一种新型的基于组态软件的DCS仿真开发平台

一种新型的基于组态软件的DCS仿真开发平台卢定兴 王龙南卢定兴先生，福州大学电气工程与自动化学院硕士研究生；王龙南先生，北京华能新锐控制技术有限公司DCS事业部副总经理。

关键词：控制组态软件 人机界面组态软件建模DCS仿真开发平台美国国防部关键技术计划中定义：“仿真是一个模型或一套模型的形成和运行。

”这个简练的定义说明仿真与建模是不可分割的整体，没有模型就不能进行仿真，可见仿真开发平台设计的关键在于建模平台的设计。

目前建模技术主要有手工建模、模块化建模、专用仿真语言、面向对象建模和图形自动化建模等，这些建模技术在表现形式上虽然各有不同，但是在实现形式上基本上都是采用高级语言或者专用仿真语言来编程实现。

高级语言编程固然方便，但是同时也有其不足之处，采用高级语言编写而成的模型对用户来说就像一个“黑匣子”，用户很难去理解由一大串毫无任何含义的字母和数字构成的一个具有实际物理意义的模型，也无法观测在运算过程中模型数据的变化，不仅给开发者的调试造成很大麻烦，而且用户很难根据自身的现场实际经验进一步完善模型。

因此探讨一种新型的，更加透明化的仿真开发平台是非常必要而且也是非常有意义的。

一基于控制组态软件的建模基于控制组态软件建模的提出主要是出于模型组态的透明化和DCS仿真开发平台一体化方面考虑。

控制组态软件是一种基于功能块编程的软件，目前所采用的功能块标准主要有IEC61131-3、IEC61804和IEC61499三种，基于标准功能块的编程语言方便实用，标准化程度高，用户很快就可熟悉组态工作，并把原先所掌握的知识用于新的系统。

控制组态软件主要特点：(1)形象的图形组态：从表现形式上看，控制逻辑表示为一系列的图形关系，无论该控制组态软件是将图形所表达的函数逻辑关系解释为一系列的指令，或是解释为一组实时的数据库(数据引擎技术)，又或是其他东西。

总之对于用户说，就是一组图形功能块所表达的函数关系。

这种编程方式比高级语言更容易掌握，更容易接受，更形象。

(2)便捷的数据监控：控制组态软件和高级语言编程工具之间一个很大的区别就在于控制组态软件具有非常方便的实时数据监控能力，控制组态软件可以很直观地监控每一个功能块的数值变化趋势，也可把几个相关的输出表达为函数的曲线关系，结果一目了然。

(3)有效的调试手段：除便捷的数据监控方式，还有很重要的一点就是在线修改性能，包括在线修改参数和在线修改控制逻辑，能否有效地和快速地完成逻辑的在线修改直接影响到调试的效率。

采用控制组态软件建立模型，可以很清楚地观测到模型内部的变量变化关系和趋势，而且也可以使模型的物理意义更加突出；一方面可大大提高模型的透明化程度，另一方面也使用户更容易根据现场实际应用情况和经验进一步完善模型。

从另一个角度来看，采用控制组态软件建模，使得整个DCS仿真开发平台的一体化程度也得到了大大提高，从表现形式上看，整个DCS仿真开发平台就是基于组态软件(人机界面组态软件和控制组态软件)的一体化平台。

1. 基于控制组态软件建模的可行性控制组态软件在编程的形象性和调试方便性等方面固然是要优于高级语言，但是在计算功能方面却不得不承认高级语言要比它高出一筹。

控制组态软件只提供有限个功能块，而且其中大部分都是控制类功能块，如PID运算器、积分运算器、微分运算器、计数器、定时器等，很明显仅依靠这些功能块是很难满足模型的计算要求。

所以，要采用控制组态软件来建模：其一，要先解决控制组态软件计算功能的扩展性问题。

目前许多组态软件为了增加灵活性，提供了一些高级语言编程手段，一般都是内置编译系统，提供类似BASIC语言，有的甚至支持VB。

通过这一点，控制组态软件完全可以根据实际编程计算需要适当增加相应功能块，由于大部分功能块本身就是采用高级语言编写而成，所以控制组态软件完全可以达到高级语言所具备的计算功能。

控制组态软件在计算功能上虽然不如高级语言，但是在求解某些仿真模型的数学方程时还是有一定的优点的。

仿真建模过程中要遵守基本的守恒定律，诸如质量守恒，能量守恒和动量守恒等，对于动态过程的变量，这些守恒定律最终基本上都表示成微分方程的形式，所以如何解决这些微分方程求解快速性、准确性和稳定性的问题直接影响到仿真的效果。

在高级语言建模过程中，对于微分方程基本都采用数学解法，就是转化为数值积分，由步长来控制积分的快慢。

这种方法的缺点就是方程求解的表达比较复杂，而且也不容易调试。

而在控制组态软件中，可以采用另外一种思维，把数学上的问题转化为控制问题来解决，这样显得结构非常简单，而且效果也相当好。

下面简单以微分方程dX/dT=X+B 为例，说明控制解法的思路。

该微分方程的物理含义可以解释为变量X 每T 时间的变化率为X+B ，仔细分析不难发现该微分方程的含义和控制组态软件中的积分元件算法基本相同，积分元件通常带一个时间参数T ，其算法为输出每T 时间变化量等于输入，从这个角度出发，该微分方程的控制解法程序如图1所示。

