智能发电实验教学中心
Experimental Teaching Center of Smart Power Generation

1. 实验名称:智能发电运行控制虚拟仿真实验

2. 实验目的:

 (1)能够进行智能发电运行控制ICSIntelligent Control System)功能模块的设计,包括硬件配置和软件组态设计;

 (2)能采用逻辑图例以及相应说明书、报告等形式,呈现组态设计过程和运行结果;

 (3)能够解决发电过程自动化领域工程问题的实践能力,提高对ICS软件工具的应用能力;

 (4)能够掌握电力生产中智能化检测、控制、优化、诊断系统设计方法。

3. 实验原理:

智能发电运行控制虚拟仿真实验设计内容主要就是利用虚拟的控制器,通过组态方式将ICS控制系统软硬件予以实现。具体实验原理为通过系统配置组态、实时数据库组态、控制策略组态、历史数据库组态、操作员站监控画面组态、报表组态使学生掌握ICS系统的基本结构及功能,掌握其在火力发电厂对象控制中的应用,掌握ICS中各个部分模块的作用和原理,进一步掌握实际工程中设计和实现发电运行智能监控系统的技术路线和方法。具体内容包括:

1)系统配置组态。主要指ICS中工程师站、操作员站、控制站的主机系统配置信息及外设类型,I/O

卡件信息、电源布置、控制柜内安装接线等。

2)实时数据库组态。实时数据库中一般包括两部分数据点的信息:一类为控制采集点,一类为中间计算点。前者为I/O 清单内容,后者往往是在进行控制运算、操作、及报表组态时产生的中间点。无论哪类数据点,都要在数据库中占据一个记录的位置,其中给出了该点的点号、点名、描述等相关信息。数据库组态是系统组态中应尽早完成的工作,因为只有有了数据库,其它的组态工作(控制回路组态、画面组态等)才可以调试。数据库组态一般通过专用软件进行,数据录入时一定要认真仔细,数据库中一个小的错误就会给运行带来极大的麻烦,如造成显示错误、操作不当甚至死机故障。

3)控制策略组态。控制策略组态指的是将系统设计时规定的模拟量控制、开关量控制等功能用ICS算法模块,或者通过自己编写先进智能算法模块予以实现。控制策略组态体现了智能发电运行控制中核心的智能控制策略。

4)历史数据库一般用于趋势显示、事故分析、报表运算等。历史数据通常占用很大的系统资源,特别是存储频率较快(如1秒)的点多时,会给系统增加较大的负担。每套ICS都给出了系统支持的各种历史点的数量,使用时应该做到心中有数。在保证重要数据按指定周期进入历史数据库的前提下,大量一般数据应尽量延长其在历史数据库中的存储周期。

5)操作员站显示画面组态。ICS中,运行人员主要通过操作员站画面来观察生产过程运行情况,并通过画面提供的软操作器来干预生产过程,因此画面设计是否合理、操作是否方便都会对运行产生重要影响。一项工程往往具有上百幅显示操作画面,有流程图画面、趋势画面、参数显示画面、操作画面等,画面的多少、画面调出方式、画面风格等都需要认真设计。画面生成一般用ICS提供的画面组态软件实现,这一部分工作也会占据相当大的组态时间。

(6)报表组态。主要包括选择需要报表打印的参数、设计报表格式及报表激活条件。

4. 包括的知识点:

知识点1国产先进的ICS控制系统基本框架和功能划分;

知识点2ICS控制系统的分层网络结构;

知识点3ICS控制系统的工程师站与配置方法;

知识点4ICS控制系统控制站和I/O模块的硬件和功能,软件组态配置方法;

知识点5ICS控制策略组态算法模块和设计过程;

知识点6控制策略中的手/自动切换、无扰跟踪、闭锁增/减、超驰控制;

知识点7控制策略组态中的顺序与逻辑控制方案;

知识点8ICS控制系统的操作员站画面组态设计思路与方法。

5. 实验仪器设备:

实验设备:连接网络的PC

软件:1Windows XP以上操作系统

 (2) 基于VDPUVirtual Distributed Process Units,虚拟分散处理单元)的智能发电ICSIntelligent Control System)仿真控制系统

6. 实验教学方法:

 本实验项目采用项目驱动式实验教学方法,即通过布置学生一个实际火力发电生产过程中需要的控制系统设计任务,让学生分析任务要求,了解系统组成,学习ICS相关技术文档,掌握各个部分组态设计方法,最终完成ICS系统的组态过程,引导学生学以致用,达到理论联系实际,知识融会贯通,增强对于理论知识的学习兴趣,提高学习效率。

