許紅兵　王亞青　閆蕾

摘 要

介紹了完全基于DCS自帶的虛擬DPU根據(jù)實驗室硬件自主設(shè)計DCS仿真教學(xué)系統(tǒng)的方法，設(shè)計的虛擬DCS仿真教學(xué)系統(tǒng)可在每臺計算機(jī)上實現(xiàn)，大大增加了學(xué)生的動手機(jī)會，并節(jié)約大量建設(shè)經(jīng)費。

【關(guān)鍵詞】DCS 虛擬DPU 仿真 教學(xué)系統(tǒng)

1 引言

DCS在電廠中得到廣泛的應(yīng)用，在為數(shù)眾多的工業(yè)企業(yè)中也得到大量的應(yīng)用，是目前極為重要的控制方式，因此相關(guān)院校都很重視DCS教學(xué)。目前大多數(shù)院校采用的是購置真實DCS硬件系統(tǒng)的方式開展教學(xué)，少數(shù)院校采用購置DCS仿真教學(xué)系統(tǒng)開展教學(xué)。但是無論是購置DCS硬件系統(tǒng)還是購置DCS仿真教學(xué)系統(tǒng)費用都較高，各院校一般只配備少數(shù)幾套。在教學(xué)中，由于設(shè)備少，學(xué)生只能一組、一組的練習(xí)，大大影響了教學(xué)效果，不利于教學(xué)工作的開展。

在本文中，提出了基于虛擬DPU根據(jù)實驗室硬件自主設(shè)計DCS仿真教學(xué)系統(tǒng)的方法，設(shè)計的虛擬DCS系統(tǒng)可在每臺計算機(jī)上實現(xiàn)，大大增加了學(xué)生的動手機(jī)會，并節(jié)約大量建設(shè)經(jīng)費。

2 常見DCS仿真教學(xué)系統(tǒng)的實現(xiàn)

目前，DCS仿真教學(xué)系統(tǒng)主要有兩種：全激勵式仿真系統(tǒng)和基于虛擬DCS的激勵式仿真系統(tǒng)。

1.1 全激勵式仿真系統(tǒng)

如圖1所示，全激勵式仿真系統(tǒng)保留分散控制系統(tǒng)的軟硬件，對象用仿真模型實現(xiàn)，仿真支撐系統(tǒng)模型運行在模型計算機(jī)上。在全激勵式仿真系統(tǒng)中，DCS部分與現(xiàn)場完全一樣，學(xué)生可在全激勵仿真系統(tǒng)上進(jìn)行邏輯的組態(tài)、邏輯的修改，系統(tǒng)的運行、系統(tǒng)的調(diào)試等，學(xué)生可以得到在現(xiàn)場工作一樣的真實訓(xùn)練效果。但該方案DCS硬件費用較高，因此采用的學(xué)校較少。

1.2 基于虛擬DCS的激勵式仿真系統(tǒng)

基于虛擬DCS的激勵式仿真系統(tǒng)采用虛擬DPU取代真實DPU硬件設(shè)備，虛擬DPU在非DCS的計算機(jī)上實現(xiàn)，實際分散控制單元中的DPU 功能移植到虛擬 DPU 軟件上。這樣整個虛擬 DCS 系統(tǒng)就可以脫離數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)運算硬件設(shè)備而工作，節(jié)省大量硬件投資。圖2是實際DCS系統(tǒng)與基于虛擬DCS的激勵式仿真機(jī)系統(tǒng)的比較。

在基于虛擬DCS的激勵式仿真系統(tǒng)上，可以完成除硬件維護(hù)外的所有邏輯組態(tài)、系統(tǒng)的運行、系統(tǒng)調(diào)試等教學(xué)工作。

基于虛擬DCS的激勵式仿真系統(tǒng)需要專門的仿真支撐系統(tǒng)平臺運行仿真對象模型，并完成和虛擬DPU通信與數(shù)據(jù)交換。因此，基于虛擬DCS的激勵式仿真系統(tǒng)一般價格也較貴，實訓(xùn)室一般只購買幾套，學(xué)生動手機(jī)會還是相對比較少。

3 完全基于虛擬DPU的DCS仿真教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)

完全基于虛擬DPU的DCS仿真教學(xué)系統(tǒng)可采用如圖3所示方式進(jìn)行開發(fā)。在此方式中采用多個虛擬DPU，部分虛擬DPU仿真DPU運算站；部分虛擬DPU作為仿真對象運行平臺，支撐仿真對象的運行計算。

在學(xué)校的DCS實訓(xùn)室中一般建設(shè)有真實DCS硬件控制系統(tǒng)和真實的過程對象（例包含水箱、加熱器等的過程對象），但一般只建設(shè)少數(shù)幾套，學(xué)生難以得到充分訓(xùn)練。在虛擬DPU中運行的仿真對象數(shù)學(xué)模型需用DCS軟件組態(tài)，用其組態(tài)大型火力發(fā)電廠對象比較困難，但用其組態(tài)搭建實驗室對象數(shù)學(xué)模型則不是很困難的事，而且教師一般也有能力完成實驗室對象數(shù)學(xué)模型的建立和組態(tài)。通過建立如圖3所示的仿真系統(tǒng)，則學(xué)生可以完成除硬件維護(hù)以外的所有DCS組態(tài)、下裝、運行、調(diào)試等。建立的仿真系統(tǒng)可以安裝到每一臺計算機(jī)上，大大提高學(xué)生動手練習(xí)的機(jī)會。

4 新華DCS完全基于虛擬DPU的DCS仿真教學(xué)系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

