開發(fā)分布式控制系統(tǒng)可視化組態(tài)仿真軟件
| 摘 要：介紹了最新研制的基于分布式控制系統(tǒng)（DCS）的火電站全CRT仿真培訓裝置中熱力系統(tǒng)控制回路的可視化組態(tài)軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用面向對象的開發(fā)手段，具有易用性、開放性和通用性等特點。該系統(tǒng)具有在線組態(tài)功能，可以根據(jù)組態(tài)結果直接實現(xiàn)控制策略，同時可進行控制系統(tǒng)結構和參數(shù)的在線修改。 關鍵詞：分布式控制系統(tǒng)；火電站；仿真培訓器；組態(tài) 引言 隨著控制系統(tǒng)和計算機技術的發(fā)展，我國電力工業(yè)的自動化水平有了顯著提高。集散式控制系統(tǒng)(DCS)以其先進性、靈活性、高可靠性和合理的性價比，在電力部門中廣泛應用于電廠的運行控制，尤其是新建電廠，已經(jīng)取消常規(guī)儀表和手動裝置，采用了全CRT監(jiān)視和鍵盤操作。面對這一全新的課題，無論是電廠運行人員或專業(yè)工程師，還是電站仿真領域的研究和開發(fā)人員，都面臨著如何更好地掌握DCS控制系統(tǒng)的結構和原理，盡早適應這種運行方式的問題。基于DCS系統(tǒng)的全CRT仿真機，不僅與機組實際運行方式一致，能逼真再現(xiàn)操作環(huán)境，而且將大大節(jié)省仿真機的造價，具有廣闊的應用前景。 本文以200MW火電機組全CRT仿真機的開發(fā)為背景，采用面向對象的技術，開發(fā)了基于Windows平臺的控制系統(tǒng)圖形組態(tài)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在工程師站上運行，工程師完成控制回路的組態(tài)后，系統(tǒng)將自動生成反映被組態(tài)的控制回路控制規(guī)律的源代碼，源代碼經(jīng)編譯后即可下裝到操作站（下位機），代替原有控制代碼，直接參與運行或進行調試。 由于仿真系統(tǒng)的特殊性，本文所說的組態(tài)與實際DCS中的組態(tài)有所不同。在這里，組態(tài)主要是指軟件組態(tài)，尤指組態(tài)軟件中最重要的部分-控制算法組態(tài)，即對過程點特性、回路控制策略以及順序控制等進行的組態(tài)；而不包括對系統(tǒng)硬件配置和I/O點等硬件的組態(tài)。 1 軟件設計的特點 1.1 采用面向對象的方法 面向對象的方法是一種新的程序設計思想和認知方法學。其基本特征為：信息封裝、數(shù)據(jù)抽象、動態(tài)連接和繼承。面向對象的程序具有模塊化的特點，具備表達廣泛概念、默認值表達和代碼復用的能力。 在軟件設計時，采用了面向對象方法。一方面，將DCS中常用的控制過程分解為許多功能塊，這些功能塊具備如輸入轉換、PID調節(jié)等等最基本的功能，功能塊與外界只存在接口數(shù)據(jù)的交換，通過調用這些功能塊就能搭建起自己的控制回路；另一方面，使用圖形化的組態(tài)平臺進行控制策略的組態(tài)和數(shù)據(jù)庫的管理，使控制策略的構造能夠采用面向對象的功能塊組合，具備了圖標驅動(icondriven)的功能。 1.2 基于Windows95平臺 組態(tài)軟件的設計，應該始終堅持“計算機適應人”的原則，因此，在軟件設計時，采用了目前通用的Windows95平臺。這樣的設計，不僅使人機界面更加友好，而且能夠更好地利用Windows系統(tǒng)的資源，使組態(tài)軟件的功能更為強大。 