1)使用目的:通过虚拟仿真实验,使学生全面了解智能发电运行控制系统技术,了解其中的智能监测、智能控制、智能优化、智能诊断各项功能和技术。并通过实际的操作组态完成智能化监控系统的组态设计,提高学生的实践应用能力和解决问题能力。

2)实施过程

  • 掌握和了解火力发电生产过程,了解ICS系统的基本架构和主要设备和网络层次

  • 掌握火力发电生产过程中主要控制回路的对象特性、控制方案、控制策略、控制要点、被控变量和控制变量、相关保护逻辑回路

  • 接受项目任务,对所需设计的控制系统进行基本控制方案和控制策略分析

  • 通过学习分析ICS组态软件相关技术文档和指导教师的指导,完成相应的ICS控制系统系统配置、实时数据库、控制策略、历史数据库、操作员站监控画面、报表、报警等功能组态

  • 调试分析所设计系统的可行性和可靠性

3)实施效果:通过智能发电运行控制虚拟仿真实验可以让学生更加深入了解火力发电厂的控制系统构成,掌握设计相关智能控制系统的方法与过程,达到理论与实际相结合的目的,也提高了学生的动手操作能力和实践应用能力。

7. 实验方法:

实验中包括了实际电厂基本工艺流程、控制系统设计结构、控制设备实现采用VDPU(虚拟分散处理单元)实现;控制软件、控制策略、操作画面、软件组态方法与现场一一对应,同步于实际操作的虚实结合方法。在实验过程中先要求学生了解火力发电系统和控制设备,在通过在和实际对应的ICS组态软件上进行的各类组态操作,掌握实际中的控制系统组态方式,最后通过虚拟对象的调试运行,理解实际中控制策略的运行效果。提高学生的实验积极性和参与感,增加学生的实际工程应用能力。

8.交互性操作步骤:

1步:火力发电厂生产工艺流程分析

通过虚拟仿真机平台的超(超)临界火电机组的工艺流程(如图1所示),了解火力发电厂的主要设备锅炉、汽轮机、发电机以及相关重要辅机如送风机、引风机、一次风机、给煤机、磨煤机、空气预热器、省煤器、给水泵、高压加热器、低压加热器、除氧器、凝汽器、过热器、再热器等,了解火力发电厂的汽水流程和风烟流程。以及基本超(超)临界燃煤机组的主要热工参数测点位置和参数值。

1 超(超)临界火力发电工艺流程

2步:智能发电运行控制ICS系统架构了解

通过相关平台了解ICS的基本设备和网络架构,包括现场智能设备、高级应用控制器、工程师站、操作员站以及实时数据网、高级应用服务网等。在实验报告中记录所涉及的控制系统中控制器和相关I/O(输入/输出)点、工程师站、操作员站等IP地址和卡件测点地址。ICS系统架构如图2所示。

2  ICS系统架构


3步:ICS系统总体设计

启动ICS系统组态界面如图3所示。进行系统总体系统配置组态:包括ICS系统中工程师站、操作员站、现场控制站的主机系统配置信息,需要根据第2步中所记录工程师站、操作员站、现场控制站的配置内容一致,包括硬件(内存、主频、硬盘、外设等)、软件(主要指操作系统),I/O 卡件,并且操作员站、工程师站的配置相同,具体配置界面如图4所示。

3  ICS系统启动任务界面


4  ICS系统整体配置界面


完成系统整体配置后,进入DCS系统的自检系统,验证DCS配置是否正确。如图5所示。

5  DCS系统自检


在实验报告中记录所配置的系统配置表,画出系统结构图。


4步:ICS系统数据库组态

数据库的组态一般分为两部分:数据采集测点的配置组态和中间计算点的组态。首先要根据所针对的系统统计ICS所需测点,包括测点名称,编号,类型,工作点值,报警上下限,报警死区。在现场实际中,这些测点是由输入输出卡件由工业现场采集数据获得,主要工作在卡件配置上,其组态界面如图所示。在本虚拟仿真实验中,不提供实际的信号源,因此需要使用SAMA图中信号源模块来提供仿真数据,由中间计算点完成图形及报表的数据基础功能。

认真分析系统流程图及测点配置,在实验报告中记录系统测点表,参考表1所示。

1  ICS系统数据库配置表

序号

测点名称

编号

类型

单位

初始值

报警上限

报警下限

1

主汽温度

AI-001

模拟量输入

540

560

520

.










