1 前言 隨著分散控制系統(tǒng)DCS在火電廠中的廣泛應(yīng)用，其自動化程度大幅度提高。為了適應(yīng)進(jìn)而帶來的對機(jī)組運(yùn)行人員的操作熟練度更高的要求，火電站仿真技術(shù)出現(xiàn)并取得了飛速的發(fā)展。本文以新型組態(tài)軟件PineCAD為基本編程平臺，針對電廠對仿真系統(tǒng)的高逼真度、便捷調(diào)試的要求，以華能福州電廠的除灰除渣系統(tǒng)為例，綜合運(yùn)用組態(tài)軟件PineCAD；虛擬控制站軟件EmulateControl、數(shù)據(jù)驅(qū)動軟件SIMComm以及人機(jī)界面軟件iFIX進(jìn)行仿真平臺的搭建。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明該仿真系統(tǒng)基本上達(dá)到了預(yù)期的效果，較準(zhǔn)確且便捷地反映了現(xiàn)場的運(yùn)行過程，業(yè)已投入華能福州電廠的運(yùn)行監(jiān)控及其培訓(xùn)工作。 2 火電廠除灰除渣系統(tǒng)簡要介紹 該系統(tǒng)是電廠運(yùn)行的輔助系統(tǒng)。主要完成的是發(fā)電過程中所產(chǎn)生的煙狀氣體，以及爐渣的回收及再利用。該系統(tǒng)的功用一方面保護(hù)環(huán)境，另一方面再利用資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。 現(xiàn)行的火電廠除灰除渣控制系統(tǒng)主要包括以下兩方面： （1）氣力除灰控制系統(tǒng)包括對機(jī)組除灰、壓縮空氣、空氣干燥過濾、飛灰輸送等系統(tǒng)的控制； （2）水力除灰渣控制系統(tǒng)包括對撈渣機(jī)、沖洗沖灰泵房、灰渣泵房、省煤器灰斗、空預(yù)器灰斗、聯(lián)絡(luò)煙道灰斗及電除塵灰斗等系統(tǒng)的控制。 基于以上流程考慮，我們選用順序控制的方式，進(jìn)行分步控制：將系統(tǒng)按照除灰與除渣兩個程序分別建立相應(yīng)的控制站點(diǎn)，設(shè)計符合電廠工藝流程的控制邏輯。由于本文著眼于描述仿真平臺的搭建，具體的邏輯設(shè)計以及編寫過程就不加以進(jìn)一步描述。 3 仿真平臺的搭建 3.1 整體構(gòu)造思路 該仿真開發(fā)平臺完全基于計算機(jī)設(shè)計，對系統(tǒng)硬件配置無特殊要求，基本硬件配置情況為：（R）4CPU 2．40GHz，512MB電腦一臺；基本系統(tǒng)配置為：Windows 2000 Sever 操作系統(tǒng)。 整個DCS仿真開發(fā)平臺的軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示，由將控制組態(tài)軟件生成的邏輯組態(tài)數(shù)據(jù)和模型組態(tài)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)共享軟件實(shí)現(xiàn)模型和控制邏輯之間的數(shù)據(jù)傳遞，人機(jī)界面和虛擬控制站之間的數(shù)據(jù)交換由專門的數(shù)據(jù)通訊軟件實(shí)現(xiàn)。 本次設(shè)計如圖1中，A為組態(tài)軟件PineCAD；G即為虛擬控制站EmulateControl；F即為數(shù)據(jù)驅(qū)動軟件SIMCOmm；H為人機(jī)界面軟件iFIX。 3.2 虛擬控制站EmulateConltrol 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(shù)的設(shè)定可實(shí)現(xiàn)不同虛擬控制站之間的數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)據(jù)共享。 工作原理：經(jīng)過組態(tài)軟件PineCAD分析、編譯、鏈接生成的組態(tài)數(shù)據(jù)，輸出到虛擬控制站的輸入數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)，同時虛擬控制站根據(jù)輸入數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)數(shù)據(jù)的算法特點(diǎn)到其自身的元件算法庫調(diào)用相關(guān)的函數(shù)算法進(jìn)行運(yùn)算輸出。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2。 