在Windows95平臺上，本組態(tài)軟件能夠進行在線/離線組態(tài)、能進行控制系統(tǒng)的調試和診斷、支持功能塊組態(tài)、梯形邏輯組態(tài)、支持全局變量，從而實現(xiàn)站間通信和不同畫面的點與點之間的連接。 1.3 采用客戶機/服務器(Client/Server)模式 組態(tài)軟件是基于系統(tǒng)平臺的大型應用軟件，它集控制技術、人機界面技術、圖形技術、數(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)絡技術于一身，包含動態(tài)顯示、報警、趨勢、控制策略、網(wǎng)絡通訊等組件。在軟件設計中，采用了目前流行的Client/Server體系結構，將仿真裝置中所用到的組態(tài)功能軟件組織起來，從而使組態(tài)軟件更具適應性和靈活性。 Server：即圖1中的服務器，進行實時服務，包括與模型機、操作員臺和工程師站的數(shù)據(jù)交換、執(zhí)行控制策略算法、對實時數(shù)據(jù)庫的管理。 Client：在圖1中包括操作員站和工程師站。在操作員站上進行報警顯示、實時和歷史趨勢顯示；在工程師站上進行增加測點、控制回路圖的繪制、控制源程序的編譯和下裝。在Client端，圖形的動態(tài)顯示都能滿足實時性的要求，而且，在工程師站上已經(jīng)預備了OLE功能，從而能夠實現(xiàn)程序的編譯鏈接操作以及組態(tài)文件的下裝。 2 組態(tài)系統(tǒng)結構 控制回路組態(tài)系統(tǒng)的結構如圖2所示。組態(tài)人員通過組態(tài)軟件作圖系統(tǒng)生成組態(tài)回路圖，進而由模型生成系統(tǒng)將其與控制模型的功能塊庫相結合，生成被組態(tài)控制系統(tǒng)的源程序，下裝以后參與仿真模型的運行，運行結果反饋給組態(tài)人員，實現(xiàn)在線組態(tài)。 2.1 功能塊模型 依據(jù)模塊化建模的思想，各控制環(huán)節(jié)劃分為一個個具有特定功能的子塊，采用FORTRAN90編程，使這些子塊與實際環(huán)節(jié)具有同樣的動態(tài)特性，能實現(xiàn)與實際環(huán)節(jié)同樣的功能。本系統(tǒng)參考美國電力研究院EPRI提出的系統(tǒng)分解原則，依據(jù)實際控制系統(tǒng)的構成特點，以實際系統(tǒng)物理結構為基礎、以功能特性為參照，將控制系統(tǒng)的環(huán)節(jié)劃分為一百余個模塊。這樣，全部的仿真模塊(或稱功能塊)就構成了控制系統(tǒng)仿真模塊庫，本文稱其為功能塊庫。另外，為這些功能塊制作了BMP文件(SAMA圖)，以圖形的方式表示功能塊。在這里，每個功能塊的圖形表示稱為圖元。 2.2 系統(tǒng)設計 組態(tài)支撐系統(tǒng)采用面向對象的設計思想，在界面上遵循了一致性和直接性的原則，采用目前流行的Windows95平臺風格，易于理解，便于操作，窗口調用靈活。各控制環(huán)節(jié)都以圖形的形式表現(xiàn)，且?guī)в袆討B(tài)提示，非常直觀。 在組態(tài)方式的設計上，采用圖形組態(tài)的方法。與填表式組態(tài)方法相比，圖形組態(tài)更加形象，能夠更直觀得體現(xiàn)工程師的組態(tài)思想。組態(tài)工程師只需按照自己的控制策略，選用功能塊庫中的功能塊，按照搭積木的方式搭接起該回路的控制回路圖，即可自動生成該回路的控制源程序。這樣，組態(tài)工程師就可以集中精力于如何建立、優(yōu)化自己的控制策略，而不用去理會控制以外的東西。顯然，這樣的組態(tài)方式從根本上脫離了實際DCS的限制，使用時不必拘泥于某種具體類型的DCS系統(tǒng)的要求進行控制回路的組態(tài)，因此可以應用于仿真不同類型DCS系統(tǒng)和仿真培訓裝置中。 