（热能工程专业论文）max1000控制系统仿真模型自动生成技术研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 针对火力发电厂机组仿真机开发过程中m a x l 0 0 0 控制系统仿真模型仍然使用 手工建模的现状，本文提出了一种m a x l 0 0 0 控制系统仿真模型自动转换技术，摈弃 原有的手工建模方法，充分利用电厂实际的d c s 组态文件。使其自动转换为仿真支 撑系统下的数学模型。本文首次设计并实现了m a x l 0 0 0 控制系统向s t a r - 9 0 仿真支 撑系统的自动转换。实践结果表明使用自动转换技术大大缩短了d c s 仿真开发的时 间，降低了开发人员的工作量，缩短了仿真机研制周期，更重要的是提高了仿真的 逼真度。为d c s 的仿真建模提供了一条新的途径。 关键词：m a x l 0 0 0 控制系统，仿真模型，转换工具 a b s t r a c t a i m i n ga t t h ea c t u a l i t yt h a tt h em a n u a lm o d e l i n gi ss t i l lu s e di nm o d e l l i n go f m a x l 0 0 0c o n t r o ls y s t e mi nt h ep r o c e e d i n go fd e v e l o p i n gt h es i m u l a t o ro fp o w e rp l a n t u n i t s ，t h ep a p e rp o i n t so u tak i n do fa u t o m a t i cm o d e l i n gt e c h n o l o g yo fm a x l 0 0 0 c o n t r o l s y s t e m ，a b a n d o nt h e m e t h o do ft h em a n u a lm o d e l i n g ，f u l l yu t i l i z et h e c o n f i g u r a t i o nf i l eo fm a x l 0 0 0c o n t r o ls y s t e m ，t r a n s l a t ea u t o m a t i c a l l yt h ef i l e si n t ot h e m a t h e m a t i cm o d e lo fs i m u l a t i o ns y s t e m i nt h ep a p e rt h ea u t o m a t i cm o d e l i n gb e t w e e n m a x l0 0 0c o n t r o ls y s t e ma n ds t a r - 9 0s i m u l a t i o ns u p p o r t i n gs y s t e mi sd e s i g n e d t h e r e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ea u t o m a t i cm o d e l i n gt e c h n o l o g yc a nr e d u c et h el a b o ri n t e n s i t y f o rr e s e a r c hw o r k e ra n dt h ep e r i o do fd e v e l o p i n gs i m u l a t o r , a n di ti sv e r yi m p o r t a n tt o i n c r e a s ea c c u r a c yo ft h em o d e l i ti sr e a l l yan e ww a yf o ra u t o m a t i cm o d e l i n go fd e s p u x i a ( t h e r m a le n e r g ye n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n g b i n g s h u k e y w o r d s ：m a x l 0 0 0c o n t r o ls y s t e m ，s i