工作原理：經(jīng)過組態(tài)軟件PineCAD分析、編譯、鏈接生成的組態(tài)數(shù)據(jù)，輸出到虛擬控制站的輸入數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)，同時虛擬控制站根據(jù)輸入數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)數(shù)據(jù)的算法特點(diǎn)到其自身的元件算法庫調(diào)用相關(guān)的函數(shù)或算法進(jìn)行運(yùn)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(shù)庫、自定義算法庫、第三方算法庫，其中通過調(diào)用第三方成熟的算法庫可極大的豐富虛擬控制站的數(shù)據(jù)處理功能，同時也使其具有更大的靈活性。 在本次設(shè)計中我們分別為控制邏輯以及仿真模型建立了3個站點(diǎn)，見表1，均采用相同的執(zhí)行時間從而實(shí)現(xiàn)了二者傳輸?shù)耐?。為了正確分配數(shù)據(jù)的來源及走向，在PineCAD內(nèi)部加以相應(yīng)的設(shè)置，使不同分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在各自的站點(diǎn)間傳遞。如圖3所示。 虛擬控制站EmulateControl具有如下一些功能： （1）設(shè)定所需運(yùn)行的控制站總數(shù)，同時運(yùn)行各站組態(tài)邏輯和實(shí)現(xiàn)控制站之間數(shù)據(jù)傳送和共享； （2）可對所有控制站的執(zhí)行周期進(jìn)行設(shè)定；根據(jù)仿真需要，可進(jìn)行相應(yīng)的加速或減速； （3）為了調(diào)試的方便，可對輸入輸出及中間量進(jìn)行監(jiān)視，同時對數(shù)字量輸入點(diǎn)進(jìn)行寫入操作； （4）具有保存數(shù)據(jù)功能，對于運(yùn)行時間長的設(shè)備，可通過仿真的數(shù)據(jù)保存功能實(shí)現(xiàn)暫態(tài)工況的存貯，達(dá)到仿真中的無擾中斷，在繼續(xù)仿真時，只需直接進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)即可恢復(fù)上次運(yùn)行結(jié)果繼續(xù)仿直。 3.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動軟件SIMComm 數(shù)據(jù)驅(qū)動軟件SIMComm可視為實(shí)際DCS系統(tǒng)中硬件PLC廠商所提供的I/O驅(qū)動軟件。該軟件主要是負(fù)責(zé)人機(jī)界面iFIX和虛擬控制站EmulateControl之間的數(shù)據(jù)傳送，即將虛擬控制站運(yùn)行的數(shù)據(jù)根據(jù)iFIX畫面的“動畫鏈接”進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和顯示操作，同時將人機(jī)界面的設(shè)定值及一些開關(guān)量傳輸?shù)教摂M控制站作為輸入進(jìn)行運(yùn)算。其工作原理如圖4所示。 工作原理：首先虛擬控制站的運(yùn)行輸出數(shù)據(jù)通過讀寫程序讀取到內(nèi)存區(qū)，然后根據(jù)預(yù)先定義好的地址對照表，進(jìn)行虛擬控制站數(shù)據(jù)庫到人機(jī)界面軟件iFIX數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)換，再由iFIX數(shù)據(jù)庫讀寫程序?qū)?shù)據(jù)寫到iFIX數(shù)據(jù)庫；相反由用戶在人機(jī)界面設(shè)定的數(shù)據(jù)，先由iFIX數(shù)據(jù)庫讀寫程序?qū)?shù)據(jù)寫到內(nèi)存區(qū)，然后根據(jù)預(yù)先定義好的地址對照表，完成數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)化。所以可以看到整個通信過程的關(guān)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)之間的通訊，同時它還具備數(shù)據(jù)監(jiān)控、實(shí)時曲線顯示和量程轉(zhuǎn)換等功能，此外，還提供TCP/IP通信接口。 3.4 組態(tài)軟件PineCAD 在本仿真系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制邏輯和模型組態(tài)及圖1中的B和C都是基于組態(tài)軟件PineCAD進(jìn)行組態(tài)，該組態(tài)軟件具有豐富的指令元件，同時可以根據(jù)實(shí)際需要，通過動態(tài)鏈接庫直接應(yīng)用第三方的成熟軟件如高級語言C語言等創(chuàng)建新的元件。此外，直觀的數(shù)據(jù)監(jiān)控手段，支持在線參數(shù)修改及穩(wěn)定地在線傳送功能等功能，完全可滿足仿真開發(fā)平臺要求。 3.4.1 基本元件介紹 PineCAD最重要的元件是直接關(guān)系到數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮斎?、輸出元件。