摘要：本文結合國內外火力發電等過程工業系統仿真控制技術的實踐，完整定義了 　 　 引 言 集散控制系統DCS（Distributed Control System）在電力、石化和冶金等過程工業的全面廣泛應用，是上世紀九十年代國際自動控制技術領域最大的成就之一。經過近十多年的快速發展和激烈競爭，美國、德國、日本等的兒個主要自動控制系統供應商都先后推出過三代 DCS產品，我國也出現了具有自主知識產權的DCS產品。目前DCS應用己經趨于成熟， DCS正在進行技術重組和調整，但其技術進步并沒有停止[1]。在計算機信息網絡技術的促進下，工業界提出"網絡化"、"信息化"、"數字化"的需求。作為數字化的基礎，DCS將發揮不可替代的作用。DCS系統應用會進一步向控制和管理集成發展，而DCS的全范圍仿真正在向所謂"虛擬（Virtual）"技術方向發展。 本文將在有關國際標準起草內容和最新的國外軟件開發機構提供內容的基礎上，結合多年來國內外火力發電等過程工業系統仿真的技術實踐，完整定義"虛擬DCS"技術概念，對其進行細致的分類和論述。本義特別強調開放的計算機軟件和網絡平臺上的"虛擬 DCS"技術開發和應用，全面論述開放平臺 "虛擬DCS"技術路徑和實現方案，供國內外同行參考和討論。 一、虛擬DCS的定義 虛擬DCS（Virtual DCS）是相對于在過，程工業系統中運行的真實DCS（Real DCS）而言的，"虛擬DCS"就是將真實DCS在非DCS的計算機系統中以某種形式再現。"虛擬"是現今廣泛使用的一種高新技術概念，比如有實現視景模擬的"虛擬現實"、采用CRT交互的"虛擬儀表"、構建遠程多媒體雙向通信的"虛擬會議"等等。當然，虛擬技術是完全建立在當今高性能的計算機硬件、軟件和網絡系統之上的。虛擬DCS不同于其它虛擬技術的是，其被虛擬對象也是計算機系統，而不是一般的物理系統。虛擬DCS就是要在計算機系統上再現計算機系統，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中，盡可能真實地再現集散控制計算機系統。虛擬DCS正是過程工業數字化的基礎之一。 在實際應用中，為了達到設計調試、人員培訓、檢測診斷等系統應用目標，需要將真實DCS在非DCS的計算機系統中再現。目前共有三種形式，是分別根據DCS的控制設計、離線組態和構成運行系統等生命周期的不同階段獲取系統資源而實現的，如圖1。 （1）激勵DCS（Stimulation）──通常是簡略輸人/輸出板卡和外設，采用真實DCS的硬件、軟件和網絡系統的適當或最小配置，再現DCS。激勵DCS具有最高的軟硬件逼真度，但是軟硬件實現成本很高，與對象模型系統連接較難，無法完成復雜的仿真應用功能。 （2）虛擬DCS（Virtual DCS）──在完成 DCS組態之后，采用對DCS網絡下載文件迸行智能編譯轉換的方式，實現DCS的平臺轉移和再現。虛擬DCS應具有極高的軟件功能逼真度，實現成本不高，能夠完成復雜的仿真應用功能。 （3）仿真DCS（Simulation）──只要DCS完成控制功能和邏輯設計，就可以根據設計圖紙進行仿真。仿真DCS是多年來培訓仿真系統的通常采用的形式，雖然實現成本不高、能夠完成復雜的培訓仿真應用功能，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功能以外的高級應用功能。 虛擬DCS的特點，就是控制參數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。可以說，虛擬DCS能夠真正有效、經濟和廣泛地應用于人員培訓和在線檢測診斷，滿足火力發電等過程工業"數字化"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）構成的，相應就有所謂 "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，構成了虛擬DCS的分類。對虛擬DCS的細致分類，有助于統一概念、明確規劃和應用開發，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的數量及運行軟件、HMI的數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接口軟件。