m u l a t i o nm o d e l ，t r a n s l a t i o nt o o l 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文m a x l o o o 控制系统仿真模型自动生成 技术研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：i 篮塑 日 期： 垫业：1 2 ：丝 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：趣益 日期：巡：逸 导师签名： 日期： 曼勇扫， 劢r 1 2 加 华北电力大学硕士学位论文 第一童绪论 1 1 电厂仿真技术的发展与现状1 1 仿真作为一门利用模型进行试验、研究和培训的综合性技术，具有可控、安全、 经济、节约时间、允许多次重复的特点，被广泛地应用于航空航天、航海、国防、 原子能、电力、冶金、化工、医学、农业等领域，进行系统研究、分析、设计和训 练人员。由于大型发电机组设备庞大、系统复杂，因此对电站设备的研究，对系统 的分析和参数的校正，对运行安全和经济的分析，对运行人员的培训等，在实际发 电机组上直接进行己不现实或根本不可能。利用仿真技术的特点，在模型上进行试 验研究，或应用电站仿真机培训运行人员，则上述问题可迎刃而解。因此，电站仿 真技术在近三十年来，得到快速发展”1 。 我国电力仿真机技术的发展始于7 0 年代至8 0 年代初期的基础性研究”。1 9 8 9 年清华大学成功研制出我国首台2 0 0 m w 火电机组全仿真机。华北电力大学( 保定华 仿科技公司) 于1 9 9 0 年研制出我国第一套大型仿真支撑软件系统，并于1 9 9 1 年完 成了我国首台3 0 0 m w 火电机组全仿真机研制。随后，亚洲仿真公司于1 9 9 3 年也完 成了同类仿真机的开发。自7 0 年代至今，在电力部门的大力支持下，电站仿真机 正以惊人的速度发展，全国己拥有各类仿真机3 0 0 余台，2 0 多家仿真研制单位，仿 真技术达到世界先进水平。目前所投运的仿真机大都以培训电厂运行操作人员为目 的。为适应发电技术的进步及提高电力生产安全、可靠性的需要，电力部门要求电 站仿真机能不断扩大功能，除培训功能外，还应有生产性能分析和故障诊断等科学 研究功能。同时，随着仿真机数量的增加及市场逐步萎缩，仿真机生产厂家为了开 拓市场和扩大仿真机的应用范围，在仿真技术和功能扩展方面开展了深入研究，从 而迸一步促进了电站仿真机的发展。 计算机体系结构和建模技术是电站仿真装置的核心技术之一，也是评价仿真机 水平的关键。因此仿真机研制单位对此都很重视，并采用各种途径进行研究，发展 新技术。具体来讲，电站仿真技术在以下几个方向得到了发展： 1 ) 分布计算及网络通讯技术； 2 ) 研制开发模块库图形建模技术： 3 ) 仿真算法的改进； 4 ) 探索系统拓扑结构自动识别和模型自动生成技术。 1 2 集散控制系统仿真技术h 耵 在新建的大型火电站中，已十分普遍采用d c s ( 集散型控制系统) 装置，所以在 i 华北电力大学硕士学位论文 仿真机中实现d c s 的仿真势在必行目前工业过程d c s 仿真的实现方法主要有全仿 真、激励型、虚拟d c s 三种。全仿真方法是对监视、控制系统全面采用仿真方式， 用仿真组态软件实现d c s 的主要功能；虚拟d c s 仿真方式采用对人机界面和控制系 统直接处理为仿真机所用软件格式的方式；激励型仿真是指工业过程监视、控制系 统选用与现场完全相同的真实硬件和软件，只有设备模型是在主仿真计算机上运算 的仿真方式下面以d c s 操作员站为例介绍仿真软件的开发技术。 1 2 1 全仿真技术 传统的全范围仿真，用软、硬件替代的方式，仿真其人机界面，而不必复制其 所有功能，即所谓仿真( s i m u l a t i o n ) 方式。这种仿真方式是按d c s 外部可见功能 重新开发一套d c s 软件，所以其缺点是所仿真的控制系统通常与实际机组之间存在 差异，且软件维护费用较高。这种方式的优点是容易适应仿真机运行方式和故障， 性能价格比好，硬件维护、培训和设备费用低。 1 2 2 激励型仿真技术 随着机组容量的不断增大，d c s 功能更加强大和复杂，对热工人员的培训问题 就显得尤为重要。