摘要：本文結(jié)合國內(nèi)外火力發(fā)電等過程工業(yè)系統(tǒng)仿真控制技術(shù)的實踐，完整定義了 　 　 引 言 集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）在電力、石化和冶金等過程工業(yè)的全面廣泛應(yīng)用，是上世紀(jì)九十年代國際自動控制技術(shù)領(lǐng)域最大的成就之一。經(jīng)過近十多年的快速發(fā)展和激烈競爭，美國、德國、日本等的兒個主要自動控制系統(tǒng)供應(yīng)商都先后推出過三代 DCS產(chǎn)品，我國也出現(xiàn)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的DCS產(chǎn)品。目前DCS應(yīng)用己經(jīng)趨于成熟， DCS正在進行技術(shù)重組和調(diào)整，但其技術(shù)進步并沒有停止[1]。在計算機信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的促進下，工業(yè)界提出"網(wǎng)絡(luò)化"、"信息化"、"數(shù)字化"的需求。作為數(shù)字化的基礎(chǔ)，DCS將發(fā)揮不可替代的作用。DCS系統(tǒng)應(yīng)用會進一步向控制和管理集成發(fā)展，而DCS的全范圍仿真正在向所謂"虛擬（Virtual）"技術(shù)方向發(fā)展。 本文將在有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)起草內(nèi)容和最新的國外軟件開發(fā)機構(gòu)提供內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年來國內(nèi)外火力發(fā)電等過程工業(yè)系統(tǒng)仿真的技術(shù)實踐，完整定義"虛擬DCS"技術(shù)概念，對其進行細致的分類和論述。本義特別強調(diào)開放的計算機軟件和網(wǎng)絡(luò)平臺上的"虛擬 DCS"技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用，全面論述開放平臺 "虛擬DCS"技術(shù)路徑和實現(xiàn)方案，供國內(nèi)外同行參考和討論。 一、虛擬DCS的定義 虛擬DCS（Virtual DCS）是相對于在過，程工業(yè)系統(tǒng)中運行的真實DCS（Real DCS）而言的，"虛擬DCS"就是將真實DCS在非DCS的計算機系統(tǒng)中以某種形式再現(xiàn)。"虛擬"是現(xiàn)今廣泛使用的一種高新技術(shù)概念，比如有實現(xiàn)視景模擬的"虛擬現(xiàn)實"、采用CRT交互的"虛擬儀表"、構(gòu)建遠程多媒體雙向通信的"虛擬會議"等等。當(dāng)然，虛擬技術(shù)是完全建立在當(dāng)今高性能的計算機硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之上的。虛擬DCS不同于其它虛擬技術(shù)的是，其被虛擬對象也是計算機系統(tǒng)，而不是一般的物理系統(tǒng)。虛擬DCS就是要在計算機系統(tǒng)上再現(xiàn)計算機系統(tǒng)，具體地說，就是要在一種通常為開放平臺計算機信息管理系統(tǒng)中，盡可能真實地再現(xiàn)集散控制計算機系統(tǒng)。虛擬DCS正是過程工業(yè)數(shù)字化的基礎(chǔ)之一。 在實際應(yīng)用中，為了達到設(shè)計調(diào)試、人員培訓(xùn)、檢測診斷等系統(tǒng)應(yīng)用目標(biāo)，需要將真實DCS在非DCS的計算機系統(tǒng)中再現(xiàn)。目前共有三種形式，是分別根據(jù)DCS的控制設(shè)計、離線組態(tài)和構(gòu)成運行系統(tǒng)等生命周期的不同階段獲取系統(tǒng)資源而實現(xiàn)的，如圖1。 （1）激勵DCS（Stimulation）──通常是簡略輸人/輸出板卡和外設(shè)，采用真實DCS的硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的適當(dāng)或最小配置，再現(xiàn)DCS。激勵DCS具有最高的軟硬件逼真度，但是軟硬件實現(xiàn)成本很高，與對象模型系統(tǒng)連接較難，無法完成復(fù)雜的仿真應(yīng)用功能。 （2）虛擬DCS（Virtual DCS）──在完成 DCS組態(tài)之后，采用對DCS網(wǎng)絡(luò)下載文件迸行智能編譯轉(zhuǎn)換的方式，實現(xiàn)DCS的平臺轉(zhuǎn)移和再現(xiàn)。虛擬DCS應(yīng)具有極高的軟件功能逼真度，實現(xiàn)成本不高，能夠完成復(fù)雜的仿真應(yīng)用功能。 （3）仿真DCS（Simulation）──只要DCS完成控制功能和邏輯設(shè)計，就可以根據(jù)設(shè)計圖紙進行仿真。仿真DCS是多年來培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的通常采用的形式，雖然實現(xiàn)成本不高、能夠完成復(fù)雜的培訓(xùn)仿真應(yīng)用功能，但軟件功能逼真度和可信度相對不夠高，跟蹤修改較難，幾乎不能完成人員培訓(xùn)功能以外的高級應(yīng)用功能。 虛擬DCS的特點，就是控制參數(shù)和算法完全來自于下載文件，使用與DCS相同的算法、模塊、時間片、位號等，可以同步修改更新，軟件功能逼真度很高?？梢哉f，虛擬DCS能夠真正有效、經(jīng)濟和廣泛地應(yīng)用于人員培訓(xùn)和在線檢測診斷，滿足火力發(fā)電等過程工業(yè)"數(shù)字化"的需求。 二、虛擬DCS的分類 在全激勵DCS和全仿真DCS之間，存在著各種類型的虛擬DCS。由于DCS主要是由分散處理單元DPU（Distributed Process Unit）和操作員站人機界面HMI（Human Machine Interface）構(gòu)成的，相應(yīng)就有所謂 "虛擬DPU"和"虛擬HMI"的分類。虛擬 DPU、虛擬HMT以及部分虛擬的多種不同的排列組合，構(gòu)成了虛擬DCS的分類。對虛擬DCS的細致分類，有助于統(tǒng)一概念、明確規(guī)劃和應(yīng)用開發(fā)，對研究和工程實踐都是非常必要的。這里列出的分類，可以說，除（1）和 （8）之外，都屬于虛擬DCS范圍。 （1）全激勵DCS──其DPU的數(shù)量及運行軟件、HMI的數(shù)量及運行軟件都和真實DCS完全一致，僅需要為過程模型的連接開發(fā)接口軟件。目前國外使用的仿真系統(tǒng)、國內(nèi)迸口大型機組的仿真系統(tǒng)，大多數(shù)采用這類完全逼真的技術(shù)實現(xiàn)方案。 （2）最小配置DPU+真實HMI──將原本分散的DPU軟件集中在一臺DPU上運行，DPU硬件取最小激勵配置，而DPU軟件需經(jīng)過一些虛擬改造，開發(fā)實時數(shù)據(jù)共享接口軟件，采用真實HMI，對運行人員操作培訓(xùn)有完全的逼真度。 （3）最小配置DPU+仿真HMI──同樣DPU硬件取最小激勵配置和DPU軟件虛擬改造，但HMI采用第三方的人機界面組態(tài)工具進行開發(fā)，在開放的計算機軟件和網(wǎng)絡(luò)平臺上實現(xiàn)，對管理和檢修人員的在線使用有完全的功能逼真度。 （4）虛擬DPU+真實HMI──為了避免復(fù)雜的DPU對過程模型接口軟件開發(fā)，同時獲得豐富的再現(xiàn)DCS功能和高逼真度，可采用此類虛擬方案。 （5）虛擬DPU+虛擬HMI──這是完全的虛擬DCS類型，無論DPU還是HMI,其虛擬軟件都是通過DCS的下載文件的智能編譯轉(zhuǎn)換而獲得的，這是節(jié)省投資、縮短開發(fā)周期、獲得最高逼真度和最多應(yīng)用功能的理想技術(shù)方案。 （6）虛擬DPU+仿真HMI──在HMI軟件無法實現(xiàn)智能編譯轉(zhuǎn)換的情況下，采用第三方的人機界面組態(tài)工具進行開發(fā)，將 HMI轉(zhuǎn)移到開放的計算機軟件和網(wǎng)絡(luò)平臺上實現(xiàn)，對DPU則是采用虛擬的方法，這是對人員培訓(xùn)和在線檢測診斷都非常實用的技術(shù)方案。 （7）組態(tài)圖虛擬DPU+仿真HMI──如DPU和HMI的軟件都無法實現(xiàn)智能編譯轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)虛擬的方法是針對組態(tài)圖軟件進行仿真，在開放的計算機軟件和網(wǎng)絡(luò)平臺上單獨開發(fā)一套外觀和操作模式上與真實DCS十分接近的圖形化組態(tài)軟件，由系統(tǒng)人員或檢修人員迸行真實DPU和虛擬DPU的同步組態(tài)和同步修改，組態(tài)圖虛擬DPU生成軟件可輸出虛擬程序，并與過程模型的 HMI連接，實現(xiàn)虛擬DCS的功攤。 （8）全仿真DCS──這是目前國內(nèi)人員培刊仿真系統(tǒng)通常采用的技術(shù)方案。 各類虛擬DCS分類處于全激勵DCS和全仿真DCS之間，其逼真度、應(yīng)用功能和節(jié)省投資等三方面指標(biāo)，符合圖2所示的分布關(guān)系?，F(xiàn)在來看，虛擬DCS以其接近激勵DCS的逼真度、接近仿真DCS的應(yīng)用功能和最節(jié)省的投資，表現(xiàn)出相對的綜合優(yōu)勢。 三、虛擬DCS的技術(shù)實現(xiàn) 實現(xiàn)虛擬DCS的技術(shù)關(guān)鍵，就是開發(fā)智能編譯轉(zhuǎn)換軟件和建立虛擬運行技術(shù)平臺。智能編譯轉(zhuǎn)換軟件和算法模塊軟件，是采用通用的Visual C++6.0等工具開發(fā)，能夠在開放的Microsoft Windows平臺上運行，這樣就能在廠級SIS、MIS和仿真系統(tǒng)連成的管理網(wǎng)絡(luò)上，應(yīng)用虛擬DCS再現(xiàn)UNIX等平臺上的DCS功能。虛擬DCS連同過程數(shù)學(xué)模型一起成為運行分析和檢修管理人員桌面計算機隨 時可調(diào)用的檢測和診斷技術(shù)工具。 虛擬DCS的軟件技術(shù)開發(fā)，要求采用綜合統(tǒng)一的軟件方法處理各種真實DCS的組態(tài)信息，其實質(zhì)性工作不亞于編制幾種DCS軟 件運行系統(tǒng)軟件。實現(xiàn)虛擬DCS的具體技術(shù) 手段和方法有多種多樣，各研發(fā)機構(gòu)的軟件包 也不盡相同。本文作者認為，虛擬DCS的軟件 技術(shù)核心，不外乎由以下兒個組成部分: （l）DCS技術(shù)資料──由于虛擬DCS就是要對DCS迸行底層的仿真程序開發(fā)，需參考完整的DCS底層技術(shù)資料，對DCS的軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組態(tài)方法、算法模塊、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)庫管理、文件管理和通信協(xié)議等有深人的了解，經(jīng)過DCS廠家的技術(shù)培訓(xùn)，甚至獲得DCS廠家的技術(shù)支持，以解決虛擬過程中可能出現(xiàn)的問題。 （2）智能掃描解釋──虛擬DCS的智能編譯轉(zhuǎn)換軟件首先對真實DCS組態(tài)或修改完成以后的下載文件代碼進行掃插解釋，由于這些代碼沒有標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一的模式，是由各個DCS廠家自定義的各不相同的特殊形式匯編語言，所以對它們的掃描解釋需要帶有一定的智能判斷功能，同時智能地解釋和處理代碼的銜接、通信、冗余、容錯、異常、系統(tǒng)管理等特殊內(nèi)容。掃瞄解釋完成后，可建立完整的虛擬DCS組態(tài)語義庫，為統(tǒng)一的代碼轉(zhuǎn)換和輸出提供源數(shù)據(jù)。 （3）代碼自動生成──虛擬DCS面臨的問題是轉(zhuǎn)換前的下載文件會來自于不同 DCS系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換后的代碼要適合不同的仿真或分析計算程序要求，最好的解決方法是按掃描解釋結(jié)果建立的組態(tài)語義庫自動生成標(biāo)準(zhǔn)的和形式統(tǒng)一的VisualC++6.0程序代碼文件，然后在接口程序模塊考慮特殊處理。自動生成內(nèi)容包括數(shù)據(jù)庫定義、初始化定義、信號連接定義、算法模塊類之間例化定義、模塊組定義、接口定義等。代碼自動生成要求無人工干預(yù)、無手工修改、連續(xù)批量完成。 （4）程序編譯排錯──虛擬DCS的程序編譯系統(tǒng)是基于標(biāo)準(zhǔn)的C++編譯器的，具有嚴(yán)格的語法和連接檢查功能，如果出現(xiàn)語義邏輯錯誤、數(shù)據(jù)類型錯誤、或者連接定義缺乏，系統(tǒng)將提交報警或排錯信息。 （5）虛擬參數(shù)數(shù)據(jù)庫──虛擬DCS的參數(shù)包括輸人輸出變量、控制器參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)變量、人機交互變量等，數(shù)據(jù)類型包括模擬量、開關(guān)量、積算量、字符量等，要求能做到增、 刪、改、定義中文描述等。 （6）虛擬算法模塊庫──虛擬DCS的DPU控制算法模塊應(yīng)完全根據(jù)真實DCS定義的模塊來開發(fā)，每一種DCS的模塊類型都有一百左右，包括輸人輸出模塊、模擬控制模塊、邏輯控制模典、順序控制模塊和特殊計算模塊等。要求采用面向?qū)ο蟮膶崟r控制系統(tǒng)模塊編程技術(shù)，創(chuàng)建虛擬DCS算法類，體現(xiàn)封裝性、繼承性和多態(tài)性的高級軟件技術(shù)特點。 （7）人機界面組件庫──如采用仿真 HMI方案，則使用第三方的人機界面繪圖組態(tài)軟件來開發(fā)。如采用虛擬HMI方案，則要開發(fā)各種人機界面的動態(tài)組件，包括數(shù)據(jù)顯示、狀態(tài)顯示、按鈕、曲線圖、棒圖和軟手操器等。組件庫的調(diào)用程序也要求自動生成，或在較少的人工干預(yù)下實現(xiàn)生成。特別要注意生成與真實DCS相同功能的內(nèi)嵌邏輯程序或腳本程序，保證虛擬HMI的逼真度。 （8）過程模型接口──虛擬DCS特別要保留全部的DCS輸人輸出測點位號，與過程對象數(shù)學(xué)模型的連接也能模擬現(xiàn)場的安裝測點和調(diào)試工程。 （9）實時調(diào)度功能──虛擬DCS同樣也是實時程序，在運行時需要執(zhí)行實時調(diào)度。要求在編譯轉(zhuǎn)換時保留真實DCS同樣的時間片及實時調(diào)度結(jié)合，使虛擬HMI的逼真度。 （lO）虛擬仿真應(yīng)用功能──虛擬DCS是在通用和開放的計算機軟件平臺上進行開發(fā)和運行，因此可以與真實DCS系統(tǒng)連接運行，也可以與過程數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)一起閉環(huán)運行，還可以與SIS系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)運行，實現(xiàn)諸如快存、初始條件、接口、檢查、返回、重演、對比、統(tǒng)計、預(yù)測、模擬、尋優(yōu)等復(fù)雜的虛擬仿真應(yīng)用功能。四、虛擬DCS的應(yīng)用現(xiàn)狀 多年以來，國外的仿真系統(tǒng)都用激勵DCS的方式，國內(nèi)的仿真系統(tǒng)都采用仿真DCS的方式。近來，實時計算機仿真和控制系統(tǒng)技術(shù)以及智能編譯軟件技術(shù)的研究和發(fā)展，己經(jīng)能提供虛擬DCS解決方案。