基于组态软件的火电厂除灰渣系统仿真平台设计方案

发布时间：2009-08-29 来源:www.cechina.cn

        1、前言
        随着分散控制系统DCS在火电厂中的广泛应用，其自动化程度大幅度提高。为了适应进而带来的对机组运行人员的操作熟练度更高的要求，火电站仿真技术出现并取得了飞速的发展。本文以新型组态软件PineCAD为基本编程平台，针对电厂对仿真系统的高逼真度、便捷调试的要求，以华能福州电厂的除灰除渣系统为例，综合运用组态软件PineCAD； 虚拟控制站软件EmulateControl、数据驱动软件SIMComm以及人机界面软件iFIX进行仿真平台的搭建。经过实验证明该仿真系统基本上达到了预期的效果，较准确且便捷地反映了现场的运行过程，业已投入华能福州电厂的运行监控及其培训工作。
        2、火电厂除灰除渣系统简要介绍  
        该系统是电厂运行的辅助系统。主要完成的是发电过程中所产生的烟状气体，以及炉渣的回收及再利用。该系统的功用一方面保护环境，另一方面再利用资源，实现可持续发展。
        现行的火电厂除灰除渣控制系统主要包括以下两方面：
        (1) 气力除灰控制系统包括对机组除灰、压缩空气、空气干燥过滤、飞灰输送等系统的控制；
        (2) 水力除灰渣控制系统包括对捞渣机、冲洗冲灰泵房、灰渣泵房、省煤器灰斗、空预器灰斗、联络烟道灰斗及电除尘灰斗等系统的控制。
        基于以上流程考虑，我们选用顺序控制的方式，进行分步控制:将系统按照除灰与除渣两个程序分别建立相应的控制站点，设计符合电厂工艺流程的控制逻辑。由于本文着眼于描述仿真平台的搭建，具体的逻辑设计以及编写过程就不加以进一步描述。
        3、仿真平台的搭建
        3.1 整体构造思路
        该仿真开发平台完全基于计算机设计，对系统硬件配置无特殊要求，基本硬件配置情况为：（R）4 CPU 2.40GHz,512MB电脑一台；基本系统配置为：Windows 2000 Sever操作系统。
        整个DCS仿真开发平台的软件结构如图1所示，由将控制组态软件生成的逻辑组态数据和模型组态数据分别下载到虚拟控制站中的逻辑控制站和对象模型站，再由控制站之间数据共享软件实现模型和控制逻辑之间的数据传递，人机界面和虚拟控制站之间的数据交换由专门的数据通讯软件实现。
        注：A－控制组态软件； B－逻辑控制站； C－模型控制站； DB－逻辑组态数据；
        DC－模型组态数据； E－控制站数据共享软件； F－虚拟控制站与人机界面数据通讯软件；
        G－虚拟控制站；H－人机界面组态软件。

        图1 仿真开发平台软件结构

        本次设计如图1中，A为组态软件PineCAD；G即为虚拟控制站EmulateControl； F即为数据驱动软件SIMComm；H为人机界面软件iFIX。
        3.2 虚拟控制站EmulateControl
        虚拟控制站软件EmulateControl是专用于仿真用的控制站，可视为虚拟的DCS硬件如PLC，通过参数的设定可实现不同虚拟控制站之间的数据传递和数据共享。
        工作原理：经过组态软件PineCAD分析、编译、链接生成的组态数据，输出到虚拟控制站的输入数据内存区，同时虚拟控制站根据输入数据内存区数据的算法特点到其自身的元件算法库调用相关的函数算法进行运算输出。其结构原理图如图2：

        图2 EmulateControl的结构原理框图

        工作原理：经过组态软件PineCAD分析、编译、链接生成的组态数据，输出到虚拟控制站的输入数据内存区，同时虚拟控制站根据输入数据内存区数据的算法特点到其自身的元件算法库调用相关的函数或算法进行运算输出。从图2-15可以看出其元件算法库主要来源于三方面：自定义函数库、自定义算法库、第三方算法库，其中通过调用第三方成熟的算法库可极大的丰富虚拟控制站的数据处理功能，同时也使其具有更大的灵活性。
        在本次设计中我们分别为控制逻辑以及仿真模型建立了3个站点，见表1，均采用相同的执行时间从而实现了二者传输的同步。为了正确分配数据的来源及走向，在PineCAD内部加以相应的设置，使不同分系统的数据在各自的站点间传递。如图3所示：