4.1 總體設(shè)計

新華DCS自帶虛擬DPU功能，借助其虛擬DPU功能，建立二個虛擬DPU。用一個虛擬DPU仿真取代真實DPU控制柜硬件設(shè)備。在另一個虛擬DPU中運行過程控制對象仿真數(shù)學(xué)模型。仿真對象和虛擬DPU柜通過通信聯(lián)系。

4.2 建立虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

通過操作系統(tǒng)添加硬件向?qū)?，添加虛擬網(wǎng)卡Microsoft Loopback Adapter建立虛擬網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境?；蛑谱髯原h(huán)網(wǎng)頭插在計算機(jī)網(wǎng)口，實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)通信。

設(shè)置兩個虛擬DPU的Vdpu.cfg文件，將節(jié)點號NODE設(shè)為不同值（例1和2），虛擬DPU1仿真真實DPU，虛擬DPU2運行仿真對象數(shù)學(xué)模型。xnet.ini文件的設(shè)置與真實DCS一致。

4.3 輸入輸出卡件的仿真

模擬量輸入卡件采用模擬量下網(wǎng)功能塊XNETAI功能塊仿真、模擬量輸出卡件采用模擬量上網(wǎng)功能塊XNETAO功能塊仿真、開關(guān)量輸入卡件采用開關(guān)量下網(wǎng)功能塊XNETDI功能塊仿真、開關(guān)量輸出卡件采用開關(guān)量上網(wǎng)功能塊XNETDO功能塊仿真等，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)。例XNETAO模塊參數(shù)設(shè)置如圖4所示。

4.4 過程對象的仿真

通過對象特性試驗測試實驗室過程對象特性，研究其數(shù)學(xué)模型。將過程對象數(shù)學(xué)模型采用DCS功能塊組態(tài)，并下裝到模型運算虛擬DPU2中。

4.5 控制設(shè)計組態(tài)

控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組態(tài)、邏輯組態(tài)、畫面組態(tài)、動畫連接等除輸入輸出采用仿真輸入輸出外，其余完全與真實DCS組態(tài)一致。

控制邏輯組態(tài)下裝到仿真真實DPU的虛擬DPU1中。

4.6 DPU運算站與仿真對象運算站之間的通信

DPU運算站與仿真對象運算站之間的通信通過上網(wǎng)功能塊和下網(wǎng)功能塊通信。

5 我校新華DCS仿真教學(xué)的實踐

我院自動化專業(yè)DCS實訓(xùn)室建設(shè)了一套含有新華DCS控制柜和高級過程控制對象的真實DCS硬件系統(tǒng)，高級過程對象包含水箱、加熱鍋爐、恒壓泵、變頻泵等。我們按照圖3所示方法基于新華DCS的虛擬DPU設(shè)計了和實驗室真實硬件對象特性基本相同的仿真對象和虛擬DPU控制柜，并將仿真系統(tǒng)安裝在每一臺計算機(jī)上。教學(xué)中，學(xué)生首先在虛擬DCS仿真系統(tǒng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)庫、畫面、控制邏輯等等的組態(tài)，組態(tài)可下載到操作員站和虛擬DPU中，并可在虛擬DCS仿真系統(tǒng)中進(jìn)行系統(tǒng)的運行、調(diào)試和投參數(shù)等。在虛擬DCS仿真系統(tǒng)上完成控制系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試后，只需將組態(tài)中的輸入、輸出接口根據(jù)實驗室中真實DCS硬件的接口做相應(yīng)修改（其余組態(tài)均不需改變），將組態(tài)下載到真實DCS中，即可實現(xiàn)對實驗室真實DCS硬件過程控制系統(tǒng)的控制。此種方式，學(xué)生可在虛擬DCS仿真系統(tǒng)上得到充分訓(xùn)練，經(jīng)過多年實踐取得了較好的教學(xué)效果。同時基于此系統(tǒng)我們還設(shè)計了水箱液位串級控制、鍋爐內(nèi)膽水溫與循環(huán)水流量串級控制等22項實驗，供過程控制系統(tǒng)課進(jìn)行實驗教學(xué)。

6 結(jié)束語

完全基于虛擬DPU設(shè)計仿真系統(tǒng)，由于不需購買專門的仿真支撐系統(tǒng)平臺，可大大節(jié)省建設(shè)經(jīng)費。該仿真系統(tǒng)設(shè)計方法特別適合于建設(shè)與實驗室控制對象和控制系統(tǒng)完全一致的小型仿真系統(tǒng)，設(shè)計的仿真系統(tǒng)可安裝到每一臺計算機(jī)上，使學(xué)生得到充分的訓(xùn)練。

參考文獻(xiàn)

[1]許紅兵，閆蕾.仿真技術(shù)在熱工控制技術(shù)專業(yè)教學(xué)中的研究與實踐[J].中國電力教育，2014（316）：53-54.

[2]高叔開，彭峰，張聰師，王心武.火電機(jī)組激勵式仿真系統(tǒng)的構(gòu)建[J].計算機(jī)仿真，2005，22（06）：253-254.

[3]王立志，王自嶺.基于DCS仿真系統(tǒng)教學(xué)模式的研究[J].山東電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2009，12（03）：69-71.

[4]韓 璞，翟永杰，王立志，張萍.基于虛擬DCS的激勵式仿真系統(tǒng)分析與設(shè)計[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2005，32（02）：37-40.

作者簡介

許紅兵（1968-），男，河北省易縣人?，F(xiàn)為保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化教研室主任、教授，主要從事單片機(jī)、復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真、分散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)研究。

作者單位

保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院動力工程系 河北省保定市 071051