电力工程|热工自动控制数字孪生虚拟仿真实验

一、前言

在目前的城市建设及发展中，对于电力的需求正不断增加，其中火力发电站仍是主要的发电方式。随着“双碳”战略加速推进，热工自动控制系统作为能源、电力、化工等核心工业领域的“神经中枢”，正面临智能化升级的迫切需求。但热工过程控制实验涉及高温高压，无法保障学生安全进行实验。

在此背景下，北京象新力科技有限公司自主研发了“热工自动控制数字孪生虚拟仿真软件”。本虚拟仿真实验可以解决实体实验因安全性因素导致的教学实验内容受限，弥补重要但因安全隐患性的教学实验的缺失，提供学生反复试错的条件，培养学生的安全防范意识，对接工业4.0人才需求。

二、软件介绍

本软件将真实控制系统软硬件与虚拟实验对象结合，构成半实物仿真。各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。实验数据及图表在上位机软件系统中很容易存储及调用，以便实验者进行实验后的比较和分析。

本实验采用了从易到难的递进式教学方法，从学生实践需求出发，构建了水箱系统、给水系统、风烟系统三个模块实验教学内容。

三、产品特点

本软件具有广泛的扩展性和后续开发功能，可以扩充不同的实验对象数学模型和控制模型。

最小化DCS系统：对项目中采用的控制系统软硬件，采用最小化DCS的方案。真实的DCS软硬件采用国电智深主流工业产品，易于升级，使用方便。系统可以进行控制组态与调试、运行监视。是一个小型化的监控系统，支持火电过程控制的算法与方案，包括联锁、顺控、模拟量控制。

虚实结合：真实控制系统软硬件与虚拟实验对象结合，构成半实物仿真。学生在编程环境中编制控制逻辑，然后下装到硬件中，运行，与三维软件系统之间进行通讯，控制虚拟环境下的热工设备的运行，组成半实物仿真系统。

四、实验内容

通过水箱系统仿真基础实验，了解PID控制对实际生产中的影响，理解PID控制系统中关键参数对被控对象的影响；通过交互操作，掌握简单控制PID参数的整定方法、串级控制系统设计与调试方法、前馈-反馈控制系统设计与调试，提升对过程控制的认知。

通过给水系统及风烟系统仿真实验，掌握典型流体输送设备泵及引风机的顺序启停，典型传热设备除氧器、锅炉等工作原理与操作控制方法，锅炉虚假水位控制、炉膛负压控制及安全联锁保护控制。

五、支撑课程

本产品可广泛应用于本科和高职类院校的实训和课程教学，主要针对自动化类及其相关专业领域，可匹配过程控制工程、热工自动化技术、自动控制原理、热工自动控制系统等课程。