新华DCS仿真教学技术研究与实践

许红兵　王亚青　闫蕾

摘 要

介绍了完全基于DCS自带的虚拟DPU根据实验室硬件自主设计DCS仿真教学系统的方法，设计的虚拟DCS仿真教学系统可在每台计算机上实现，大大增加了学生的动手机会，并节约大量建设经费。

【关键词】DCS 虚拟DPU 仿真 教学系统

1 引言

DCS在电厂中得到广泛的应用，在为数众多的工业企业中也得到大量的应用，是目前极为重要的控制方式，因此相关院校都很重视DCS教学。目前大多数院校采用的是购置真实DCS硬件系统的方式开展教学，少数院校采用购置DCS仿真教学系统开展教学。但是无论是购置DCS硬件系统还是购置DCS仿真教学系统费用都较高，各院校一般只配备少数几套。在教学中，由于设备少，学生只能一组、一组的练习，大大影响了教学效果，不利于教学工作的开展。

在本文中，提出了基于虚拟DPU根据实验室硬件自主设计DCS仿真教学系统的方法，设计的虚拟DCS系统可在每台计算机上实现，大大增加了学生的动手机会，并节约大量建设经费。

2 常见DCS仿真教学系统的实现

目前，DCS仿真教学系统主要有两种：全激励式仿真系统和基于虚拟DCS的激励式仿真系统。

1.1 全激励式仿真系统

如图1所示，全激励式仿真系统保留分散控制系统的软硬件，对象用仿真模型实现，仿真支撑系统模型运行在模型计算机上。在全激励式仿真系统中，DCS部分与现场完全一样，学生可在全激励仿真系统上进行逻辑的组态、逻辑的修改，系统的运行、系统的调试等，学生可以得到在现场工作一样的真实训练效果。但该方案DCS硬件费用较高，因此采用的学校较少。

1.2 基于虚拟DCS的激励式仿真系统

基于虚拟DCS的激励式仿真系统采用虚拟DPU取代真实DPU硬件设备，虚拟DPU在非DCS的计算机上实现，实际分散控制单元中的DPU 功能移植到虚拟 DPU 软件上。这样整个虚拟 DCS 系统就可以脱离数据采集及数据运算硬件设备而工作，节省大量硬件投资。图2是实际DCS系统与基于虚拟DCS的激励式仿真机系统的比較。

在基于虚拟DCS的激励式仿真系统上，可以完成除硬件维护外的所有逻辑组态、系统的运行、系统调试等教学工作。

基于虚拟DCS的激励式仿真系统需要专门的仿真支撑系统平台运行仿真对象模型，并完成和虚拟DPU通信与数据交换。因此，基于虚拟DCS的激励式仿真系统一般价格也较贵，实训室一般只购买几套，学生动手机会还是相对比较少。

3 完全基于虚拟DPU的DCS仿真教学系统的开发

完全基于虚拟DPU的DCS仿真教学系统可采用如图3所示方式进行开发。在此方式中采用多个虚拟DPU，部分虚拟DPU仿真DPU运算站；部分虚拟DPU作为仿真对象运行平台，支撑仿真对象的运行计算。

在学校的DCS实训室中一般建设有真实DCS硬件控制系统和真实的过程对象（例包含水箱、加热器等的过程对象），但一般只建设少数几套，学生难以得到充分训练。在虚拟DPU中运行的仿真对象数学模型需用DCS软件组态，用其组态大型火力发电厂对象比较困难，但用其组态搭建实验室对象数学模型则不是很困难的事，而且教师一般也有能力完成实验室对象数学模型的建立和组态。通过建立如图3所示的仿真系统，则学生可以完成除硬件维护以外的所有DCS组态、下装、运行、调试等。建立的仿真系统可以安装到每一台计算机上，大大提高学生动手练习的机会。

4 新华DCS完全基于虚拟DPU的DCS仿真教学系统的实现方法

4.1 总体设计

新华DCS自带虚拟DPU功能，借助其虚拟DPU功能，建立二个虚拟DPU。用一个虚拟DPU仿真取代真实DPU控制柜硬件设备。在另一个虚拟DPU中运行过程控制对象仿真数学模型。仿真对象和虚拟DPU柜通过通信联系。

