（动力机械及工程专业论文）电站锅炉热力计算图形化软件研究及开发.pdf

重庆大学硕士学位论文 ab s t r ac t abs t ract g r a p h i c a l mo d e l i n g s y s t e m , a s a n e f f i c i e n t s i m u l a t i o n t o o l , i s w i d e l y u s e d i n s y s t e m s t u d y . i n t h i s p a p e r , a g r a p h i c m o d e l i n g s y s t e m o f t h e r m a l c a l c u l a t i o n f o r p o w e r p l a n t b o i l e r s y s t e m i s d e s i g n e d o n wi n d o w s / n t o p e r a t i o n s y s t e m . s o m e d e f e c t s i n o t h e r g r a p h i c m o d e l i n g s y s t e m a r e e l i m i n a t e d i n t h i s s y s t e m . mo d u l a r m o d e l i n g p r i n c i p l e a n d o b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m e t h o d a r e u s e d t o d e v e l o p a l g o r i t h m m o d u l e s . i n t h i s s y s t e m , a c t i v e x c o n t r o l r a t h e r t h a n i c o n i s a p p l i e d t o e x p r e s s t h e a l g o r it h m m o d u l e , s o d e v e l o p m e n t e ff i c i e n c y i s e v a l u a t e d s o m u c h . t h i s s y s t e m h a s v e r y s t r o n g g r a p h i c m o d u l e e d i t a n d m a n a g e c a p a c i t y , t h u s d e v i c e i n t e r f a c e t o p o l o g i c d e f i n i t i o n m e t h o d i s a p p l i e d t o d e f i n e t h e t o p o l o g i c s t r u c t u r e . i n t o p o l o g i c i d e n t i f i c a t i o n , t h e m o d u l e s c h e d u l i n g p r i o r i t y i s i n t r o d u c e d f o r t h e f i r s t t i m e , s o t o p o l o g i c s t r u c t u r e c a n b e a n a l y z e d a u t o m a t i c a l l y a n d c o r r e c t l y . f u r t h e r m o r e , a n i n t e r f a c e i s p r o v i d e d f o r u s e r , t h r o u g h w h i c h u s e r c a n a d d n e w m o d u l e i n t o t h e m o d u l e l ib r a r y . c o n t r a s t e d w i t h o t h e r g r a p h i c m o d e l i n g p l a t f o r m , t h i s o n e h a s s o m e a d v a n t a g e s , s u c h a s i n t e l l i g e n c e , r o b u s t n e s s , o p e n i n g c a p a c i t y a n d s o o n . t o o l s f o r m o d e l i n g , d e b u g , c a l c u l a t i o n a n d r e s u l t a n a l y s i s aa r fin t e g r a t e d in t h e p la t f o r m . s o t h e p la t fo r m c a n b e u s e d