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开发分布式控制系统可视化组态仿真软件
twgongkong 发表于 2008/9/26 10:21:40 912 查看 1 回复 [上一主题] [下一主题]
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摘 要：介绍了最新研制的基于分布式控制系统（DCS）的火电站全CRT仿真培训装置中热力系统控制回路的可视化组态软件系统。该系统采用面向对象的开发手段，具有易用性、开放性和通用性等特点。该系统具有在线组态功能，可以根据组态结果直接实现控制策略，同时可进行控制系统结构和参数的在线修改。
关键词：分布式控制系统；火电站；仿真培训器；组态
引言
随着控制系统和计算机技术的发展，我国电力工业的自动化水平有了显著提高。集散式控制系统(DCS)以其先进性、灵活性、高可靠性和合理的性价比，在电力部门中广泛应用于电厂的运行控制，尤其是新建电厂，已经取消常规仪表和手动装置，采用了全CRT监视和键盘操作。面对这一全新的课题，无论是电厂运行人员或专业工程师，还是电站仿真领域的研究和开发人员，都面临着如何更好地掌握DCS控制系统的结构和原理，尽早适应这种运行方式的问题。基于DCS系统的全CRT仿真机，不仅与机组实际运行方式一致，能逼真再现操作环境，而且将大大节省仿真机的造价，具有广阔的应用前景。
本文以200MW火电机组全CRT仿真机的开发为背景，采用面向对象的技术，开发了基于Windows平台的控制系统图形组态系统。该系统在工程师站上运行，工程师完成控制回路的组态后，系统将自动生成反映被组态的控制回路控制规律的源代码，源代码经编译后即可下装到操作站（下位机），代替原有控制代码，直接参与运行或进行调试。
由于仿真系统的特殊性，本文所说的组态与实际DCS中的组态有所不同。在这里，组态主要是指软件组态，尤指组态软件中最重要的部分-控制算法组态，即对过程点特性、回路控制策略以及顺序控制等进行的组态；而不包括对系统硬件配置和I/O点等硬件的组态。
1 软件设计的特点
1.1 采用面向对象的方法
面向对象的方法是一种新的程序设计思想和认知方法学。其基本特征为：信息封装、数据抽象、动态连接和继承。面向对象的程序具有模块化的特点，具备表达广泛概念、默认值表达和代码复用的能力。
在软件设计时，采用了面向对象方法。一方面，将DCS中常用的控制过程分解为许多功能块，这些功能块具备如输入转换、PID调节等等最基本的功能，功能块与外界只存在接口数据的交换，通过调用这些功能块就能搭建起自己的控制回路；另一方面，使用图形化的组态平台进行控制策略的组态和数据库的管理，使控制策略的构造能够采用面向对象的功能块组合，具备了图标驱动(icondriven)的功能。
1.2 基于Windows95平台
组态软件的设计，应该始终坚持“计算机适应人”的原则，因此，在软件设计时，采用了目前通用的Windows95平台。这样的设计，不仅使人机界面更加友好，而且能够更好地利用Windows系统的资源，使组态软件的功能更为强大。
在Windows95平台上，本组态软件能够进行在线/离线组态、能进行控制系统的调试和诊断、支持功能块组态、梯形逻辑组态、支持全局变量，从而实现站间通信和不同画面的点与点之间的连接。
1.3 采用客户机/服务器(Client/Server)模式 B/S模式都可以
组态软件是基于系统平台的大型应用软件，它集控制技术、人机界面技术、图形技术、数据库技术、网络技术于一身，包含动态显示、报警、趋势、控制策略、网络通讯等组件。在软件设计中，采用了目前流行的Client/Server体系结构，将仿真装置中所用到的组态功能软件组织起来，从而使组态软件更具适应性和灵活性。
Server：即图1中的服务器，进行实时服务，包括与模型机、操作员台和工程师站的数据交换、执行控制策略算法、对实时数据库的管理。