4.2 建立虚拟网络环境

通过操作系统添加硬件向导，添加虚拟网卡Microsoft Loopback Adapter建立虚拟网络通信环境。或制作自环网头插在计算机网口，实现虚拟网络通信。

设置两个虚拟DPU的Vdpu.cfg文件，将节点号NODE设为不同值（例1和2），虚拟DPU1仿真真实DPU，虚拟DPU2运行仿真对象数学模型。xnet.ini文件的设置与真实DCS一致。

4.3 输入输出卡件的仿真

模拟量输入卡件采用模拟量下网功能块XNETAI功能块仿真、模拟量输出卡件采用模拟量上网功能块XNETAO功能块仿真、开关量输入卡件采用开关量下网功能块XNETDI功能块仿真、开关量输出卡件采用开关量上网功能块XNETDO功能块仿真等，并设置相关参数。例XNETAO模块参数设置如图4所示。

4.4 过程对象的仿真

通过对象特性试验测试实验室过程对象特性，研究其数学模型。将过程对象数学模型采用DCS功能块组态，并下装到模型运算虚拟DPU2中。

4.5 控制设计组态

控制系统数据库组态、逻辑组态、画面组态、动画连接等除输入输出采用仿真输入输出外，其余完全与真实DCS组态一致。

控制逻辑组态下装到仿真真实DPU的虚拟DPU1中。

4.6 DPU运算站与仿真对象运算站之间的通信

DPU运算站与仿真对象运算站之间的通信通过上网功能块和下网功能块通信。

5 我校新华DCS仿真教学的实践

我院自动化专业DCS实训室建设了一套含有新华DCS控制柜和高级过程控制对象的真实DCS硬件系统，高级过程对象包含水箱、加热锅炉、恒压泵、变频泵等。我们按照图3所示方法基于新华DCS的虚拟DPU设计了和实验室真实硬件对象特性基本相同的仿真对象和虚拟DPU控制柜，并将仿真系统安装在每一台计算机上。教学中，学生首先在虚拟DCS仿真系统上进行数据库、画面、控制逻辑等等的组态，组态可下载到操作员站和虚拟DPU中，并可在虚拟DCS仿真系统中进行系统的运行、调试和投参数等。在虚拟DCS仿真系统上完成控制系统的设计、调试后，只需将组态中的输入、输出接口根据实验室中真实DCS硬件的接口做相应修改（其余组态均不需改变），将组态下载到真实DCS中，即可实现对实验室真实DCS硬件过程控制系统的控制。此种方式，学生可在虚拟DCS仿真系统上得到充分训练，经过多年实践取得了较好的教学效果。同时基于此系统我们还设计了水箱液位串级控制、锅炉内胆水温与循环水流量串级控制等22项实验，供过程控制系统课进行实验教学。

6 结束语

完全基于虚拟DPU设计仿真系统，由于不需购买专门的仿真支撑系统平台，可大大节省建设经费。该仿真系统设计方法特别适合于建设与实验室控制对象和控制系统完全一致的小型仿真系统，设计的仿真系统可安装到每一台计算机上，使学生得到充分的训练。

参考文献

[1]许红兵，闫蕾.仿真技术在热工控制技术专业教学中的研究与实践[J].中国电力教育，2014（316）：53-54.

[2]高叔开，彭峰，张聪师，王心武.火电机组激励式仿真系统的构建[J].计算机仿真，2005，22（06）：253-254.

[3]王立志，王自岭.基于DCS仿真系统教学模式的研究[J].山东电力高等专科学校学报，2009，12（03）：69-71.

[4]韩 璞，翟永杰，王立志，张萍.基于虚拟DCS的激励式仿真系统分析与设计[J].华北电力大学学报，2005，32（02）：37-40.

作者简介

许红兵（1968-），男，河北省易县人。现为保定电力职业技术学院自动化教研室主任、教授，主要从事单片机、复杂系统建模与仿真、分散控制系统与现场总线控制系统研究。

作者单位

保定电力职业技术学院动力工程系 河北省保定市 071051