目前国内几家产业化的仿真公司已经能为热工人员提供工程师站 仿真功能，如华北电力大学( 保定华仿科技公司) 的s t a r - 9 0 系统就拥有先进的图 形建模系统，具有与实际d c s 系统完全一致的算法库，但与实际d c s 的工程师站在 组态命令与格式上不能完全相同。由此需采用激励型仿真技术，全部或部分融入实 际d c s 设备。 ( 1 ) 全激励型仿真技术 在仿真时要选用与原现场完全相同的d c s 设备配置，包括工程师站、操作员站、 现场控制站及其系统软件和控制软件，仿真主计算机仅运行设备模型，控制系统在 实际的现场控制站中运行，于是仿真机需和现场控制站进行实时数据交换，以保证 整个系统的正确运行。 采用实际d c s 设备，真实感强，仿真效果逼真，并且开发周期较短。但价格昂 贵，全范围仿真机一般不采用此方法，只在一些较高要求的热工人员培i j i i 系统中采 用激励型仿真技术，采用简化d c s 的配置来降低费用。另外由于控制系统全部采用 实际d c s 设备，无法实现仿真机所具有的冻结、回退、抽点、重演等独特功能。 ( 2 ) 部分激励型仿真技术 由于全激励型仿真技术投资费用高，又无法实现仿真机的一些特有功能，所以 多采用部分实际d c s 设备进行部分激励型仿真 仅按实际d c s 配置工程师站和操作员站，省去现场控制站，在仿真系统上实现 2 华北电力大学硕士学位论文 控制系统模型的仿真，这样既节省大笔的投资又可实现仿真机所具有的冻结、回退、 抽点、重演等独特功能。实现该仿真系统最重要的环节是要解决实际d c s 操作员站 与仿真机主机之间的双向数据的实时通讯问题。可以通过使用d c s 厂家提供的专用 通讯协议或者利用d c s 厂家操作员站提供的公用通讯协议，如o p c 协议等方法解决 1 2 3 基于虚拟d c s 的仿真技术 虚拟d c s 仿真包括操作员站界面的虚拟h m i 仿真与控制系统的虚拟d p u 仿真。 许多仿真机都要求在实际系统投产之前对运行人员进行培训，若按照原有的全仿真 技术来开发仿真机会存在修改次数多、工作量大、易出错等诸多问题。由此提出利 用一些现有的d c s 组态文件的电子文本资源，采用转换和翻译的思想来自动生成系 统仿真模型，从而提高d c s 全仿真型仿真机的开发效率。这对虚拟d c s 仿真方式提 出了需求。 虚拟d c s 仿真包括两大组成部分：一是操作员人机界面的虚拟仿真技术，称之 为虚拟哪i 技术；二是控制策略与逻辑系统的虚拟仿真技术，称之为虚拟d p u 技术。 ( 1 ) 虚拟h m i 技术 虚拟h m i 技术即将实际d c s 的画面组态文件，经过翻译、转换处理，将原来画 面组态文件中的静态、动态信息，分别处理为仿真机操作员站仿真软件所能识别的 静态、动态信息，进行归类、汇总后进行实时仿真驱动。该技术的特点是仿真逼真 度高，特别适用于仿真机先于实际机组投产的情况，现场画面组态文件修改后可以 通过软盘拷贝到仿真机，而且不用经过任何修改就可以用于仿真机。 ( 2 ) 虚拟d p u 技术 虚拟d p u 技术专指控制策略与控制逻辑系统的虚拟仿真技术，主要特点是仿真 逼真程度高，仿真系统采用与原d p u 同样的控制算法、控制功能、执行周期与时序。 现场控制组态文件修改后可以直接不用任何修改就能用于仿真机，特别适用于仿真 机先于实际设备投产的情况和热工人员培训 采用d c s 厂家提供的虚拟d p u 的仿真技术 采用d c s 厂家提供的虚拟d p u ( d i s t r i b u t e dp r o c e s su n i t ) 软件模拟现场控 制站，仿真机系统仅选用一般的p c 机安装上虚拟d p u 软件就可作为现场控制站来 运行控制系统，在仿真主机上运行设备模型，设备模型与运行在虚拟d p u 的控制系 统需进行实时数据交换。另外，实际d c s 操作站与虚拟d p u 之问也需进行实时数据 交换，采用d c s 厂家提供的专用通讯程序完成。采用虚拟d p u 模拟现场控制站，比 全激励型仿真节省了费用，又能高精度模拟控制系统的仿真，但仍然无法实现仿真 机所具有的冻结、回退、抽点、重演等独特功能除非仿真机厂家向d c s 厂家定制 3 华北电力大学硕士学位论文 适应于仿真机特殊功能的虚拟d p u 仿真软件 采用翻译型虚拟d p u 的仿真技术 翻译型虚拟d p u 基本与厂家提供d p u 实现方式相同，区别在于将控制组态电子 文本拷贝到仿真机，经仿真机中的专用转换工具翻译后，自动形成仿真系统认知的 控制系统仿真模型。