國內(nèi)的相應(yīng)研發(fā)己經(jīng)起步，而美國、德國的一些仿真控制系統(tǒng)研發(fā)機構(gòu)，己經(jīng)提供完整的虛擬DCS軟件包[2]。作為虛擬DCS技術(shù)的應(yīng)用實例之一，根據(jù)上述技術(shù)核心構(gòu)思進行軟件設(shè)計，由本文作者負責(zé)組織完成對某DCS的虛擬開發(fā)，實現(xiàn)對大型火電機組的DAS、MCS、SCS、FSSS、電氣、網(wǎng)控等全套控制功能和邏輯，各種接口點共6151點、全部狀態(tài)和參數(shù)點共60000多點，最終執(zhí)行模塊程序總量8·667MB，己經(jīng)可以與仿真兌現(xiàn)數(shù)學(xué)模型軟件等共同投人實際運行。 美國儀表、系統(tǒng)和自動化學(xué)會（ISA）在1994年修訂的ANSI/ISA-77.20美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《火電站仿真系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[3]中，對激勵DCS和仿真DCS做了技術(shù)說明，但對虛擬DCS還沒有直接涉及。為了規(guī)范虛擬DCS的研究、開發(fā)和應(yīng)用，ISA于2001年開始專門成立了一個ANSI/ISA-77.21技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)起草工作組，來自美國各大電力公司和國際著名仿真系統(tǒng)公司的技術(shù)專家，正在著手起草專門針對激勵DCS和虛擬DCS的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。本文作者也參加該工作組的技術(shù)討論。相信ANSI/ISA-77.21標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布后，將成為事實上的國際標(biāo)準(zhǔn)，對于虛擬DCS技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用起到很大的推動作用。 火力發(fā)電機組的仿真在國內(nèi)已經(jīng)相當(dāng)普及，近來電力行業(yè)的廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS也有了很大的發(fā)展[4][5]，對SIS的一項應(yīng)用，就是迸行在線檢測和診斷。由于各種條件的制約，這項應(yīng)用還沒有真正開展好。SIS這項應(yīng)用的基礎(chǔ)是要具備準(zhǔn)確的過程數(shù)學(xué)模型，而驗證過程數(shù)學(xué)模型的前提就是要采用虛擬 DCS技術(shù)方案。在經(jīng)過驗證后的數(shù)學(xué)模型再與虛擬DCS構(gòu)成閉環(huán)，提供數(shù)據(jù)參照和過程再現(xiàn)，與來自現(xiàn)場的真實數(shù)據(jù)進行比較，得到可信的檢測和診斷的結(jié)果。 五、結(jié) 論 在當(dāng)今高性能的計算機硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的"虛擬DCS"技術(shù)，就是將真實DCS在非DCS的通用和開放計算機軟件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺上以某種形式再現(xiàn)。當(dāng)前國內(nèi)外虛擬DCS技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)狀說明，墟擬DCS是一項新的仿真控制系統(tǒng)技術(shù)，己受到用戶單位、開發(fā)機構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)制定和管理方面的重視和投人，對于火力發(fā)電等過程工業(yè)"數(shù)字化"進程有很大的推動作用。