c o n v e n i e n t l y f o r b o i l e r t h e r m a l c a l c u l a t i o n . k e y w o r d s : t o p o l o g i c s t r u c t u r e a n d t o p o l o g i c i d e n t i f i c a t i o n ; p o w e r p l a n t b o i l e r ; t h e r m a l c a l c u l a t i o n ; g r a p h i c a l mo d e l i n g ; a c t i v e x c o n t r o l u 二_ _ 、 下赢 熬 赢、 袅 一认衬,袅 一认衬. . 4 重庆大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 . 1 系统仿真与建模的概况 1 . 1 . 1 建模与仿真的重要性 随着科学技术的 迅 速发展， 尤其是计 算机技术的 迅速发展， 在各个工 业领域，甚至是社 会科学领域，建模与仿真日 益显得重要。德国 科研部己 把这项技术列入2 1 世纪重点 发展的 关键技术 之一【 u 在能源领域， 深入研究重大发电 设备的 动静态特性几十多年来一直是 国内 外学者的重要研究方向。 例如建立大型电 站锅炉的三维模型， 对锅炉 中的燃烧、气体流动、 温度场、各种不同 燃烧产物的形成等进行仔细的研 究， 从而 给大型电 站锅炉的设计与 运行提供必要的数据， 使设计过程缩短， 并使设计达到最优. 在航天工业中， 我国已 建 立装备先进的仿 真中 心， 对各种运载系统、 发射系统、 火箭在空中飞行姿势以 及火箭本身进行精细的仿真试验。 用仿 真试验来代替实 物试验可以降 低风险，而且又能 节省大量的 研究资金。 可以说， 建模与仿真从领域的覆盖面上已 差不多包括现代社会的 各个 领域，如能源、交通、航空、 航天、冶金、 化工、生态环境，以及人口、 经济运行、 金融动态等。 从各个领域的“ 纵向” 来看也涉及到设计、 试验、 调试、系统运行、人员培训等方面。 随着人们对物理过程理解的不断深入、计算机软件和硬件技术的发 展， 仿 真 技术 还 会 不 断 细 化、 深 化， 必 将 更 广 泛 地在 各 个领 域中 发 挥更大 的作用。 1 . 1 . 2 建模是仿真的最主要环节 对于热力系统的研究者来说， 热力系统的经济性分析、 设计计算、 工 程分析及系统动态特性的预测是极为常见的 课题，仿真是经常采用的研究 方法。 尽管各仿真研究的目 的 可能不同， 但所经历的 研究过程却极为相似。 图1 . 1 是 系统 仿 真的 一 般 过 程 121 ， 其中问 题描 述及 界 定 系 统、 建 立系 统 数 学 模型、 建立仿 真模型都是 系统建 模的内 容， 这几个步骤占了 仿 真过 程的大 部分工作，由 此可以 看出 建模是系统仿真的 最重要环节。 如何准确、 快速地建立研究 对象的模型直接关系到研究结果的可靠性 和研究过程的 效率， 一直被人们所关注。 通常， 一个系统的 经济性分析、 份计计耸及动杰特性分析都要花相当 长的 时间， 并且 要完成相当的工作最， 重庆大学硕士学位论文 绪论 图1 . 1 仿 真步 骤示意图 具体由 研究对象及研究目 的决定。 在一般的研究过程中，一个 模型的建立 都要经过反复修改和验证的过程， 因 此建模是系统研究中最花时间的一步。 如果能缩短建模时间， 那么研究经费 用就可以降 低，因 此如何提高建模过 程的效率就成为当前建模人员的重要课题。正是在这种驱动力的作用下， 热力系统的 建模方法与建模手段才得到了 不断的发展。 1 . 1 . 3 热力系统建模方法的演变 由 于建 模过 程中 所用工具的变 化及各 种建 模方法 各自 存 在的问 题， 热 力系统的建 模方 法经过了 一系列的 发展过 程。 发 展的 最终目 的 就是为了 在 保证 模型准确性的 前提下， 提高建模效率，降 低对建 模人员的 要求。 近 s o年来，计算机技术得到了 不断的发展，人们逐渐意识到计算机 强大的计 算及分析能力， 仿 真中 普遍采用计算 机代替 人 来完 成繁 重的 计算 工作。不过它要求建模人员完成仿真程序的 编写， 把系统的 数学模型转化 为计算机能够识别的 仿真模型。因此计算机的引入虽然减轻了 建模人员的 计算量， 但同 时也 对建模人员 提高出了 更高的 要 求。由 于建模过程如 此繁 琐复杂， 所以 系统仿真一直被认为是一种由 专家从事的研究活动。 系统建模具有极强的针对性， 对于不同的 研究对象， 所建立的模型也 就不同，即使是对相同的 研劣寸 象，如果研究目 的不同 所建立的模型也不 相同。由于 模型都是针对某个特定研究对象以及 特定的研究目 的建立的， 所以 模型的可移植性受到严格的限制。 重庆大学硕士学位论文 绪论 最初的 建 模方 式没 有采用 模块 化的建 模思 想， 这就不可避免地带来 这 样一个问题:因为模型具有极强的针对性，一个系统的模型无法用于其他 系统的 描述， 所以 每次 研究一 个系统都要 从头开 始。 