在組態(tài)時，工程師在功能塊列表區(qū)中選中所需要的功能塊的圖元，賦之以唯一的標識，然后通過圖元的接口將有關圖元連接起來，搭接起自己的控制回路圖，輸入必要的控制參數(shù)，即可自動生成該回路的存儲文件，生成控制回路源程序。 對組態(tài)回路中圖形信息的存儲，采用數(shù)據(jù)庫解決。這些數(shù)據(jù)庫分為圖元信息庫和組態(tài)回路信息庫兩類。圖元信息庫是一個資源庫，存儲圖元在資源文件中的位圖名稱、接口坐標等等一些固定的信息，供組態(tài)時產(chǎn)生回路圖。組態(tài)回路信息庫是一組動態(tài)數(shù)據(jù)庫，各控制回路互不相同，以一個控制回路為單位，建立一組關于該回路中各模塊及其連接關系拓樸結構的數(shù)據(jù)庫。借助這些庫文件，首先，能夠調出本回路的圖形信息，重繪回路圖；其次，能夠檢索到某圖元對應模塊的輸入輸出變量、控制參數(shù)和自身屬性等信息；第三，為了體現(xiàn)回路圖中數(shù)據(jù)流的流動過程，將各圖元依其組態(tài)時連接的順序自動編號，依據(jù)該編號，調用它所屬的模塊，就可以在生成源代碼時實現(xiàn)順序調用，從而真實體現(xiàn)控制流程。 考慮到本軟件中功能塊的數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?，對于圖形化組態(tài)平臺來說，關鍵是如何根據(jù)控制回路圖的拓撲結構建立起控制源程序的數(shù)據(jù)流。這里，采用流向名來解決這一問題。用戶在連線時，系統(tǒng)直接根據(jù)連線上下游圖元的接口標識自動產(chǎn)生連線所代表的變量的流向名，使圖元的接口與流向名發(fā)生聯(lián)系，生成源程序時，直接用流向名代替模塊中的變量名即可。 為了將產(chǎn)生實際參與運行的控制程序，要對根據(jù)組態(tài)圖產(chǎn)生的控制源程序進行編譯和下裝，采用OLE技術，以DLL的方式生成控制程序，可以隨時下裝，并能夠進行在線的修改。 3 組態(tài)支撐系統(tǒng)特點 組態(tài)系統(tǒng)采用Delphi4.0作為開發(fā)語言。Delphi以其基于窗口和面向對象的方法、高效的開發(fā)速度、可視化的開發(fā)環(huán)境、強大的數(shù)據(jù)庫支持，并與Windows緊密結合的特點，使用戶能在Windows95和WindowsNT平臺上方便地開發(fā)32位應用程序。Delphi提供的許多面向對象(Object-Oriented)的結構化的組件，使用戶能很方便地生成應用程序；而且，組件結構具有徹底的可擴展性，可以輕松地生成自己的組件并把它加入到開發(fā)環(huán)境中。Delphi還內置了數(shù)據(jù)庫引擎(BDE)，提供高性能的可伸縮數(shù)據(jù)庫結構技術和對數(shù)據(jù)庫的控制，Delphi對數(shù)據(jù)庫的強大支持使組態(tài)工作變得更為順利。 3.1 組態(tài)界面 系統(tǒng)內核包括作圖系統(tǒng)、控制參數(shù)組態(tài)系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)。 3.2 圖形信息 3.2.1 圖元信息庫 圖元信息庫用于記錄各圖元的靜態(tài)信息，以供在作圖時繪制調用的圖元以及進行連線。