其仿真原理如图i - i 所示 实际d c s 系统i仿真系统 i 图l i 翻译型虚拟d p u 的仿真原理 采用基于转换思想的仿真机系统，通用性较强，而且开放性好、易于扩充，维 护方便。特别具有自动化程度高和简单易行的特点，可大大减轻仿真开发工作者的 工作量和使用者的维护工作量，缩短仿真机研制周期，为d c s 的仿真建模提供了一 条新的途径。 1 3 课题研究的目的和意义 华北电力大学( 保定华仿科技公司) 开发研制的s t a r 一9 0 系统是适合于电站仿 真机开发的集成化仿真支撑系统，已成功地应用于多台大型火电机组仿真机的开 发，但随着系统复杂程度的不断提高，原有模块化手工建模方法已越来越不能适应 实际的需求如何提高建模效率，加速系统的建模和调试进程，一直是所有仿真研 制人员不懈努力追求的目标。该公司已经成功开发出图形建模系统与原有s t a r 一9 0 支撑系统为一体的可视化建模环境。在此基础上，针对火电厂运行机组中采用的多 种实际d c s 在组态后一般会形成组态文件的特点，利用实际机组已有的d c s 控制系 统组态文件来自动生成控制系统仿真模型，无疑给d c s 系统的仿真带来极大的方便， 为控制系统仿真模型的建立提供一条捷径。 4 华北电力大学硕士学位论文 原始的手工建模过程中，所有的工作都是由仿真建模工程师手工完成的，不仅 工作量大，容易造成人为错误，使得工作效率低下，而且建立的模型正确性差、可 靠性低，给后续的调试和修改工作带来很大的不便。上海自动仪表股份有限公司的 m a x l 0 0 0 控制系统，采用目录树的形式进行组态，很难查看模块之间的连接关系， 因此给建模工程师带来了很多的不便，一方面需要仿真建模工程师花费大量的时间 去研究m a x l 0 0 0 控制系统的组态文件，另一方面很难保证仿真模型的精度，从而降 低了仿真机开发的效率和精度。因此，本文摈弃原有的手工建模方法，充分利用电 厂实际的d c s 组态文件，使其自动转换为仿真支撑系统下的数学模型，以达到缩短 d c s 仿真开发的时间，降低开发人员的工作量，更重要的是要提高仿真开发的精度 的目的。基于以上要求，作者与项目组成员一起开发了一个由m a x l 0 0 0 控制系统 转换到s t a r 9 0 仿真支撑系统的转换软件，该软件具有以下特点： 1 开放性，软件采用面向对象方法和开放式结构设计，用户可以自行对算法 的对应关系，输入输出变量以及系数的对应关系进行定义和扩充，易于维护 2 自动程度高，简单易用。用户只需提供实际机组d c s 控制系统组态工程中 形成的组态文件，该软件就能自动转换成s t a r 一9 0 一体化图形建模环境下的仿真模 型。转换过程中自动定义实际控制系统内部的标签名或变量引用地址作为仿真模型 变量名，自动定义实际控制系统的模块名或模块地址作为仿真模型模块名。 3 较强的通用性，如果d c s 组态文件能提供自动转换软件所需的信息，就可 以完成d c s 组态文本到s t a r 一9 0 仿真模型的自动转换。 4 软件人机界面友好，全中文的图形操作界面，操作人员操作方便，易于掌 握。 1 4 本论文的主要工作 火电厂的热工过程控制是一个复杂的多变量控制系统，要建立一个较结合 实际的系统模型是比较困难的；另外，为了实现全范围的实时仿真，仿真算法 也是一个比较关键的问题，因此，本文深入研究了火电机组控制系统全仿真模 型与算法问题，在以往开发电厂仿真机的基础上。根据电厂仿真机开发的实际要求， 项目组分工合作，加快了仿真机的开发进度。其中，作者主要完成了以下几项工作： 1 分析和研究了徐塘电厂m a x l 0 0 0 控制系统组态软件，确定了转换软件的总体 结构和设计方案。 2 完成了m a x l 0 0 0 控制系统中用到的功能码和s t a r 一9 0 仿真系统中的算法映射 关系的对应，并且完成了s t a r 一9 0 新算法的开发工作 5 华北电力大学硕士学位论文 3 完成了m a x l 0 0 0 控制系统到s t a r - 9 0 仿真支撑系统转换软件的开发。 4 在仿真机联调过程中，参与了控制系统的修改和调试工作。 在开发过程中，运用了控制、计算机等多方面的技术。由于工作内容太多， 在本论文中难以面面具到，作者仅叙述了软件总体框架及自己独立设计或重点 参与的部分内容。