無擾中斷，在繼續仿真時，只需直接進入監視狀態即可恢復上次運行結果繼續仿真。 3．3 數據驅動軟件SIMComm 數據驅動軟件SIMComm可視為實際DCS系統中硬件PLC廠商所提供的I/O驅動軟件。該軟件主要是負責人機界面iFIX和虛擬控制站EmulateControl之間的數據傳送，即將虛擬控制站運行的數據根據iFIX畫面的“動畫鏈接”進行數據傳送和顯示操作，同時將人機界面的設定值及一些開關量傳輸到虛擬控制站作為輸入進行運算。其工作原理如圖4所示。 工作原理：首先虛擬控制站的運行輸出數據通過讀寫程序讀取到內存區，然后根據預先定義好的地址對照表，進行虛擬控制站數據庫到人機界面軟件iFIX數據庫的轉換，再由iFIX數據庫讀寫程序將數據寫到iFIX數據庫；相反由用戶在人機界面設定的數據，先由iFIX數據庫讀寫程序將數據寫到內存區，然后根據預先定義好的地址對照表，完成數據庫的轉化。所以可以看到整個通信過程的關鍵除了兩個通信程序外，就是建立地址對照表。 虛擬控制站通訊軟件不僅負責數據之間的通訊，同時它還具備數據監控、實時曲線顯示和量程轉換等功能，此外，還提供TCP/IP通信接口。 3．4 組態軟件PineCAD 在本仿真系統中，系統的控制邏輯和模型組態及圖1中的B和C都是基于組態軟件PineCAD進行組態，該組態軟件具有豐富的指令元件，同時可以根據實際需要，通過動態鏈接庫直接應用第三方的成熟軟件如高級語言C語言等創建新的元件。此外，直觀的數據監控手段，支持在線參數修改及穩定地在線傳送功能等功能，完全可滿足仿真開發平臺要求。 3．4．1 基本元件介紹 PineCAD最重要的元件是直接關系到數據傳輸的輸入、輸出元件。其中輸入元件，按性質分為模擬量輸入AI、數字量輸入DI、以及中間變量TA、TD；與之對應的輸出也有AO、DO、TA、TD。其中除中間變量用于存儲過程數據，由必要時暫時調用內存空間實現，無需分配硬件單元外，其他輸入單元都必須進行細致的參數設定，確保傳輸的準確有效。 如右圖所示，這是一個DI元件的內部設置，其中S參數代表的是接受數據的來源站點，Ss參數代表的是傳送數據的元件的下標序號。因此，這個DI元件的數據來源是第9號站點的第3號DO元件。同時為了便于查詢數據走向，設計中有意將DI、AI的序號設置成與發送端DO、AO一致，收到了良好效果。 3．4．2 基本控制及仿真線路介紹 系統利用控制站之間通訊原理成功實現控制輸出與模型輸入問題和模型輸出與控制輸入問題：把控制的輸出作為模型的輸入，把模型輸出作為控制的輸入，從而形成一個系統的閉環。從實現的角度來看，系統的結構變得非常簡單，而且也省去了模型和控制邏輯之間的接口程序，也就是省去實際IO模塊的仿真?，F以下圖5所示的灰水泵啟停模型為例簡要介紹仿真過程： 在灰水泵順控模型中，當控制邏輯發出一個啟動指令DO001后，設備模型由DI001來接受該啟動指令，通過與設備故障的“非”進行“與”運算后，延時輸出“泵已經啟動”信號DO001，之后控制邏輯中的DI002接受該信號，從而使控制邏輯的啟動指令DO001為0，而此時由于復位優先指令使設備輸出DO001鎖定為1，從而實現了對設備啟動的仿真，假如在控制邏輯發出啟動指令DO001后在控制邏輯中的延時指令OND001已到，而控制邏輯還是沒有收到模型的反饋DO001時，則認為設備啟動出現故障，置啟動故障DO002為1，從而完成對設備故障的仿真。對于設備的停止仿真等都是類似。 3．5 人機界面軟件iFIX 人機界面軟件iFIX包括了人機界面數據庫，人機界面組態工具和人機界面運行的平臺。提供了系統流程圖、虛擬盤臺、操作子窗口、趨勢圖畫面、歷史數據顯示查詢、數據成組顯示功能、報警畫面、報警查詢與操作記錄、報表等一系列仿真常用功能。 進行人機界面的畫面制作時，需進行數據庫建立、畫面組態和數據鏈接，具體如下： 1）數據庫的建立 首先，全地址表和地址范圍表的建立。全地址表其實就是各個I/O點的含義，也就是進行編程前，事先對I/O點含義進行定義，一般是由下位機人員給出，按照一定的格式，用Microsoft Excel建立數據庫文件“＊.CSV”；其次，SM2 驅動文件的建立：I/O驅動器是iFIX與過程硬件進行通信的接口。I/O Driver Configulation設置的目的是將PLC的地址和iFIX數據庫的地址聯系起來；最后利用數據庫管理器導入“＊.CSV”文件，在數據庫管理器菜單欄的FILE項選擇“IMPORT”導入文件“＊.CSV”，即做成了數據庫。 