它的字段包括有： 圖元在本數(shù)據(jù)庫中的序號：UnitSN； 圖元代表的功能塊的漢字名稱：UnitName； 圖元的位圖在資源中的名稱：BMPName； 圖元的起點、終點坐標：StartX,StartY； 圖元各輸入接口的相對坐標：InPortX,InPortY； 圖元各輸出接口的相對坐標：OutPortX,OutPortY； 3.2.2 圖元資源文件 在組態(tài)軟件中，對各圖元的調用應該是獨立的，動態(tài)的。采用資源的概念來解決這一問題：把所有圖元的BMP文件包裝在一個資源文件中，將應用程序對單個BMP文件的直接調用轉化為在資源文件中對相應位圖的調用，這樣就避免了在應用程序系統(tǒng)中保留太多圖形文件所帶來的不便。 3.2.3 組態(tài)回路信息庫 當每次對一個回路進行組態(tài)時，就產(chǎn)生一組與該回路對應的組態(tài)信息數(shù)據(jù)庫。組態(tài)回路信息庫分為回路圖元信息庫和回路連線信息庫兩類。依據(jù)這些庫文件中的信息，能夠在下次打開該回路時進行重繪。 這些數(shù)據(jù)庫包含的字段有： 圖元類數(shù)據(jù)庫： .圖元在資源庫UnitInfo.DB中的序號：UnitSN； .圖元在本回路圖中的序號：ShapeNo； .用戶定義的圖元的標識：UnitID； .圖元在組態(tài)區(qū)內的坐標： StartPX、StartPY、EndPX、EndPY； .圖元各輸入接口在組態(tài)區(qū)內的坐標： InPortX、InPortY； .圖元各輸出接口在組態(tài)區(qū)內的坐標： OutPortX、OutPortY； .模塊各輸入量的流向名：StmIn； .模塊各輸出量的流向名：StmOut； .各輸入接口連線名：InLineNo； .各輸出接口連線名：OutLineNo； 連線類數(shù)據(jù)庫： .連線在本回路中的序號：LineNo； .連線上游圖元在本回路圖中的序號：Shape1No； .連線下游圖元在本回路圖中的序號：Shape2No； .連線所接的上游圖元輸出接口號：Shap1P； .連線所接的下游圖元輸入接口號：Shap2P； .本連線所代表的流向名：StmID。 3.3 組態(tài)圖拓樸結構的排序 組態(tài)系統(tǒng)能夠根據(jù)組態(tài)圖自動生成反映回路控制規(guī)律的源程序。前已敘及，組態(tài)圖拓樸結構的確定主要以圖元各接口的流向名作為依據(jù)，以此可決定產(chǎn)生控制回路源程序的次序。由于DCS是采樣控制系統(tǒng)，其控制程序的執(zhí)行由采樣周期決定，如果不考慮功能塊的計算順序，會造成處理過程的遲滯，從而影響控制系統(tǒng)的性能指標。因此在分析組態(tài)系統(tǒng)拓樸結構時必須待別考慮其中含有循環(huán)有向子回路的問題。 本組態(tài)系統(tǒng)采用Johnson算法的思想來解決循環(huán)有向子回路的排序，具體實施過程為：以當前正在進行拓樸結構分析的模塊接口作探索出發(fā)點，用該接口的連線作為索引，沿該連線數(shù)據(jù)流方向深入，每深入一步，即將經(jīng)過的模塊接口標識記入數(shù)據(jù)庫，如果某一步達到了原出發(fā)點，則形成回路。因為在循環(huán)回路中，數(shù)據(jù)流在某個采用周期內不存在時間序列上的優(yōu)先次序，因此我們將回路人為斷開，并按上述索引的順序產(chǎn)生反映該循環(huán)回路特性的源程序。需要注意的是，該有向循環(huán)回路與不屬于該回路的其它部分則存在先后順序關系，這正是必須特別處理循環(huán)有向回路的原因。 4 組態(tài)軟件的主要功能 4.1 組態(tài)界面的功能 組態(tài)系統(tǒng)的用戶界面具有標準Windows95圖形應用程序的基本功能，如新建組態(tài)圖、打開已有的組態(tài)圖、保存組態(tài)圖、打印組態(tài)圖等文件操作；對組 |