Client：在图1中包括操作员站和工程师站。在操作员站上进行报警显示、实时和历史趋势显示；在工程师站上进行增加测点、控制回路图的绘制、控制源程序的编译和下装。在Client端，图形的动态显示都能满足实时性的要求，而且，在工程师站上已经预备了OLE功能，从而能够实现程序的编译链接操作以及组态文件的下装。
2 组态系统结构
控制回路组态系统的结构如图2所示。组态人员通过组态软件作图系统生成组态回路图，进而由模型生成系统将其与控制模型的功能块库相结合，生成被组态控制系统的源程序，下装以后参与仿真模型的运行，运行结果反馈给组态人员，实现在线组态。
2.1 功能块模型
依据模块化建模的思想，各控制环节划分为一个个具有特定功能的子块，采用FORTRAN90编程，使这些子块与实际环节具有同样的动态特性，能实现与实际环节同样的功能。本系统参考美国电力研究院EPRI提出的系统分解原则，依据实际控制系统的构成特点，以实际系统物理结构为基础、以功能特性为参照，将控制系统的环节划分为一百余个模块。这样，全部的仿真模块(或称功能块)就构成了控制系统仿真模块库，本文称其为功能块库。另外，为这些功能块制作了BMP文件(SAMA图)，以图形的方式表示功能块。在这里，每个功能块的图形表示称为图元。
2.2 系统设计
组态支撑系统采用面向对象的设计思想，在界面上遵循了一致性和直接性的原则，采用目前流行的Windows95平台风格，易于理解，便于操作，窗口调用灵活。各控制环节都以图形的形式表现，且带有动态提示，非常直观。
在组态方式的设计上，采用图形组态的方法。与填表式组态方法相比，图形组态更加形象，能够更直观得体现工程师的组态思想。组态工程师只需按照自己的控制策略，选用功能块库中的功能块，按照搭积木的方式搭接起该回路的控制回路图，即可自动生成该回路的控制源程序。这样，组态工程师就可以集中精力于如何建立、优化自己的控制策略，而不用去理会控制以外的东西。显然，这样的组态方式从根本上脱离了实际DCS的限制，使用时不必拘泥于某种具体类型的DCS系统的要求进行控制回路的组态，因此可以应用于仿真不同类型DCS系统和仿真培训装置中。
在组态时，工程师在功能块列表区中选中所需要的功能块的图元，赋之以唯一的标识，然后通过图元的接口将有关图元连接起来，搭接起自己的控制回路图，输入必要的控制参数，即可自动生成该回路的存储文件，生成控制回路源程序。
对组态回路中图形信息的存储，采用数据库解决。这些数据库分为图元信息库和组态回路信息库两类。图元信息库是一个资源库，存储图元在资源文件中的位图名称、接口坐标等等一些固定的信息，供组态时产生回路图。组态回路信息库是一组动态数据库，各控制回路互不相同，以一个控制回路为单位，建立一组关于该回路中各模块及其连接关系拓朴结构的数据库。借助这些库文件，首先，能够调出本回路的图形信息，重绘回路图；其次，能够检索到某图元对应模块的输入输出变量、控制参数和自身属性等信息；第三，为了体现回路图中数据流的流动过程，将各图元依其组态时连接的顺序自动编号，依据该编号，调用它所属的模块，就可以在生成源代码时实现顺序调用，从而真实体现控制流程。
考虑到本软件中功能块的数据传输的格式，对于图形化组态平台来说，关键是如何根据控制回路图的拓扑结构建立起控制源程序的数据流。这里，采用流向名来解决这一问题。用户在连线时，系统直接根据连线上下游图元的接口标识自动产生连线所代表的变量的流向名，使图元的接口与流向名发生联系，生成源程序时，直接用流向名代替模块中的变量名即可。
为了将产生实际参与运行的控制程序，要对根据组态图产生的控制源程序进行编译和下装，采用OLE技术，以DLL的方式生成控制程序，可以随时下装，并能够进行在线的修改。
3 组态支撑系统特点