但是实际的电 站热力 系统， 尽管在 机组的 类型、 容量及运行参数上 存 在某些差异， 然而在基本 组成及工作原理上却具有很大的共性。 只要对传统的计 算机模型在代码组 织上作些合理的调整， 模型的 可移植性就可以 得到改善，从而达到减少建 模人员工作量的目 的. 为增强模型可移 植性， 在仿真模型的 建立过 程中 采用了 模块化建模思 想. 在模块化建模思想的 指导 下，仿 真模型不再是从整体上来设计，而是 把整个系统按一定的 思 路划分 成多个 子 模块， 然 后以 模块为单 位进行仿 真 模型的开发. 对模块代码进行适当的 处理，使得代码能 够反映 这类模块的 共性， 在复杂系统的仿真过程中 就可以 用这些模块代码的组合来建立系统 的仿真模型，因此实现了 计算程序的 可移植性和重用性。很长一段时间内 甚至是现在，国内 外还有很多一些机构及个人以 通用软件包的形式推出了 仿 真建 模 方 面的 软件， 如 文 献 13 ,4 ,5 1 。 这 种方 式 在很 大 程 序上改 善了 程序的 可移植性和重用性，使建模效率得到了提高。 但这种建模方法仍有些美中不足， 尽管建模人员无需从头开 始做每一 步工作， 但是建 模人员 始终还是要动手编写一些 程序来完成 对这些功能 模 块的 调用。另 外， 计算结 果的 分析 和验证 还需要 建 模人员自 己 完成， 这也 带来了极大的不便。 随着计算 机硬 件技 术与软件 技术的飞 速发 展，出 现了 一 种全新的 系统 建模方祛 卜 一 图 形化建模。图 形化建模从根本上改变了 建模人员的 建模行 为， 推导 数学模型、 编写仿 真程序不 再是 计算机仿真的 必 要环节。 在图 形 化建模环境中， 建模人员所要做的就是用系统提供的模块来描述研究 对象， 而其他的工作都可由系统来完成，仿真建模不再是只有专家才能胜任的科 研活动。 图形化建模平台出 现的时间 还不长， 最早出 现于8 0 年代。 目 前比 较成 功的图形化建模软件主要是国 外的一些公司开发的， 这些图形化建模平台 针对的 研究对象各不相同， 有些是针对热力系统的， 有些是针对控制系统 的。 随着计算机技术的发 展， 使 用更方 便、 功能更强大的新一 代平台 也会 相继 诞 生， 成 为目 前 仿 真 机开 发的 必 要 手 段 16 1 。 目 前图 形 化建 模 软 件 很 多， 如a b b公司的i i r x 17 1及g t r a n i 1 , e p r i 的m m s 1 10 .1 1 .1 2 1 ， 加拿人c a e 公司的r o s e s 3 的g f l o w及s c s 公司的n l o o p i 13 1 等。 这些产品 被用 于设备的 设计计算、 工程分析、 系统 动态 特性的 预测等 方面， 减少了 大量 萦琐的工作， 提高了 研究效率。图形化建模以 其高效快捷的 特点蔽得了国 内外建模人员的普遍认可， 8 0 年代国内的 一些高 校和利 研机构开始从国 外 盆庆大学硕士学位论文 1绪论 71.j r7/gylfietrar tp7tji熬ijiu4jfe90 *4tr gf,1, 1i- fhpcp f#11 7 f -df jg1k. a j/xr l7=yi+it71771yt1.ijfycj/1lfl.jqi ar se xt -ct1t141xtpalivylmatafratifxa 开 图 统 t h - c ms 1 5 ,1 6 1 、 重 庆大 学 动力 工 程 学院 仿 真 研究 所的s w s 、 电 力自 动 化研 究院 仿 真中 心的图 形 化建 模仿 真 支 撑软件 一 一 - c m s s i i 1 ， 另 外 还 有 一些 建 模 平台 如 文 献 (18 .19 ,2 0 1 。 在 控 制 系 统 方 面 也 出 现了 一 些图 形 组 态 软 件， 如 参 考 文 献 2 1,2 2 ,2 3 1 。 在 今 后的 日 子 里 还 将 有 更 多 的 图 形 化 建 模 平 台 推出 。 1 . 1 . 4 图形化建模的 优点及存在的问 题 图 形化建模的优点 最近二十几年内，国内 外掀起了 一股可视化建模平台的开发热潮， 其 根本原因 是受到这 种建 模方 式 优势的 吸引。 图 形化建 模平台与 传统的 建模 方式相比 具有以 下几个显著的优点: 1 )减少了 建 模 人员的 工 作量， 降 低了 对建 模 人 员的 要 求 图 形化建棋方式只 要求建模人员对研究对象进行合理的 简化分 解， 然 后用建 模平台 提供的 模块来描 述该对象， 不需 要建 模人员 建立 数学 模型 和 编写仿真程序， 提高了 建模过程的效率，加快了仿真建模过程。 2 建模过 程形象直观 在图 形 化建 模环境中， 建模不 再面 对抽象的 数学 模型和大篇的 计算 机 程序， 而是用形象的图 形模块来描述研匆寸 象。 通过图 形建 模平台 对模块 间关系的 分析，系 统能自 动产生相应的 计 算机程 序。 整个过程 不需要建 模 次员 手 工 编 程， 从 根 本 上 改 变了 建 模 的 行 为 。 