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章m a x l 0 0 0 控制系统的分析与研究 2 1 集散控制系统及其组态软件 2 1 1 集散控制系统 集散控制系统全称叫集中分散控制系统，简称d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) 。我国习惯上称之集散系统或d c s 。集散控制系统是集计算机技术、控制 技术、网络技术和c r t 显示技术为一体的高新技术产品其实质是利用计算机技术 对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。它采用分散递阶结构，体现了 集中管理、分散控制的思想，实现了系统的功能分散、危险分散，具有控制功能强、 操作简便和可靠性高等特点它可以方便地用于工业装置的生产控制和经营管理， 在化工、电力、冶金等流程自动化领域的应用”1 已经十分普及。它既不同于分散的 仪表控制系统，又不同于集中式计算机控制系统。它是吸收了两者的优点，在计算 机技术、信号处理技术、测量控制技术、网络通信技术和人机接口技术的基础上发 展起来的一门系统工程技术m 1 。集散控制系统的基本结构如图2 1 所示。 图2 一l 集散控制系统基本结构 这种系统将计算机技术引入到过程控制系统中，利用单元组合仪表及计算机系 统的优点，用软件组成各种功能模件，并用c r t 显示温度、压力、液位、流量、 成分等过程参数，通讯网络把二者连成一个系统。因此，d c s 的一个显著特点是各 7 华北电力大学硕士学位论文 工艺现场由现场控制站进行分散控制，各个分散控制得到的信息由管理站集中管 理，同时根据生产工艺要求管理站进行集中控制，即信息和操作管理集中化而控制 分散化，集中就是指管理、操作、监视三方面，分散是指功能分散、负荷分散”1 2 1 2 集散控制系统组态软件阳1 组态( c o n f i g u r a t i o n ) 是集散控制系统所提供的功能模块或算法组成所需的系 统结构，完成所需功能。d c s 的组态从广义讲包括硬件组态和软件组态两个方面的 内容。硬件组态指对测量点、变送器、现场控制站乃至操作站、工程师站等系统所 有硬件的配置，不同的系统，其硬件的配置情况可以差别很大，视现场情况而定。 软件组态是指对基本配置和应用软件的组态。基本配置的组态是决定诸如站点 数、索引标志、现场控制站的站点数、最短执行周期、最大内存配置等等。应用软 件的组态则是完成数据库的生成、历史库( 包括趋势图) 的生成、图形的生成以及控 制系统组态等等。 功能模块或算法是控制系统结构中的基本单元。不同的集散系统产品，有不同 的名称。它们是功能模块( f u n c t i o nm o d e l ) 、控制算法( c o m r o la l g o r i t h m ) 、内部 仪表( i n t e r n a li n s t r u m e n t ) 、程序元素( p r o g r a me l e m e m ) 等。功能模块是由集散系 统制造商提供的系统应用程序。它由不同功能的子程序组成。每个功能码代表一种 具体的局部功能软件。所有功能模块的集合就代表着一个具有各种功能子程序的软 件库功能模块通常由结构参数、设置参数和可调参数组成。结构参数( s t r u c t u r e p a r a m e t e r ) 包括功能参数和连接参数。通常，一个完善的功能模块还包含一些子功 能，子功能的有无是由功能参数确定的。当功能模块具有不同数据类型、多个输入 信号时，数据类型例如实型、整型、时间型参数以及输入信号的多少也是由功能参 数提供的采用功能参数可以充分利用内存单元，减少不必要的消耗。连接参数用 于表示功能模块与外部的连接关系。由于采用软连接方法，因此实施和修改比硬连 接方便。 组态软件指数据采集与过程控制的专用软件它是在自动控制系统监控层一级 的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式( 而不是编程方式) 提供良好的用 户开发界面和简捷的使用方法“”，其预置的各种软件模块可以非常容易地实现和完 成监控层的各种功能，并能支持各种硬件厂家的计算机和i l o 产品，与高度可靠 的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软硬件的全部接口，进行 系统集成组态软件是集散控制系统的个重要组成部分一套d c s 的组态功能 的支持情况( 如应用的方便程度、用户界面的友好程度、功能的齐全程度等) 是影响 一套d c s 是否受欢迎的重要因素。