5步:控制策略组态

控制策略组态是系统的核心,所有的控制逻辑都在这里实现,包括了连续模拟量控制策略、顺序控制功能和保护性控制策略,其组态界面如图所示。可以采用图形化组态方式在,在ICS系统的算法库中调用所需的算法模块,通过图形信号连接和编译完成控制策略的组态。实验中应按照要求的设计和控制策略完成组态,并能实现手自动和不同控制方案间的无扰切换。图形化的控制策略组态界面如图6所示。

(a) 控制策略组态

(b) 控制策略实现

6  控制策略组态设计与实现界面


6步:操作员站监控画面组态

操作员站相关的监控画面类型主要包括:流程画面、数据一览、控制设备显示。

监控画面组态是操作人员进行操作的平台,所以应尽量做到直观方便,并且可实现所有需要的上位操作。其中流程画面尽量分布得当,尽可能多地显示系统信息,但要精,即要突出重要信息。颜色,布局要统一。在约定中,绿色表示执行机构停止,红色表示运行中。红色表示蒸汽,绿色表示水,黄色表示油路。布局要统一,画面不能太密也不能太稀疏。可以加入一些动画效果,如水位状态,也可以加入一些三维组件,如管道、汽轮机等。但不能使画面太乱。各种元素位置要统一,主要指弹出窗口的位置。其中最重要的是一定要保证动态点显示正确。

数据一览画面主要用于集中显示数据,便于运行人员集中监视,一般分为模拟量一览表和数字量一览表。使用表格方式,显示内容包括测点名称、参数值和工程单位。

控制设备显示主要指操作器与调节器画面,在设计完画面之后再对画面按键进行命令连接,对显示内容进行数据连接。对于调节器画面,与A/M 站模块和PID模块相关,所以在设计该显示界面时要对这两个模块及闭环控制系统的构成进行详细了解。对于操作器画面,则只与A/M站模块相关。例如可以设计如图6所示的监控系统画面。

6  操作员监控界面


7步:报警组态

报警画面上显示发生报警的名称、日期、时间、优先级和报警状态等,最先发生的报警点显示在首行,以下按时间顺序排列。根据报警等级用不同方式处理报警。在报警画面上可以对单条、全屏幕或所有报警进行确认。实验中应理解报警优先级、报警确认等概念,完成主要参数点的报警组态。

报警界面如图7所示。

7  报警界面


8步:趋势组态

趋势画面是在一幅画面上显示一组点随时间的变化趋势。趋势显示可以帮助运行人员了解参数的变化过程及发展趋势,以便提前采取控制措施。趋势显示分为实时趋势与历史趋势两种。将实时趋势数据存入磁盘后,在需要时再调出来显示就成为历史趋势。

实时趋势中,所记录参数的最新值被以曲线及数值的形式显示在屏幕上,且允许用户改变实时曲线的更新间隔及数据处理方式。如可以选择显示最近一次采样值、几次采样中的最大值、最小值或平均值等。一幅趋势画面上可以显示多条曲线,也可以将屏幕分成多个窗口进行显示,不同参数用不同的颜色,并有相应的显示刻度范围和时间轴。用户可以适当对纵坐标或横坐标进行缩放,以便了解参数的变化细节。趋势显示中,若以某参数为横坐标,另外一个或几个参数为纵坐标,那么就生成X-Y图。X-Y图在进行阀门特性试验等调试工作时很有用处。

实验中应完成主要参数点的实时和历史趋势显示。实时趋势曲线界面如图8所示。

8  实时趋势


9步:历史数据库组态

ICS系统能够集中进行历史数据存储和管理功能,一般还要根据数据点的存储频度将历史数据分组,典型的分组方法是:

  • 高频历史存储记录。存储间隔一般为10秒、15秒或20秒。

  • 普通历史存储记录。存储间隔一般为1分以上。

  • 时综合记录。用来存储以小时为间隔的历史数据,时综合记录的长度可以是若干天。

  • 日综合记录。以日为单位存储历史数据。

实验中根据所设计的系统自身参数特点设计历史数据库中应存储的数据点和存储类型,完成历史数据组态

10步:控制策略调试运行

启动VDPU,并进入控制策略组态系统,开启调试运行模式,在调试运行模式下观察控制系统是否能够平稳运行。操作其中的手操器,选择手动模式,改变操作变量值,观察系统过程变量是否能够在操作变量的变化下按实际对象运行规律变化。进行手自动切换,观察在手自动切换情况下,系统是否能够实现各控制参数的无扰切换。切换到自动模式下,观察系统的控制器输出是否按所设计控制策略完成。在异常和特殊工况下是否能够按所设计控制逻辑实现保护和报警功能。控制策略调试界面如图9所示。