3 )增强了 程序的可移植性和模型的 重用性 图 形建 模环境 提供的 基本 模块具有较高的 模块化和通用性， 现场设备 基本上都能用 这些模块来 表示。 另 外在模块 程序的 编写中 采用了 面向 对象 的 技术， 通过 继承派生等 手段， 从根本上 提高了 模块代码的 可重用性 和可 移植性。 4 )仿真实现了 一体化 图形 化建 棋平台 一 般都包含建 模、 调试、 仿 真试验及结果分析等 功能， 因此简化了建模过程。 建模人员可以 利用建模平台 提供的工具完成建模、 调试、 结果分析等工作。 在这种建模环境中， 软件的资 源可充分发 挥作用 和进行综合利用，使整个仿真建模活动更高效，更加自 动化。 5 )良 好的 人机界面 大多 数图形 化建模 环境在实现中 采用了 可视 化编 程工具， 开发出 来的 平台 与传统的 软 件包方式 相比 具有更 好的 人机界面。 多 数的图 形化建 模软 / “了，户 户 盆庆大学硕士学位论文 绪论 件的 数据输入不是 采用数 据文 件方式 每个输入的数据都 有相应的 提示信息 同 时 数据的 输出 也很 直观， 用曲 线、 看起来一目 了 然， 方便了 分析过程。 图形化建模平台存在的问题 ，而 采用了 可视化的 输入力式， 对于 ， 这种方式提高了 数据录入的 可靠性。 表格或图像等来代替数据文件方式， 图 形化建 模平台由 于以 上的 优点及特点 最低， 使 得它 成为仿 真建 模人员的首 选工具 一些缺陷， 集中体 现在以 下几个方面: ， 把建模过 程的 时间 花费降 到 。 但目 前这 种建模工具 也存在 1 )通用性 不够 很多图形化建模软件，其模块库之中 只包括了 常用的一些模块，并且 这些模块也没有很好地体现同 类设备的共性，因 此它所能 进行的仿真在应 用范围 上有严重的局限性。 对于这种情况， 许多图 形化建模平台并没有提 供相应的 补救措施。 2 )对一般用户来说软件缺少应有的开放性 软 件的开 放性对于 通用性来说是一个必要的 补充。 因为 热力 系统的设 备 是多 种多样的， 而且它们还处于不断的发展和变化之中，新型的设备会不 断地涌现，因此， 建模平台的 模块库无法包含所有的设备模块。但为保证 平台的 通用性，开发平台 应该提供相应的 途径， 使建模人员可以向 模块库 添加自 定义模块。 但目 前一些图形 化建 模平台只为专业建模人员提供了 添 加模块的接口， 而这个接口 对于一般用户来说难度太大。 3 )组 态 软 件 功 能 不 够 强 大 目 前 某些图 形化建 模软件的组态部分功能 不 够强大， 特别是图 形处理 一 圾拓 朴 分 析 方 面 有 缺 陷 。 由 于 受 到 当 时 软 件 开 发 技 术 的 限 制 ， 一 些 建 模 平 台在系统的描述上不符合电 站的习惯， 而且系统拓朴结构的分析还需要建 模人员 的 介入， 没 有实 现 建 模的 全自 动 化， 如t h l f . n l o o p 以 及g n e t 1 .0 版本。 这种缺陷的 存在无疑提高了 对建模人员的 要求， 增加 建 模过 程中出 错的可能性。 4 )对其他软件依赖性强 某些图形化建模平台， 特别是国内 的一些平台 在核心技术上使用了 某 些商业软件及 通用软 件包等， 因而图 形化建模的核心技术没 有掌握 在自 己 的 手中。由 于 对其 他软 件的 严重依赖， 这些建模平台 在使用上 和推广上受 到很大的制约。 图 形化建模平台存在的不足影响了 建模平台的使用和推广，因 此 目 前的建模平台 是非常有意义的一个课题。由于 系统建模是一种面向 改进 对象 有目 的的行为， 所以 在开发建模平台 时必须先确定建模平台所针对的 研究 对象及研究的目 的。本文介绍的图 形化建模平台 是针对电 厂锅炉的 热力计 盆庆大学硕士学位论文 i绪论 算而设 计的， 对当 前的 建 模平台 在实 现技术上 进行了 适当 的改 进， 使得图 形建模的 优势得到 更 好的 发挥。 不论是 那 种建 模方式， 都必须建立 在对研 究对象充分了 解的基础上。下面我们先对本文的 研究对象及研究内 容进行 简单的 描述， 并 讨论 一下当前电 厂锅 炉热力计 算的 现状及存在的一 些问 题。 1 . 2 当前锅炉热力计算的现状及存在的问题 1 . 2 . 1 锅炉热力 计算的目的及要求 锅炉的 热力计 算在锅炉的 设计、 改 造及经济性预测方面 有着极为 重 要 的作用。开发一台新型锅炉产品时首先要做好设计工作，设计中要对锅炉 的性能、 结构、经济性可靠性等各方面进行各种计算。 这些计算包括锅炉 的热力计算、 水循环或水动力计算、 空气动力计算、 烟气阻力计算、管子 金属壁温计算、 强度计算、 炉墙和构架计算等， 而热力计 算则是这些计算 中最重要和最为基础的计算， 为其他的计算提供所需的资 料。 锅炉的 热力计 算因 其目 的 不同 可分为 两种， 一 种是设计计 算， 另 一 种 为 校核计算。 设计计 算的 任务就是 在给定的 给水温度和燃料 特性的 情况下， 为了 达到额定蒸发量和蒸 汽参数以 及选定的经济指标，计算、 确定锅炉机 组的炉膛尺寸及各受热面的结 构和尺寸， 并确定锅炉的 热效率和燃料消耗 量、 各受热面进出口 的 烟气温度及工质温度、吸热量以 及烟气流速和工质 流速等，为选择锅炉辅机和进行上述的其他计算提供原始数据。 