几乎所有的d c s 都在不同程度上支持组态功能。 因为组态软件具有模块化、智能化的特点，所以具有很强的通用性可以适应一大 类应用对象，软件的程序代码一般不变，在组态时，只需改变结构或者应用对象实 8 华北电力大学硕士学位论文 体的数据即可。这样，就可以大大提高系统的成套速度，同时又保证了系统的可靠 性和成熟性。 d c s 的软件一般都是较为成熟的模块化结构。系统的图形显示、数据库管理、 控制运算、历史存储等都有成熟的软件模块。但是在将某d c s 产品具体应用到实际 场合时，还需要根据现场情况和用户的具体要求进行配置。不同的应用对象，其要 求可能有很大的差别组态软件就是这样一套工具软件它提供友好的界面，一方 面使用户不需编程就可以方便、快捷地生成符合自己需要的数据库、报表、报警和 控制等应用软件，另一方面定义数据点与应用软件的接口，实现数据传输，完成应 用软件的功能。 2 2m a x l 0 0 0 控制系统 上海自动化仪表股份公司引进的美国利诺公司的m a x l 0 0 0 集散控制系统是目前 国内最先进的控制技术之一，已广泛应用于发电机组。具有功能多、可靠性强、控 制精度高、组态方便灵活、工作稳定等优点。系统主要由工作站m a x s t a t i o n ，远程 处理单元r p u 以及将二者连接在一起的光纤数据高速公路3 部分组成，可实现 d a s ，c c s ，s c s ，p s s s 等多种功能。m a x l 0 0 0 系统物理上和逻辑上的网络都可以和实际 工厂的布局一致，并充分反映各部门或车间的组织形式；此外，m a x l 0 0 0 系统面向 目标的组态方法，不仅可减少初始设计费用，且易于按操作要求的变更进行调整。 m a x l 0 0 0 集散控制系统是集计算机技术、控制技术、通讯技术和c r t 技术为一 体的世界领先的自动控制系统，它具有扩展、向上开发兼容特性，采用3 2 位多微 处理器结构、1 2 0 0 m b 光盘存储器及由光纤组成的两条双向数据高速公路，适用于电 力、化工、石油等各种规模的过程控制悖。 2 2 1m a x l 0 0 0 控制系统结构 m a x l 0 0 0 系统主要由下述部分构成“”： ( 1 ) 通讯网络 包括环型光纤数据高速公路，总线型电缆数据高速公路( 分支) 和光电接口 ( o e i ) ( 2 ) 远程处理单元( r e m o t ep r o c e s s i n gu n i t ) 远程处理单元( r p u ) 是一组为d c s 系统提供控制方案、数据采集、和i o 处 理功能的设备群体。r p u 包括的设备有分散处理单元d p u 、现场i o 接口模板、现 场终端设备、通讯网络、以及其他一些辅助设备，包括通讯接口、电源系统和机柜 等等 d p u 其实就是一台微处理器新版的m o d e l 4 e 型的d p u 是一台多功能的带控 9 华北电力大学硕士学位论文 制处理器( c p ) 和数据采集处理器( d a p ) 双重处理器的微型计算机，它可以执行 各种控制运算法则，顺序控制逻辑，记录顺序事件，时间可以精确到l m s ，还有数据 采集功能等等 d p u 内的核心数据库称为d p m s ( d i s t r i b u t e dp o i n tm a n a g e m e n ts y s t e m ) d p m s 中包含了所有点的属性，包括点的位号( t a g n a m e ) 、层次位置( h i e r a r c h y ) ，以及 有关该点的一些文字说明。d p m s 可以被符合i e e c l l 3 1 的标准组态软件m a x t o o l s 编 辑和修改，并由符合相应权限的工作站下装到d p u 中执行相关的控制运算和数据采 集功能。 ( 3 ) 工作站 m a x l 0 0 0 系统中只含有两种站，即d p u 和工作站，d p u 执行分散的数据采集 和控制功能，工作站执行操作员的监控功能和工程师的组态编程功能及历史数据的 处理功能。系统中的全部站均挂接在光纤数据高速公路和电缆数据高速公路上，结 构简单，组态灵活。 最小系统可以只包括一个工作站和一个r p u 最大系统可以通过工作站扩展到4 条环型光纤数据高速公路，最多可挂1 2 8 个站。