9  控制策略调试与优化


11步:控制器参数整定与优化

在控制策略组态软件调试运行模式下,观察实时趋势曲线是否符合对象特性要求,控制器的正反作用配置是否正确。对控制器参数进行优化整定,并修改控制策略中的控制器参数。可以选用如图10所示的系统辨识工具,进行对象模型辨识,然后再用机器学习工具对整定后的控制器参数进行参数的进一步优化。

10  系统辨识工具


12步:系统调试运行

在保持VDPU运行情况下,启动操作员运行画面,观察在操作员站下是否能够正确进行手自动操作,以及修改操作变量和设定值等基本操作,观察所有相关过程变量是否能够正确显示,观察在异常和特殊工况下的报警和强制手动功能是否正常。

13步:控制策略的智能优化

针对之前的控制策略,选取先进的智能算法模块或者通过解读生产运行数据信息,对实际对象进行模型辨识、参数预估、智能优化。可以首先采用如图11所示的可视化数据抽取及工况切分工具分析对象数据和工况特性,并针对之前辨识所得对象模型特性,分析适合于该对象的先进智能控制策略,选用ICS系统内置的广义预测控制、自抗扰控制、状态观测、能效分析、运行优化、软测量等工具或算法模块,如图12所示,实现如图13所示的先进智能控制策略,并采用机器学习训练工具进行关模块和参数进行优化训练,获得系统的最优参数。

11 可视化数据抽取及工况切分工具


12  智能控制模块

13 智能化模块配置图


14步:智能优化与诊断

验证第13步的智能优化控制效果,与第11步、12步的控制效果进行对比。同时,针对仿真机的设备参数进行全面智能监测与预警,可以实现对故障的精准定位,进一步通过控制策略的修正,预期达到故障桩体的自修复。其基本流程如图14所示。

(a) 设置训练参数

(b) 启动机器学习训练引擎

(c) 设置合理预警参数范围

14 智能优化与诊断过程


9. 实验要求

  1. 必须记录每步实验结果

  2. 应提交相关实验报告

  3. 成实验后,学生还需要进行现场的组态操作和答辩,通过组态操作和答辩以及实验步骤和最后的实验报告综合获得实验评分。

10. 考核要求

考核成果满分为100分,具体的考核项目如下:

1)学习火电机组仿真机设备,了解火力发电厂生产工艺流程,能够熟悉或电厂的相关主体设备、汽水流程、风烟流程和主要控制系统和控制装置。(占15%

2)完成基于VDPU的智能发电ICS仿真系统上的一个基本火力发电厂控制系统设计,最终设计的系统能够稳定运行,其中系统的DPU站、I/O(输入/输出)卡件配置等硬件配置能够符合实际电厂控制设备要求;能够配置合理的实时数据库系统,且数据库的数据变量与I/O卡件硬件、控制策略模块参数、操作员站的相关参数应一一对应;操作员站上操作画面合理且有较好交互性,在运行情况下能够实现包括手动情况下操作执行器,手自动无扰切换,自动状况下能够实现对被控参数的平稳控制;能够通过实时趋势曲线观察控制效果,且控制效果较理想,且能调用历史趋势;系统具有在异常或紧急工况下的手动后备、超驰控制、以及报警功能。(占30%

3)能够现场答辩中完成随机抽取的ICS系统的基本组态操作,操作熟练。(20%

4)能够口头回答与本实验相关的知识点或操作的问题。(20%

5)撰写的实验报告格式规范,内容达标。包括对于火电发电相关主设备和工艺流程、ICS中主要控制系统设备、ICS组态过程操作、控制策略设计思路和控制系统图、运行数据和曲线分析记录、结果分析与总结等方面。(占15%

11. 面向学生要求

  1. 专业与年级要求

自动化专业、测控技术与仪器专业,全日制本科四年级学生

  1. 基本知识和能力要求等

具备需要先修能源电力概论、自动控制原理、过程控制系统设计、计算机测控技术、分散控制系统、电厂动力工程或者电厂热力设备等相关课程,能够掌握控制基本知识和概念。