设计计算是在锅炉的额定负荷下进行的，但为了预计锅炉在其他负荷 下的 工作 特性，以 及锅炉 在使 用非设计 燃料时的 热力 特性， 就 要进行 校核 并 算 。 其 任 务 就 是 在 给 定 锅 炉 的 结 构 和 受 热 面 积 的 条 件 一 ， 对 锅 炉 负 荷 、 燃料、 运行工况及 某些结 构变化时， 求取各受 热面 进出口 处的 工质温度和 工质流速、 烟气温度和烟气流速、 锅炉效率、 燃料消耗量、空 气和烟气量 等。 校核计算的目 的是为了 得到锅炉在非设计工况下运行时的 经济指标， 为锅炉结构改进、 选择辅机和其他各项计算提供相应的数据和资料。 热力计算作为一种静态计算， 它的一个最主要的目 的就是要求能够准 确地确定所求的数据，这也是热力计算的最基本的要求。目 前尽管有很多 的 热力计 算软 件， 大多 数都是以 软件包的 形式提供 给用户， 因 此使 用起来 不太方便。 1 . 2 .2 锅炉热力计算的发展现状及存在的问 题 以 前由 于 计 算机技术不够普及， 锅炉的 热力计 算一直采用手工计算， 虽然这种计算从根本上讲没有多大的难 度， 但是计算量和工作量却比 较大， 而 且 中 间 过 程比 较 繁 琐 . 图1 .2 就 是 锅 炉 热 力 计 算 的 一 般 程 序 ， 山 此 可以 重庆大学硕士学位论文 i绪论 看出手工计算的工作量。 从图中 可以 看出 ， 热力计 算存在着两种循环， 一种是每个受 热面 部分的 循环， 它为了 达到应有的精 度而 进行迭代运算， 称 之为小 循环; 另一 个就是当 假设排烟温度与实际计 算温度相差较大时 ， 在假设排烟温度调整后进行重 新计算 ， 这 个循环 称为大 循环。 如果 在计 算时对一 些参 数 假设不合理 ， 为 达到 计算的 要求就必须进行多次反复的 运算， 这对于 手工计 算方式来说工作量 是相当大的。目 前，热力计算通常都采用了电算化方式。 图1 .2热力计算流程图 电 算化锅炉热力计算存在的问 题 随着计算机科学的发展，锅炉的热力计算普遍采用了电 算化的方式， 提高了计算的速度， 但同时也带来了 一些问 题。 1 )计 算精度问 题 与动态计算不同， 对静态计算来说计算精度是最基本的要求， 但很多 电算化的锅炉热力计算存在计算精度上的问题，主要原因是工质的热物性 重庆大学硕士学位论文 绪论 计算模型不够准确造成的。 在手工计 算时，工质的热物性计算都是 通过查 图 表 来实 现的， 但是 在电 算化过程中 不能 借用图 表来查这些物性参 数。由 于目 前人们对物性的变化机理缺乏系统的了解，电 算化计算中常用拟合公 式来计算物性参数。由于 物性参数的变化范围 广， 而且参数间的函 数关系 复杂， 拟合公式在计算精度上很难达到静态计算的要求。 目 前， 热力计 算中 物性计算精度方面的问 题主 要是水蒸汽和烟气物性 计算方面。 尽管有些学者对水蒸汽计 算模型进行了 改善，山护 对上质物性 的变化特性缺乏系统的了 解， 在精度上也 没有取得显著成效。 有些拟合公 式还比 较准确， 但其使用的 范围 非常 有限， 不能 满足热力计算的要 求。 工 程计算中， 人们普遍采用国际公式化委员会提供的i f c模型来计算水和水 蒸汽的热物性。 2 )缺乏通用性 为了能够实现代码的可重用性， 人们编制了许多 锅炉热力计算软件包， 这种方式在一定程度上减少了 建模人员的 工作量， 但由 于在基本模块的设 计中 没 有很好 地规划，同 时 所提供的 模块在数量和类型上很有限， 使 这些 软件包在应用范围上受到了限制。 3 ) 用户界面 不友好 软件包虽然把基本受热面 进行了 模块化， 以子 程序的形式供用户使用。 但是，这些软件包没有提供良 好的用户界面，而且用户必须编写相应的程 序来调用这些模块， 所以 使用起来不方便。另 外软件包也 没有提供 相应的 工具来处理计算的结果. 锅炉系统图 形 化建 模的 可行性 一 对于 一 个良 好 的 热 力 计 算 软 件 来 说， 以 上 的 缺 点 都 应 该 克 服。 由 于 图 形化建模软件具有建 模过 程形象 直观、 用户界面 友好， 建模 快速等 特点而 受到人们的普遍认可。只要合理地组织受热面的模型，提高计算精度，传 统的热力计算存在的问 题可以 得到解决。 通过对锅炉机组的组成特点、工 作原理及目 前提供的软件开发工具的仔细分析， 建立一 种面向 锅炉热力计 算的图形化建模平台是完全可行的。 u 从锅炉的组成及工作原理来看 经过多年的发展，电厂锅炉在种类及单机的容量上有了 很大的 发展， 新型锅炉也不断出 现。如果为每种锅炉都单独编写热力计算程序， 其工作 量是相当大的，而且所做的很大一部分工作是重复的。虽然，锅炉从总体 上看，不同种类的锅炉差别较大，但是侮种锅炉的基木组成极为相似，而 且构成锅炉的基本设备在工作原理上也 基本相同。 在建模过程中， 不采用整体的设计思 路， 而是以 模块为单位进行模型 的开发， 这将会改善代码的重用性。 