目前國外使用的仿真系統、國內迸口大型機組的仿真系統，大多數采用這類完全逼真的技術實現方案。 （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軟件需經過一些虛擬改造，開發實時數據共享接口軟件，采用真實HMI，對運行人員操作培訓有完全的逼真度。 （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工具進行開發，在開放的計算機軟件和網絡平臺上實現，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──為了避免復雜的DPU對過程模型接口軟件開發，同時獲得豐富的再現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換而獲得的，這是節省投資、縮短開發周期、獲得最高逼真度和最多應用功能的理想技術方案。 （6）虛擬DPU+仿真HMI──在HMI軟件無法實現智能編譯轉換的情況下，采用第三方的人機界面組態工具進行開發，將 HMI轉移到開放的計算機軟件和網絡平臺上實現，對DPU則是采用虛擬的方法，這是對人員培訓和在線檢測診斷都非常實用的技術方案。 （7）組態圖虛擬DPU+仿真HMI──如DPU和HMI的軟件都無法實現智能編譯轉換，實現虛擬的方法是針對組態圖軟件進行仿真，在開放的計算機軟件和網絡平臺上單獨開發一套外觀和操作模式上與真實DCS十分接近的圖形化組態軟件，由系統人員或檢修人員迸行真實DPU和虛擬DPU的同步組態和同步修改，組態圖虛擬DPU生成軟件可輸出虛擬程序，并與過程模型的 HMI連接，實現虛擬DCS的功攤。 （8）全仿真DCS──這是目前國內人員培刊仿真系統通常采用的技術方案。 各類虛擬DCS分類處于全激勵DCS和全仿真DCS之間，其逼真度、應用功能和節省投資等三方面指標，符合圖2所示的分布關系。現在來看，虛擬DCS以其接近激勵DCS的逼真度、接近仿真DCS的應用功能和最節省的投資，表現出相對的綜合優勢。 三、虛擬DCS的技術實現 實現虛擬DCS的技術關鍵，就是開發智能編譯轉換軟件和建立虛擬運行技術平臺。智能編譯轉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，能夠在開放的Microsoft Windows平臺上運行，這樣就能在廠級SIS、MIS和仿真系統連成的管理網絡上，應用虛擬DCS再現UNIX等平臺上的DCS功能。虛擬DCS連同過程數學模型一起成為運行分析和檢修管理人員桌面計算機隨 時可調用的檢測和診斷技術工具。 虛擬DCS的軟件技術開發，要求采用綜合統一的軟件方法處理各種真實DCS的組態信息，其實質性工作不亞于編制幾種DCS軟 件運行系統軟件。實現虛擬DCS的具體技術 手段和方法有多種多樣，各研發機構的軟件包 也不盡相同。本文作者認為，虛擬DCS的軟件 技術核心，不外乎由以下兒個組成部分: （l）DCS技術資料──由于虛擬DCS就是要對DCS迸行底層的仿真程序開發，需參考完整的DCS底層技術資料，對DCS的軟硬件系統結構、組態方法、算法模塊、系統管理、數據庫管理、文件管理和通信協議等有深人的了解，經過DCS廠家的技術培訓，甚至獲得DCS廠家的技術支持，以解決虛擬過程中可能出現的問題。 （2）智能掃描解釋──虛擬DCS的智能編譯轉換軟件首先對真實DCS組態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準和統一的模式，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、系統管理等特殊內容。掃瞄解釋完成后，可建立完整的虛擬DCS組態語義庫，為統一的代碼轉換和輸出提供源數據。 （3）代碼自動生成──虛擬DCS面臨的問題是轉換前的下載文件會來自于不同 DCS系統，轉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果建立的組態語義庫自動生成標準的和形式統一的VisualC++6.0程序代碼文件，然后在接口程序模塊考慮特殊處理。自動生成內容包括數據庫定義、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、無手工修改、連續批量完成。 （4）程序編譯排錯──虛擬DCS的程序編譯系統是基于標準的C++編譯器的，具有嚴格的語法和連接檢查功能，如果出現語義邏輯錯誤、數據類型錯誤、或者連接定義缺乏，系統將提交報警或排錯信息。 （5）虛擬參數數據庫──虛擬DCS的參數包括輸人輸出變量、控制器參數、網絡變量、人機交互變量等，數據類型包括模擬量、開關量、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控制算法模塊應完全根據真實DCS定義的模塊來開發，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。要求采用面向對象的實時控制系統模塊編程技術，創建虛擬DCS算法類，體現封裝性、繼承性和多態性的高級軟件技術特點。 （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軟件來開發。如采用虛擬HMI方案，則要開發各種人機界面的動態組件，包括數據顯示、狀態顯示、按鈕、曲線圖、棒圖和軟手操器等。組件庫的調用程序也要求自動生成，或在較少的人工干預下實現生成。特別要注意生成與真實DCS相同功能的內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，與過程對象數學模型的連接也能模擬現場的安裝測點和調試工程。 （9）實時調度功能──虛擬DCS同樣也是實時程序，在運行時需要執行實時調度。要求在編譯轉換時保留真實DCS同樣的時間片及實時調度結合，使虛擬HMI的逼真度。 （lO）虛擬仿真應用功能──虛擬DCS是在通用和開放的計算機軟件平臺上進行開發和運行，因此可以與真實DCS系統連接運行，也可以與過程數學模型系統一起閉環運行，還可以與SIS系統實時數據或歷史數據聯網運行，實現諸如快存、初始條件、接口、檢查、返回、重演、對比、統計、預測、模擬、尋優等復雜的虛擬仿真應用功能。四、虛擬DCS的應用現狀 多年以來，國外的仿真系統都用激勵DCS的方式，國內的仿真系統都采用仿真DCS的方式。近來，實時計算機仿真和控制系統技術以及智能編譯軟件技術的研究和發展，己經能提供虛擬DCS解決方案。國內的相應研發己經起步，而美國、德國的一些仿真控制系統研發機構，己經提供完整的虛擬DCS軟件包[2]。作為虛擬DCS技術的應用實例之一，根據上述技術核心構思進行軟件設計，由本文作者負責組織完成對某DCS的虛擬開發，實現對大型火電機組的DAS、MCS、SCS、FSSS、電氣、網控等全套控制功能和邏輯，各種接口點共6151點、全部狀態和參數點共60000多點，最終執行模塊程序總量8·667MB，己經可以與仿真兌現數學模型軟件等共同投人實際運行。 美國儀表、系統和自動化學會（ISA）在1994年修訂的ANSI/ISA-77.20美國國家技術標準《火電站仿真系統技術規范》[3]中，對激勵DCS和仿真DCS做了技術說明，但對虛擬DCS還沒有直接涉及。為了規范虛擬DCS的研究、開發和應用，ISA于2001年開始專門成立了一個ANSI/ISA-77.21技術標準起草工作組，來自美國各大電力公司和國際著名仿真系統公司的技術專家，正在著手起草專門針對激勵DCS和虛擬DCS的標準內容。本文作者也參加該工作組的技術討論。相信ANSI/ISA-77.21標準正式發布后，將成為事實上的國際標準，對于虛擬DCS技術的開發和應用起到很大的推動作用。 火力發電機組的仿真在國內已經相當普及，近來電力行業的廠級監控信息系統SIS也有了很大的發展[4][5]，對SIS的一項應用，就是迸行在線檢測和診斷。由于各種條件的制約，這項應用還沒有真正開展好。SIS這項應用的基礎是要具備準確的過程數學模型，而驗證過程數學模型的前提就是要采用虛擬 DCS技術方案。在經過驗證后的數學模型再與虛擬DCS構成閉環，提供數據參照和過程再現，與來自現場的真實數據進行比較，得到可信的檢測和診斷的結果。 五、結 論 在當今高性能的計算機硬件、軟件和網絡系統基礎之上發展起來的"虛擬DCS"技術，就是將真實DCS在非DCS的通用和開放計算機軟件和網絡系統平臺上以某種形式再現。當前國內外虛擬DCS技術的研發、應用和標準化的現狀說明，墟擬DCS是一項新的仿真控制系統技術，己受到用戶單位、開發機構、標準制定和管理方面的重視和投人，對于火力發電等過程工業"數字化"進程有很大的推動作用。