        表1 站点分配列表

        图3 PineCAD内站点其设置

        虚拟控制站EmulateControl具有如下一些功能：
        1、设定所需运行的控制站总数，同时运行各站组态逻辑和实现控制站之间数据传送和共享；
        2、可对所有控制站的执行周期进行设定；根据仿真需要，可进行相应的加速或减速；
        3、为了调试的方便，可对输入输出及中间量进行监视，同时对数字量输入点进行写入操作；
        4、具有保存数据功能，对于运行时间长的设备，可通过仿真的数据保存功能实现暂  态工况的存贮，达到仿真中的无扰中断，在继续仿真时，只需直接进入监视状态即可恢复上次运行结果继续仿真。
        3.3 数据驱动软件SIMComm
        数据驱动软件SIMComm可视为实际DCS系统中硬件PLC厂商所提供的I/O驱动软件。该软件主要是负责人机界面iFIX和虚拟控制站EmulateControl之间的数据传送，即将虚拟控制站运行的数据根据iFIX画面的“动画链接”进行数据传送和显示操作，同时将人机界面的设定值及一些开关量传输到虚拟控制站作为输入进行运算。其工作原理如图4所示。
        工作原理：首先虚拟控制站的运行输出数据通过读写程序读取到内存区，然后根据预先定义好的地址对照表，进行虚拟控制站数据库到人机界面软件iFIX数据库的转换，再由iFIX数据库读写程序将数据写到iFIX数据库；相反由用户在人机界面设定的数据，先由iFIX数据库读写程序将数据写到内存区，然后根据预先定义好的地址对照表，完成数据库的转化。所以可以看到整个通信过程的关键除了两个通信程序外，就是建立地址对照表。

        图4 SIMComm软件的工作原理

        虚拟控制站通讯软件不仅负责数据之间的通讯，同时它还具备数据监控、实时曲线显示和量程转换等功能，此外，还提供TCP/IP通信接口。
        3.4 组态软件PineCAD
        在本仿真系统中，系统的控制逻辑和模型组态及图1中的B和C都是基于组态软件PineCAD进行组态，该组态软件具有丰富的指令元件，同时可以根据实际需要，通过动态链接库直接应用第三方的成熟软件如高级语言C语言等创建新的元件。此外，直观的数据监控手段，支持在线参数修改及稳定地在线传送功能等功能，完全可满足仿真开发平台要求。
        (1) 基本元件介绍
        PineCAD最重要的元件是直接关系到数据传输的输入、输出元件。其中输入元件，按性质分为模拟量输入AI、数字量输入DI、以及中间变量TA、TD；与之对应的输出也有AO、DO、TA、TD。其中除中间变量用于存储过程数据，由必要时暂时调用内存空间实现，无需分配硬件单元外，其他输入单元都必须进行细致的参数设定，确保传输的准确有效。
        如右图所示，这是一个DI元件的内部设置，其中S参数代表的是接受数据的来源站点，Ss参数代表的是传送数据的元件的下标序号。因此，这个DI元件的数据来源是第9号站点的第3号DO元件。同时为了便于查询数据走向，设计中有意将DI、AI的序号设置成与发送端DO、AO一致，收到了良好效果。
        (2) 基本控制及仿真线路介绍
        系统利用控制站之间通讯原理成功实现控制输出与模型输入问题和模型输出与控制输入问题：把控制的输出作为模型的输入，把模型输出作为控制的输入，从而形成一个系统的闭环。从实现的角度来看，系统的结构变得非常简单，而且也省去了模型和控制逻辑之间的接口程序，也就是省去实际IO模块的仿真。现以下图5所示的灰水泵启停模型为例简要介绍仿真过程：

        图5 灰水泵启停模型

        在灰水泵顺控模型中，当控制逻辑发出一个启动指令DO001后，设备模型由DI001来接受该启动指令，通过与设备故障的“非”进行“与”运算后，延时输出“泵已经启动”信号DO001，之后控制逻辑中的DI002接受该信号，从而使控制逻辑的启动指令DO001为0，而此时由于复位优先指令使设备输出DO001锁定为1，从而实现了对设备启动的仿真，假如在控制逻辑发出启动指令DO001后在控制逻辑中的延时指令OND001已到，而控制逻辑还是没有收到模型的反馈DO001时，则认为设备启动出现故障，置启动故障DO002为1，从而完成对设备故障的仿真。对于设备的停止仿真等都是类似。
        3.5 人机界面软件iFIX
        人机界面软件iFIX包括了人机界面数据库，人机界面组态工具和人机界面运行的平台。提供了系统流程图、虚拟盘台、操作子窗口、趋势图画面、历史数据显示查询、数据成组显示功能、报警画面、报警查询与操作记录、报表等一系列仿真常用功能。
        进行人机界面的画面制作时，需进行数据库建立、画面组态和数据链接，具体如下：
        1）数据库的建立
        首先，全地址表和地址范围表的建立。全地址表其实就是各个I/O点的含义，也就是进行编程前，事先对I/O点含义进行定义，一般是由下位机人员给出，按照一定的格式，用Microsoft Excel建立数据库文件“＊.CSV”；其次，SM2 驱动文件的建立：I/O驱动器是iFIX与过程硬件进行通信的接口。I/O Driver Configulation设置的目的是将PLC的地址和iFIX数据库的地址联系起来；最后利用数据库管理器导入“＊.CSV”文件，在数据库管理器菜单栏的FILE项选择“IMPORT”导入文件“＊.CSV”，即做成了数据库。
        2）画面组态
        所谓画面组态就是利用iFIX所提供的原始画面组态元件进行画面流程的组态，较为简单，只需按照工艺流程进行即可，在此不加以讲述。
        3）数据链接
        组态好的iFIX画面要实现实时监控，就必须进行数据链接，使画面所显示的是所定义点的某一类型的值，例如当前值。其实数据链接很简单，就是把该点链接到数据库中的某一点去。根据不同的显示需要，针对要求直接将下位机的某一数据显示于画面上的进行静态显示设置；针对要求显示颜色等状态变化的元件，在动画制作里完成动态显示设置。以下是完成的压送系统及贮仓排放系统上位机效果图：