在编写锅炉系统的 模型时，只要先对 翻. 重庆大学硕士学4 4 论文 结论 整 个系 统进行合理的 划分， 然后选择相应的 模块 合理 地组织 起来就能 构造 出 锅炉的 整体 计算模型。 如果 模块相当 丰 富， 对于任何 一种锅炉系 统都可 以用模块库提供的基本模块来建模。 z ) 模块化建模思想在实现上提供了 指导 模块化建模思想就是 把一个系 统划分成一 些独立的子 模块， 这些模块 在求解中具有很高的独立性，它明确规定:描述模块的所有方程都包括在 模块之内， 模块的 输出 能 根据模 块本身的 能量、 质量和 动量方 程以 及边界 条件来计算， 而与 其它模块的 求解情况无关。 在模块化建模思想的指导下， 把锅炉中的 基本受热面做成独立的 模块， 为组成复杂的锅炉系统提供了基础。由于模块之间的相对独立，在描述系 统时模块的 选择只由 锅炉系统的 构成决 定， 与其它因 素无 关。 3 )面向 对象的编程思想是描述模块的有效手段 面向 对象的编程思想改变了以 往那种将数据和操作数据的函 数相分离 的做法， 它将用户定义的 数据和操作数据的过程有机地组织在一起。 面向 对象的程序设计是一种系 统化的程序设计方法，它允许 抽象化、 模块化的 分层结构，主要体现在多态性、继承性和封装性上。 多态性是指一些关联的 类包含同名方法的 程序. 但方法程序的内 容可 以 不同。具体调用哪种方法由 程序在运行时根据对象的类来确定， 这种方 式增加了 程序开发的灵活性。 继承性用以 说明子类延用父类特征的能力。如果父类特征发生改变， 则子类将继承这些新特征。 这个特性非常重要， 它从根本上提高了 代码的 叨 可重 用 性 。 当 在 模 块开 发 过 程 中 ， 可 以 把 模 块 的 共 同 特 性 抽 象 出 来 形 成 一 个基类， 其他的 模块可以 通过 继承来得到 这些功能， 从而 减少了 编程的 工 作量。 封装性 用于 包含 和隐 藏对象信息， 如内 部 数 据结构和干 姊 1 。 封装将 操 作 对象的内 部复杂 性与 应用程序的 其他部 分隔离开来。 这可以 简化 类的 使 用，只要通过访问 类提供的接口函数，就可以达到操纵对象数据的目的。 通过封装， 模块只向 外界暴露几个必须的 接口， 在运行中依靠这些接口 来 传递模块间的信息，其他模块不能随意修改模块的数据，提高了数据的安 全性。 同 时，由 于 模块间 只能 通过接口 函 数 ( 类的方 法) 来交 互， 从而实 现了 模块的 独立性及高 度自 治能力。 把模块化建 模思想与面向 对象的 编程 技术相结合， 可以 提高模块的 可重 用性， 加 速程序的 开发。 4 )可视化编程语言是软件开发的有效工具 目 前 流 行 的 可 视 化 编 程 语 言 有 微 软 公 司 的v c 及vb， 还 有i n p ri s e 公 司 的d e lp h i ， 它 们 都 是 一 种 面向 对 象 的 编 程 语言 。 这 些 语 言 功 能 极 为 强 大 ， 它们都封装了 丰富的类库供开发者使用，使用这些类库可以加速程序的开 重庆大学硕士学位论文 绪论 发，提高了开发效率。 本文选取v c作为开发工具， 同时它的m f c 包含有大量的类库 因为v c是体现面向 对象的最好语言， ， 减少了 编程人员 的工作 量。 此外， v c 是一种高度可视化的编程语言，可以开发出界面友好的 wi n d o w s 应用程 序，用户只要有相应的wi n d o w s / n 7 ， 平台的操作经验就能熟练地使用 v c 开发的应用程序。 本文介绍的图 形 化建 模软 件的 一个 特点就是 把a c t iv e x技术用于 模块 的开发中。 v c的m f c a c t iv e x c o n t r o l wiz a r d 为a c t iv e x控件的开发做了 大量的 基础工作， 简化了 控件的 开发过程. 同 时， m f c 又 支持文档容 器的 开发， 简化了 对控件方法的调用过程，因此选取v c作为开发工具是非常 合理的。 5 ) win d o w s ( n t是强大的开发平台 wi n d o w s /n t是目 前最为流行的操作系统， 它用户界面友好， 操作方 便， 是桌面计算机首 选的 操作系 统。 为支持w in d o w s 程序的开发， w i n d o w s / n t提供了功能强大的 应用程序编程接口( a p i ) ，同时它又提供了 丰富的 win d o w s 控件，可用于用户界面的开发。另外， wi n d o w s / n t具有很强的 图形处理能力，加 快了图形 化建模软件的开发。 此外用户一般比 较熟悉 wi n d o w s / n t 的操作，因此在这个环境下开发的 应用程序很符合建模人员 的操作习惯，只要通过短时间学习就能熟练运用该软件进行建模。 1 . 3 相关的开发技术 - 1 . 3 . 1 a c t i v e x 控件技术 a c t iv e x控件，以前 称为o l e 控件。 