组态系统采用Delphi作为开发语言。Delphi以其基于窗口和面向对象的方法、高效的开发速度、可视化的开发环境、强大的数据库支持，并与Windows紧密结合的特点，使用户能在Windows平台上方便地开发32位应用程序。Delphi提供的许多面向对象(Object-Oriented)的结构化的组件，使用户能很方便地生成应用程序；而且，组件结构具有彻底的可扩展性，可以轻松地生成自己的组件并把它加入到开发环境中。Delphi还内置了数据库引擎(BDE)，提供高性能的可伸缩数据库结构技术和对数据库的控制，Delphi对数据库的强大支持使组态工作变得更为顺利。
3.1 组态界面
系统内核包括作图系统、控制参数组态系统、编译系统。
Visual Graph专业图形引擎平台是开发组态软件的不二选择，全部包括以上所有图表仪表曲线，设备图元，界面，脚本，运行，编辑，等所有功能，还有强大的扩展库与扩展接口，实时，历史，IO操作，WEB组态等功能都极为完善。最令人吃惊的是，它的核心组件体积只有400k。精，小，快，强！
3.2 图形信息
3.2.1 图元信息库
图元信息库用于记录各图元的静态信息，以供在作图时绘制调用的图元以及进行连线。它的字段包括有：
图元在本数据库中的序号：UnitSN；
图元代表的功能块的汉字名称：UnitName；
图元的位图在资源中的名称：BMPName；
图元的起点、终点坐标：StartX,StartY；
图元各输入接口的相对坐标：InPortX,InPortY；
图元各输出接口的相对坐标：OutPortX,OutPortY；
3.2.2 图元资源文件
在组态软件中，对各图元的调用应该是独立的，动态的。Visual graph提供了强有力的支持.
3.2.3 组态回路信息库
当每次对一个回路进行组态时，就产生一组与该回路对应的组态信息数据库。组态回路信息库分为回路图元信息库和回路连线信息库两类。依据这些库文件中的信息，能够在下次打开该回路时进行重绘。
这些数据库包含的字段有：
图元类数据库：
.图元在资源库UnitInfo.DB中的序号：UnitSN；
.图元在本回路图中的序号：ShapeNo；
.用户定义的图元的标识：UnitID；
.图元在组态区内的坐标：
StartPX、StartPY、EndPX、EndPY；
.图元各输入接口在组态区内的坐标：
InPortX、InPortY；
.图元各输出接口在组态区内的坐标：
OutPortX、OutPortY；
.模块各输入量的流向名：StmIn；
.模块各输出量的流向名：StmOut；
.各输入接口连线名：InLineNo；
.各输出接口连线名：OutLineNo；
连线类数据库：
.连线在本回路中的序号：LineNo；
.连线上游图元在本回路图中的序号：Shape1No；
.连线下游图元在本回路图中的序号：Shape2No；
.连线所接的上游图元输出接口号：Shap1P；
.连线所接的下游图元输入接口号：Shap2P；
.本连线所代表的流向名：StmID。
3.3 组态图拓朴结构的排序
组态系统能够根据组态图自动生成反映回路控制规律的源程序。前已叙及，组态图拓朴结构的确定主要以图元各接口的流向名作为依据，以此可决定产生控制回路源程序的次序。由于DCS是采样控制系统，其控制程序的执行由采样周期决定，如果不考虑功能块的计算顺序，会造成处理过程的迟滞，从而影响控制系统的性能指标。因此在分析组态系统拓朴结构时必须待别考虑其中含有循环有向子回路的问题。
本组态系统采用Johnson算法的思想来解决循环有向子回路的排序，具体实施过程为：以当前正在进行拓朴结构分析的模块接口作探索出发点，用该接口的连线作为索引，沿该连线数据流方向深入，每深入一步，即将经过的模块接口标识记入数据库，如果某一步达到了原出发点，则形成回路。因为在循环回路中，数据流在某个采用周期内不存在时间序列上的优先次序，因此我们将回路人为断开，并按上述索引的顺序产生反映该循环回路特性的源程序。需要注意的是，该有向循环回路与不属于该回路的其它部分则存在先后顺序关系，这正是必须特别处理循环有向回路的原因。