        图6 压送系统及贮仓排放系统上位机效果图

        实际调试过程中，根据相应的元件名称及其指示灯的状态以及显示的数据情况可以获取近似于实况的仿真效果；通过对按钮的使用、对现场运行状况的调控，熟悉掌握系统机制，电厂受训人员业已达到所预期的培训的效果。
        3.6 顺序控制线路仿真
        火电厂设备按照其自身特性分为两类：顺控模型和模拟量模型。顺控模型主要是对设备的启停和开关状态进行仿真，要求仿真在有开信号时，延时一段时间后设备模型能反馈一个已开信号给控制逻辑，从而逻辑便可根据反馈信号的状态知道设备的运行情况，相对较为简单，模型也较为单一。本次设计中，主要涉及的是顺控模型，现以灰水池水位控制举为例进行说明。
        本次控制过程，需要从模型站采集关于灰水池水位是否达限的信号。控制站先发出一个简单的灰水泵启动信号，送往模型站，模型根据信号在虚拟的状态下，仿真出现场实际的灰水泵启动的现象，并直接转化为灰水池水位的变化，当出现水位报警信号时，模型站将该信号送回控制站，作为控制站下一步控制策略变化的直接依据。
        本次设计的灰水池水位是简单的单斜率变化，引起水位变化的因素主要有灰水池内原有积水量，以及灰水泵的水流量，使用2条件斜波跟踪器（TRM）即可实现水位模拟。
        灰水池水位控制的模拟主要用于进行灰水泵跳闸条件的判断，即当轴封水流量开关开启后5秒内水泵打开或灰水池水位小于设定的L2值则灰水泵跳闸。为了判断开关与水泵启动间隔时间问题，设计了由脉冲计数器（CNT）构成的计时电路，如图7。

        图7 灰水池水位模型

        控制流程如下：
        (1) 当轴封水泵被打开之后，由于“C1A灰水泵”DO039未运行，加之取反器（002）以及“与门”003作用，送出持续高电平信号；其后由于巧妙使用了“与门”，从而使得脉冲计数器一号端口（计数端）开始记录由脉冲触发器产生的脉冲信号；
        (2) 由于“C1A灰水泵运行”DO039信号置0，在“切换器”作用下，“灰水池原贮水位”保持在设定初始值SG002；
        (3) “灰水泵运行”后，“C1A灰水泵运行”DO039输出为一，由于“取反器”009作用，随后的“下降沿脉冲”001元件检测到下降沿，从而输出一个周期的高电平，随后保持低电平输出，根据TRM元件特性，TRM元件输出值先置为“灰水池内原贮存水位”，随后以“灰水泵出水流量”为变化率，跟踪SG10的值（内部设置值为0）变化，即下降；
        (4) 若“灰水泵运行”的信号在控制规程规定的时间之前过早出现，则脉冲计数器的计量值过小，经过高低限判断器后，输出报警信号，从而实现了整个报警过程。
        本次设计中许许多多的顺控模型均采用上述设计方法，该方法简便，易行，同时在实际调试过程中，具有快速、准确的特点。
        4、仿真效果评估及其应用前景分析
        本次设计的仿真平台可推广至相关仿真系统的设计，具有很强的通用性。同时利用仿真系统实现的上位机模拟操作，现场数据模拟采集等实验都收到了较好的效果。通过使用以上仿真系统。可以较好地掌握机组实际运行过程中的详细流程，十分适合用于培训机组操作人员；同时通过及时的获取类似于现场的实时数据，可以准确把握机组状态，及时排除险情，作为现场操作人员的培训平台，将有效提高其实际工作中的对险情的应变能力；最后作为仿真系统，其准确性、可靠性也达到了进行控制策略研究以及设备改造的需要。相信本系统能有望在火电厂、培训机构乃至研究机构中得到广泛应用。
        附  录
        1. 图中所示为PineCAD软件内设端口模式，其中端口号与端口箭头相对应
        2. 线路图中引用PineCAD元件简要说明