在i n t e r n e t 环境卜 它 利月 c o m ( c o m m o n o b j e c t m o d e l ) 技 术 来 实 现同 另 一 个 组 件 进 行 通 信 ， 不 管 它 们 是 用 什 么 语言 建 立的 2 4 i 。 同 时a c t i v e x控 件 也 用于 桌面 应 用 程序的 开 发， 是 一种组件化的 程序设计手段， 被设计用来在父应用程序中完成特定的功能。 由 于a c t iv e x控件有它自 身明 显的 优点 和特点， 使得它 在开 发可重 用模块 方面具 有得天独厚 的快捷 性。目 前，国内在 利用a c t i v e x技术开发仿 真系 统 可重复 利 用 模块 方面已 经 有了 先 例s i ， 但却 很少 见。 a c t iv e x控件具有高 度的 封装性，是一种很好的 模块化设计方式，由 于它可以让用户有一种视觉上的效果，因此用它作为功能模块可以 产生应 用程序界面， 这就是图形化建模环境所需要的。 它具 有以 下特点: 属性和方法 跟任何一个o l e对象一样， 控件可以通过带有属性和方法的一套接口 来向 外提供它的大部分功能。 控件容器可以 提供其他的 环境属性，并且通 盆庆大学硕士学位论文 绪论 过组合来扩展 控件 属性。 属性允许 控件容 器或控件的使 用者以 不同 的方 式 来控制 控件。 使 用者可以 改变 控 件的 外观， 改变控 件的某 些值， 或向 控件 发出请求。 属性和方法在开发热力系统的 基本模块时非常有用。设备的结构特性 都可以 用控件的属性来表示， 它可以 通过属性页来完成这些参数的 输入。 控件的方法是体 现控件功能的基本手段， 模块拥有的绝大部分功能如数据 传递、热力计算及访问模块数据等功能都可以通过方法来实现。在 c l a s s w iz a r d 的 帮 助下， 实 现起来非常方便。 事件 事 件是一 种通告机制， a c t iv e x控件可以 利用事件 来通知它的客 户自 身的变化，客户如果支持事件的处理就能与控件进行交 i. .尽竹 川数据 有限， 只有a r r iv e d 及a r r iv e d e r r o r 两种事件， 但它在某些场合下非常有用。 可视表达 控 件 可以 拥 有自 己 的 外 观 ， 通 过 定 制 控 件 的 绘 制 函 数， 控 件 可 以 以 用 户需要的任何形状来表现自己. 在锅炉系统设备模块的开发中， 把设备模 块的图 标粘贴于控件上， 就可以图形 化地表现一个模块了。同时， 控件可 以 支持在容器中的自 我定位， 利用这一特性，我们可以 在组态面板中随意 移动模块的 位置， 容器能自 动记录控件的 位置及大小等 特性，为 此我们不 用编写任何代码。 状态保持 状态的保持又称为持久性 ( p e r s i s t e n c e ) ，它是指组件在执行期间记录 自 身 状 态 的 功 能 。 通 过d o p ro p e x c h a n g e ， 控 件 的 属 性 及 一 些 数 据 都 可 以 被 汞 久 性 地 存 档 ， 也 可 以 从 磁 盘 介 质 中 加 载 数 据 。 利 用 控 件 的 持 久 性， 模 块 的初始化数据及计算结果等数据都能自 动保存于磁盘介质 卜 ， 通过控件属 性页用户可以 查看和修改控件的属性。 在持久性的 支持卜 ，每个模块都能 对自 身的 数据 进行管理， 使 模块具有自 治能力， 增强了 模块的 独立性。 在可视化模块的开发中， 利用a c t i v e x控件具有明显的优势。 在以 上荃 本功能的 支持下， 开 发一个 模块所需时间 减少， 提高了 开 发过程的 效率。 同 时 模块与使 用模 块的 程序在功能上得到了 严格分 离， 各部 分 可以 分开来 实现，与通常的软件开发模式保持一致。 1 . 3 . 2 文档容器的功能及作用 本文的组态租字 就是一个使用a c t i v e x控件的文档容器。它的作用就 是创建控件、调用控件的方法来完成锅炉系统的组态，并且通过拓朴分析 来理清模块间的 关系， 产生 热力计 算程序。 在a c t iv e x控件与文 档容 器的 交互中， 文 档容器是充当 客户的 角色， 孟庆大学硕士学位论文 绪论 而a c t iv e x控件则作为文 档服务器。 控件可以 嵌 入到容 器当中， 并 在文档 的视图中显示出来。文档容器有以下功能: 保存和加载控件的状态 文 档容 器具 有i p e r s i s t s t o r a g e 接口 ， 在 这 个 接口 中 定 义了 一 些与 文 档 数据处理有关的方法， 通过这些方法容器可以加载和保存控件的 数据。 在 创建 新 控件 及加 载原 有控件 时， i p e r s is t s t o r a g e 接1- 1 就会 被 调 川。 支持基本的嵌入 操作 文档容器包含i o l e c li e n t s it e 接n. 控件等嵌入 对象通过它来得到自 身 的一酬言 息， 如位置、大小、 标识及用户接口 等资源。 对于每一个复合文 档对象， 容器都提供了 一个i o le c l i e n t s it e 实例， 为复合文档对象提供足够 的资源信息。 