在图1中，LA001代表常数B ，001S ∑为加法元件，I001位积分元件，带一个积分参数T ，AO001输出求解变量X 。

程序含义就是输出X 等于X+B 积分，步长由积分参数T 来控制。

从这个角度出发，微分方程的控制解法比数学解法来得更加简单，而且也更容易调试。

其二，在某些特定工业应用场合(如火力发电机组模型)，建模还必须运用到流体热力参数的计算(如水和蒸汽)，热力参数计算并不是一个或者两个公式可以完成的，它是实验数据拟合成的曲线所表达的大量函数关系，显然不可能在每一次热力参数计算中都直接在模型脚本中进行大量函数运算。

目前在这方面已有了比较成熟的计算公式，所以解决方法不难，只需将热力参数计算的计算公式独立组态成一个功能模块，其不同情况的调用只需通过设定功能块的参数来识别。

在成功解决计算功能的扩展性和热力参数计算后，采用控制组态软件或采用高级语言进行模型组态应该说没有多大本质的差别。

2. 基于控制组态软件的建模原理模型和控制逻辑之间的关系简单地说就是输出和输入的关系：控制逻辑的输出对于模型来说就是输入；模型的输出对于控制逻辑来说也是输入。

认真分析不难发现，这个关系和控制站之间的通信关系完全一样。

在控制站间的通信中，A 站的输出对于B站来说就是输入，同样B站的输出对于A站来说也是输入。

所以从这一点出发，基于控制组态软件的建模原理就是把控制侧的输出通过控制站之间的通信作为模型侧的输入，同样把模型侧的输出通过控制站之间的通信作为控制侧的输入，从而形成一个系统的闭环。

从实现角度来看，系统结构变得非常简单，而且也省去了模型和控制逻辑之间的接口程序，也就是省去实际I/O模块的仿真。

下面以给水泵电动机为例，简单说明基于控制组态软件的控制逻辑和模型的实现原理，程序如图2所示。

在控制逻辑部分，给水泵电动机启动指令与其运行反馈信号的非与运算后，经过脉冲发生器输出一个启动脉冲指令；在模型组态部分，给水泵电动机启动指令与电动机故障的非进行与运算后，和给水泵保护总和通过复位优先发生器，再经过一个导通延时，最后输出给水泵电动机运行的反馈信号；控制逻辑和模型之间的信号传递通过控制站之间的通信实现。

很明显，采用控制组态软件的模型组态与基于控制组态软件的逻辑组态形成一个统一整体，物理意义非常明确，结构非常清晰，用户很容易根据实际设备的运行情况和现场经验对模型作进一步完善。

二基于组态软件的DCS仿真开发平台基于组态软件的DCS仿真开发平台，在表现形式上完全是组态软件的组合：人机界面的仿真采用通用人机界面组态软件实现，如果和实际工程所采用的人机界面组态软件完全一样的话，那么就不存在人机界面仿真的问题，而是和实际完全一样，或者也可以说人机界面实现100％仿真；由于模型组态和控制逻辑仿真都采用控制组态软件的一体化设计，所以控制逻辑的仿真也变得相对简单，只需要翻译控制逻辑，同样如果采用和实际工程一样的组态软件的话，控制逻辑也一样实现100％仿真。

从整体上看，无论是开发者还是用户都只需面对非常简单而又人性化的组态软件，即可完成整个仿真系统的开发和完善工作。

控制逻辑和模型组态数据只需下载到虚拟控制站便可实现控制的闭环，再加上人机界面，就可实现整个系统的仿真。

1. 硬件结构DCS仿真开发平台设计完全基于计算机网络，由两台服务器、若干台计算机和计算机网络组成，结构如图3所示。

仿真模型服务器，实现实际DCS控制站、I/O模块和仿真对象的仿真于一体，主要功能是控制逻辑的执行和模型的计算，并接受来自指导员站、工程师站和操作员站的指令执行相应的动作。

人机界面服务器，主要功能是实现人机界面与虚拟控制站之间的实时数据通信，并存储历史数据。

指导员站，负责整个仿真系统的管理工作，包括仿真系统的启动、停止，冻结、解冻结，存储工况、调用工况，系统的加速、减速和事故的模拟等。

工程师站，用来完成对模型的开发、修改、调试及维护和DCS的组态、运行参数的设定与画面的组态等工作。

操作员站，与实际机组的DCS操作画面有着完全相同的软件，通过网络与服务器上的模型软件和虚拟DCS站上的DCS模型打交道，并提供与现场一致的操作方式对操作员站进行监视和控制。

2. 软件结构由于整个DCS仿真开发平台完全基于计算机及其网络设计，所以对于计算机操作系统本身没有特别要求，除人机界面服务器安装Windows 2000 Sever操作系统外，其余计算机均安装Windows 2000 Professional操作系统。

整个DCS仿真开发平台的软件结构如图4所示，有控制组态软件生成的逻辑组态数据和模型组态数据分别下载到虚拟控制站中的逻辑控制站和对象模型站，再由控制站之间数据共享软件实现模型和控制逻辑之间的数据传递，人机界面和虚拟控制站之间的数据交换由专门的数据通信软件实现。

三结语采用控制组态软件进行模型组态、控制仿真，采用人机界面组态软件进行人机界面仿真，不仅可以大大提高仿真系统的透明化程度，同时也可实现DCS仿真开发平台的一体化设计，仿真系统开发者和使用者都可从中获益。

（全文完）来源：《世界仪表与自动化》出版日期：2005年7月。