2）畫面組態 所謂畫面組態就是利用iFIX所提供的原始畫面組態元件進行畫面流程的組態，較為簡單，只需按照工藝流程進行即可，在此不加以講述。 3）數據鏈接 組態好的iFIX畫面要實現實時監控，就必須進行數據鏈接，使畫面所顯示的是所定義點的某一類型的值，例如當前值。其實數據鏈接很簡單，就是把該點鏈接到數據庫中的某一點去。根據不同的顯示需要，針對要求直接將下位機的某一數據顯示于畫面上的進行靜態顯示設置；針對要求顯示顏色等狀態變化的元件，在動畫制作里完成動態顯示設置。以下是完成的壓送系統及貯倉排放系統上位機效果圖： 實際調試過程中，根據相應的元件名稱及其指示燈的狀態以及顯示的數據情況可以獲取近似于實況的仿真效果；通過對按鈕的使用、對現場運行狀況的調控，熟悉掌握系統機制，電廠受訓人員業已達到所預期的培訓的效果。 3．6 順序控制線路仿真 火電廠設備按照其自身特性分為兩類：順控模型和模擬量模型[5]。順控模型主要是對設備的啟停和開關狀態進行仿真，要求仿真在有開信號時，延時一段時間后設備模型能反饋一個已開信號給控制邏輯，從而邏輯便可根據反饋信號的狀態知道設備的運行情況，相對較為簡單，模型也較為單一。本次設計中，主要涉及的是順控模型，現以灰水池水位控制舉為例進行說明。 本次控制過程，需要從模型站采集關于灰水池水位是否達限的信號[6]?？刂普鞠劝l出一個簡單的灰水泵啟動信號，送往模型站，模型根據信號在虛擬的狀態下，仿真出現場實際的灰水泵啟動的現象，并直接轉化為灰水池水位的變化，當出現水位報警信號時，模型站將該信號送回控制站，作為控制站下一步控制策略變化的直接依據。 本次設計的灰水池水位是簡單的單斜率變化，引起水位變化的因素主要有灰水池內原有積水量，以及灰水泵的水流量，使用2條件斜波跟蹤器（TRM）即可實現水位模擬。 灰水池水位控制的模擬主要用于進行灰水泵跳閘條件的判斷，即當軸封水流量開關開啟后5秒內水泵打開或灰水池水位小于設定的L2值則灰水泵跳閘。為了判斷開關與水泵啟動間隔時間問題，設計了由脈沖計數器（CNT）構成的計時電路，如圖7。 控制流程如下： 1、當軸封水泵被打開之后，由于“C1A灰水泵”DO039未運行，加之取反器（002）以及“與門”003作用，送出持續高電平信號；其后由于巧妙使用了“與門”，從而使得脈沖計數器一號端口（計數端）開始記錄由脈沖觸發器產生的脈沖信號； 2、由于“C1A灰水泵運行”DO039信號置0，在“切換器”作用下，“灰水池原貯水位”保持在設定初始值SG002； 3、“灰水泵運行”后，“C1A灰水泵運行”DO039輸出為一，由于“取反器”009作用，隨后的“下降沿脈沖”001元件檢測到下降沿，從而輸出一個周期的高電平，隨后保持低電平輸出，根據TRM元件特性，TRM元件輸出值先置為“灰水池內原貯存水位”，隨后以“灰水泵出水流量”為變化率，跟蹤SG10的值（內部設置值為0）變化，即下降； 4、若“灰水泵運行”的信號在控制規程規定的時間之前過早出現，則脈沖計數器的計量值過小，經過高低限判斷器后，輸出報警信號，從而實現了整個報警過程。 本次設計中許許多多的順控模型均采用上述設計方法，該方法簡便，易行，同時在實際調試過程中，具有快速、準確的特點。 4 仿真效果評估及其應用前景分析 本次設計的仿真平臺可推廣至相關仿真系統的設計，具有很強的通用性。同時利用仿真系統實現的上位機模擬操作，現場數據模擬采集等實驗都收到了較好的效果。通過使用以上仿真系統?？梢暂^好地掌握機組實際運行過程中的詳細流程，十分適合用于培訓機組操作人員；同時通過及時的獲取類似于現場的實時數據，可以準確把握機組狀態，及時排除險情，作為現場操作人員的培訓平臺，將有效提高其實際工作中的對險情的應變能力；最后作為仿真系統，其準確性、可靠性也達到了進行控制策略研究以及設備改造的需要。相信本系統能有望在火電廠、培訓機構乃至研究機構中得到廣泛應用。 參考文獻 [1] PineCAD 4.X軟件用戶手冊[S]. 北京華能信息產業控股有限公司 [2] FZA-ASH016 一期灰控系統操作說明書[S]. 福州福大自動化科技有限公司，2004年6月 [3] 陳宗海．過程控制系統建摸與仿真[M]. 合肥：中國科學技術大學出版社，1997，81-99 [4] 宋福根．基于新型仿真系統的火電站鍋爐側仿真研究[D]．福州大學電氣學院碩士研究生畢業論文，2005，35-40 [5] 唐世林．電站計算機仿真技術[M]．北京：科學出版社，1997，67-77 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