支持嵌入对象的 现场激活 i o ie i n p la c e s it e 及i o ie i n p la c e f r a m e 是 文 档 容 器 的 重 要 接口 ， 支 持 嵌 入 对 象的 现 场 激 活， 同 时 它 们 还 支 持 嵌 入 对 象 。 通 过i o le i n p la c e s it e 接口 ， 容器可以 控制现场激活 对象的状态，同时又可以 感知控件状态的 变化。 i o ie i n p la c e f r a m e 接口 用 于 最 顶 层 框 架 窗口 的 控 制 ， 通 过 它 能 设 置 和 显 示 现 场 对 象的 状 态。 . 支持活动文档的扩展 文档容器都要实 现 o l e d o c u m e n t s it e 接日 ，它足i l 文 档交流了 汽 息 的机 制。图1 .3 体现了文档与组件对象之间的概念性关系。 i o ie l n p l a c e f - i o b c a l m i a d t 二 e t cant- do 亡 u 口 l e 改 i o i e 1 喇a c , u l w in d o w i oi . co o t a nn i o i e 洲 e c t i d a t a o b j e c t i l p e m . ot m x 、 毛 ， 曰幻 a t 下 汕 t i oi e do c u me n t i o i . c h e n l s n e 1 以. 人d we s u 山 1 06d. -ns t e 一旧 k l n p l -0 b i e c t i o i e l n p l -a c ti v , o b l e n 1 0 md- we w i v k l n p l 二 欲. 一 1 户 仙 m， 尸 n 璐 心 图1 .3 文 档容 器与 组件的关系示意图 正是由于文档容器与组件对象之间提供的各种接c i ， 使得组件对象和 文档容器之间实现了 无缝连接。文档容器通过接l.1 1 1丁 以极为为便地访问控 件，同时控件又育 白 认 文档容器加载必要的资源和信息。 利用a c t iv e x控件 技术 和文档容 器， 开发过 程变得更为 简便，同 时控件在系统中 经注册 就 能被各种应用程序所使用，为实现开放的模块库打下基础，这是本文一个 ，庆大学硕士学位论文 绪论 重要的技术特点。 1 . 4 本文的工作及特点 1 . 4 . 1 本文的主要工作 由 于 仿 真建 模是 一 种 面向 研 究 对 象的 有目 的 的 行为. 所以 开 发 一 个 万能 的仿真建模软件是不现实的。本文是以电站锅炉的热力计算为例，在 w i n d o w s / n t 平台 上实 现图 形化建 模。 在实 现这个图 形 化建模平台 过 程中， 涉及的主要工作如下: 模块的划分 在图形化建模中， 模块是构成热力系统的基本单位，模块的划分必须 恰当。 本文在参考h am s 的 基础上并结合热力计算的 传统方式， 根据各种设 备的工作机理对锅炉系统进行划分，并确定出各个模块的输入输出参数。 模块程序的设计 模块最基本的 功能 就是 进行热力计 算， 这部分是 软件的 基础。 受热面 模块的计 算程 序是由f o r t r a n 9 0 语言 编写 的， 并 做成动态链接库d l l 。 在 调用控件的 热力 计算方法时， 动态链 接库就 被调入内 存， 计 算结束后就释 放掉， 这种方式有利于节约内 存空间。 模块控件的设计与实现 控件提供了视觉上的效果， 每一个受热面模块都有一个控件与它对应， 它是构成图 形 程序的 基本单 位。 模块的 热力计算功能 被设计 成 控件的 一个 方 法 ， 包 含 在 接口 中 ， 另 外 控 件 还 要 实 现 许 多 其 他 的 功 能， 如 缩 放 、 拖 动、 务名 、 数 据 传 递 议 数 据 保 存 等 功 能 。 组态程序的 编写 组态程序是图 形 建 模平台 中 最复杂的 部分。 这部分实现了 系统组态 功 能、 系统拓朴结构的分析功能、 可执行租字 的产生功能，计算结果的显示 功能等， 其中系统拓朴结构的识别是课题的一个重点与 难点。 1 . 4 . 2 本文工作的 特点 本文开发的是一种图 形化建模平台， 与 其它图 形化建模平台 相比 既有 些共性又有自 身的优点和特色。正是这些优点弥补了以 往图形化建模的不 足， 简单地说本建模平台具有以 下几个特点: 完全图形化 整个建模过程包括系统模块定义及描述、 模块的参数化、调试及计算 结果的显示等方面都实现了 全面的图 形化， 用户界面友好， 建模过程符合 用户操作习惯。 宜庆大学硕士学位论文 绪论 v xu声 刀 斗 二 建模平台 在通用性方面给予诸多考虑，每一个模块都是以 标准化的方 式实现。目 前 情况 下， 尽 管模块库中 的 模 块不太多， 但基本上能 对常见类 型的电厂锅炉进行热力计算。 a c t iv e x技术在模块开发中的应用 用a c t i v e x技术来开 发可视化 模块， 使得 模块与 组态程序在功能的 实 现上完全分开，每个模块具有很强