其中輸入元件，按性質(zhì)分為模擬量輸入AI、數(shù)字量輸入DI、以及中間變量TA、TD；與之對應(yīng)的輸出也有AO、DO、TA、TD。其中除中間變量用于存儲過程數(shù)據(jù)，由必要時暫時調(diào)用內(nèi)存空間實(shí)現(xiàn)，無需分配硬件單元外，其他輸入單元都必須進(jìn)行細(xì)致的參數(shù)設(shè)定，確保傳輸?shù)臏?zhǔn)確有效。 如右圖所示，這是一個DI元件的內(nèi)部設(shè)置：，其中S參數(shù)代表的是接受數(shù)據(jù)的來源站點(diǎn)，Ss參數(shù)代表的是傳送數(shù)據(jù)的元件的下標(biāo)序號。因此，這個DI元件的數(shù)據(jù)來源是第9號站點(diǎn)的第3號DO元件。同時為了便于查詢數(shù)據(jù)走向，設(shè)計中有意將DI、AI的序號設(shè)置成與發(fā)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(tǒng)利用控制站之間通訊原理成功實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的閉環(huán)。從實(shí)現(xiàn)的角度來看，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(shí)際IO模塊的仿真?，F(xiàn)以圖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(dāng)控制邏輯發(fā)出一個啟動指令DO001后，設(shè)備模型由DI001來接受該啟動指令，通過與設(shè)備故障的“非”進(jìn)行“與”運(yùn)算后，延時輸出“泵已經(jīng)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(fù)位優(yōu)先指令使設(shè)備輸出DO001鎖定為1，從而實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備啟動的仿真，假如在控制邏輯發(fā)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(rèn)為設(shè)備啟動出現(xiàn)故障，置啟動故障DO002為1，從而完成對設(shè)備故障的仿真。對于設(shè)備的停止仿真等都是類似。 3.5 人機(jī)界面軟件iFIX 人機(jī)界面軟件iFIX包括了人機(jī)界面數(shù)據(jù)庫，人機(jī)界面組態(tài)工具和人機(jī)界面運(yùn)行的平臺。提供了系統(tǒng)流程圖、虛擬盤臺、操作子窗口、趨勢圖畫面、歷史數(shù)據(jù)顯示查詢、數(shù)據(jù)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(jìn)行人機(jī)界面的畫面制作時，需進(jìn)行數(shù)據(jù)庫建立、畫面組態(tài)和數(shù)據(jù)鏈接，具體如下： （1）數(shù)據(jù)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(shí)就是各個I/O點(diǎn)的含義，也就是進(jìn)行編程前，事先對I/O點(diǎn)含義進(jìn)行定義，一般是由下位機(jī)人員給出，按照一定的格式，用Microsoft Excel建立數(shù)據(jù)庫文件“*．CSV”；其次，SM2驅(qū)動文件的建立：I/O驅(qū)動器是iFIX與過程硬件進(jìn)行通信的接口。I/O Driver Configulation設(shè)置的目的是將PLC的地址和iFIX數(shù)據(jù)庫的地址聯(lián)系起來；最后利用數(shù)據(jù)庫管理器導(dǎo)入“*．CSV”文件，在數(shù)據(jù)庫管理器菜單欄的FILE項(xiàng)選擇“IMPORT”導(dǎo)入文件“*．CSV”，即做成了數(shù)據(jù)庫。 （2）畫面組態(tài) 所謂畫面組態(tài)就是利用iFIX所提供的原始畫面組態(tài)元件進(jìn)行畫面流程的組態(tài)，較為簡單，只需按照工藝流程進(jìn)行即可，在此不加以講述。 （3）數(shù)據(jù)鏈接 組態(tài)好的iFIX畫面要實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控，就必須進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接，使畫面所顯示的是所定義點(diǎn)的某一類型的值，例如當(dāng)前值。其實(shí)數(shù)據(jù)鏈接很簡單，就是把該點(diǎn)鏈接到數(shù)據(jù)庫中的某一點(diǎn)去。根據(jù)不同的顯示需要，針對要求直接將下位機(jī)的某一數(shù)據(jù)顯示于畫面上的進(jìn)行靜態(tài)顯示設(shè)置；針對要求顯示顏色等狀態(tài)變化的