4 组态软件的主要功能
4.1 组态界面的功能
组态系统的用户界面具有标准Windows图形应用程序的基本功能，如新建组态图、打开已有的组态图、保存组态图、打印组态图等文件操作；对组态图的各种编辑操作，如编辑、撤消、恢复、剪切、复制、删除；以及针对图元的连接、删除图元、移动图元、删除连线等。这些功能除了能进行菜单选择进行操作外，还设置了操作按钮，以便于进行快速操作。
对于组态回路，系统设置了产生组态文件、查看组态文件、编译组态文件、下装组态文件和打印组态文件等功能。
4.2 在线组态功能
系统可在仿真培训装置运行期间进行在线修改和新控制回路的组态，当组态完成并产生源程序后，系统将其编译链接成动态连接库文件DLL，然后通过网络传输给各操作站，替代原有的控制程序代码，其间不影响仿真培训系统的运行。
4.3 可扩充功能
整个系统是开放性的，用户可根据需要加入自己的功能块，即在功能块库和图元库中加入相应的信息。这样就可以在系统中加入先进的控制算法如神经网络、预测控制、模糊控制等。
4.4 通用性
基于DCS的电站仿真培训系统要求用户操作界面与实际系统高度逼真，而目前国内电站中使用的DCS的特点是型号多而杂，若要按照实际仿真的DCS的组态方式开发组态仿真软件，则必然导致开发任务复杂、工作量大，且不能应用于采用其它型号的DCS的电站仿真培训系统中。本系统的组态方式独立于任何一种具体的DCS系统，可满足开发采用不同DCS的电站仿真培训装置的组态要求，实现用户操作界面逼真，工程师组态方式独立的目标。
5 结束语
本文介绍的用于全CRT电站仿真培训装置的热力系统控制回路可视化仿真组态软件，具有一体化程度高、灵活性好、通用性强等特点，使用该系统可以大大减轻控制系统仿真模型开发的工作量。同时，作为一种在培训运行人员时使用的DCS控制回路的组态系统，它可以使工程师对于所组态的控制系统的控制方案和策略的了解更具直观性和透明性，其作用和意义是明显的。别外，该系统具有的开放性和可扩展性使其有能力应用于实际DCS系统的控制回路的组态中。
作者单位：重庆大学热能工程学院，重庆400044
参考文献：
［1］ 王常力，廖道文.集散型控制系统的设计和应用［M］.北京：清华大学出版社，1993.
［2］ 席光清等.面向图形对象的系统仿真(VSS)方法［J］.系统仿真学报，1998，10(1)
［3］ 潘志庚.Windows环境下图形图像程序设计［M］.北京：清华大学出版社，1995.
——信息来源：中国工控展览网
案例示图(点击进入看大图)：
关键词：
组态图形控制：工业图形,组态仿真,组态,仿真,工业,生产,机电设备,工艺装备,PLC,DCS,IPC,可编程控制系统,电气运行,倒闸操作,风洞,变频器,人机界面,控制器,设计,绘图,分析,模拟,二维仿真,仪表,实时,监控,曲线图,棒图,开关,报警灯,化工,炼油,WEB,汽机,化学罐,反应炉,自动化,控制,人机界面,图形库,趋势曲线,实时库,作图系统,脚本系统,触发器,动态模板,ActiveX,SVG,报表,历史趋势,实时画面,报表,WEB发布,工控界面,二次开发,电力,石化,输油管道,运行系统,实时库,历史库,WEB发布系统,自由报表,工控组态软件,工业现场,变量的定义,图形组态,运行环境,开发环境,OPC,DDE
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twgongkong 发表于 2008/9/26 10:21:40
好多的文章，好多的案例，尽在北京图王官方网站：http://www.visual-graph.com2楼 回复本楼
引用 twgongkong 2008/9/26 10:21:40 发表于2楼的内容
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