系统可以由数百点输入输出的小系 统，任意扩展，最多可达2 5 0 0 0 0 点，3 8 0 0 个高速控制回路，m a x l 0 0 0 控制系统的 结构如图2 - - 2 所示。 t h 嗡1 i r m p 以 匝爆零零翠军熙 坦坚霉芏i 童坚= 竺婵悭璺竺 一k t 似肾孽罂，_ 一 + 4 7 i 一“ 一 1 一 一 嘟闹罚 、一 图2 2m a x l 0 0 0 控制系统结构 对于操作员来说可以通过m a x s t a t i o n 浏览和管理过程控制环境，一个 m a x s t a t i o n 既可以被作为操作员站也可以作为工程师站。 操作员站用m a x v u e 图形界面软件来提供过程图形。工程师站用m a x t o o l s 4 e 组 态和维护过程控制文件由于本文主要是完成组态文件的转换工作，因此在这里着 1 0 华北电力大学硕士学位论文 重介绍m a x t o o l s e 组态环境。 2 3m a x l 0 0 0 控制系统的组态软件m a x t o o l s 4 e m a x t o o l s 4 e 是对m a x l 0 0 0 控制系统的d p u 进行组态的软件，该软件可以以离线 方式创建a c c e s s 可兼容的d p u 的硬件和点数据库。 用m a x t o o l s 4 e 可以对每一个d p u 产生一个组态数据文件。一个组态可以代表一 个单一的系统，例如燃烧器或锅炉管理控制系统然而，一般来说一个单一的组态 只能代表较大应用的一个部分。大的复杂系统通常由复杂的组态树形图生成d p u 。 一个完整的组态可以由一个或多个组态构成，这些组态定义了系统资源和控制以及 数据获取点。 系统资源由远程处理单元( r p u ) 硬件，即分散处理单元( d p u ) 和i o 模件组 成。控制和数据获取点由原子模块和分子模块( 用户自定义模块) 组成。原子模块、 分子模块和缓冲器被称为s e r v i c e ，是d p m s 的主要组成部分。 2 3 1 原子模块和缓冲器 一个硬件和点数据是由原子模块和缓冲器组成的。用原子模块进行控制和数据 采集。缓冲器用来定义i 0 目录以及指定信号的作用条件和线性化。绝大多数现在 可用的i o 模件都可以用相应的缓冲器类型代替 原子模块是进行d p u 组态的基本元素。在m a x l 0 0 0 控制系统中制造厂预先定 义并提供了多种类型和多种功能的原子模块，为用户实现各种应用的需要提供服 务。原子模块是对同类设备或过程特性的数学描述，表现为符合一定格式的计算机 子程序，当调用原子模块时就执行子程序，并把执行的结果送到有关输出端所对应 的存储单元。例如：p i d 控制器、自动手动开关、或者是一个“与”门。 目前m a x l 0 0 0 控制系统固化了6 0 多个原子模块和缓冲器类型它们大致可以 分为八种类型： ( 1 ) 模拟运算函数( a n l f u n c ) 用于模拟量的运算，又可以分为两类： 基本运算模块：包括两输入加a d d 、乘法器m u l 、指数e x p 等8 个功能模块 专用函数： c a l c 一计算器 s i g s e 一用来进行信号选择，分手动模式和自动模式，手动模式可以选择 某个输入也可以是所有输入的平均值：自动模式提供输入的平均 值、最大值、最小值等 t o t l 一一积分器 l e a d l a g 一输入等于输出乘以时间的某个函数或者就等于时间的某个函 华北电力大学硕士学位论文 数，该模块作为超前、滞后滤波器使用。 ( 2 ) 缓冲器( a 1 8 ，a o b ，d i b ，d o b ，p l s i o ，o p a t ，r t d ，t c 等) 这类模块又可称为输入、输出类功能模块，根据信号的类型，输入、输出类功 能模块可以分为模拟量( 包括标准电流或电压信号、热电偶、热电阻信号) 、数字量 ( 包括交、直流电压信号) 、脉冲量( 通常为高频开关信号) 等三大类。输入功能模块 完成对输入信号的预处理。包括信号的数字滤波，线性化、开方处理，工程单位转 换、报警限值比较、超限报警、事故报警及手自动信号输出、控制方式选择( 包括故 障时输出值的确定) 、输出信号限值的比较，超限报警及手自动切换时的跟踪处理 等。 ( 3 ) 控制算法 基本控制 a u t o m a n - 手自动切换器 l i m i t e r 一一用来完成闭增闭减、迫升迫降、速率限制和输出限制等 p i d 一一这个功能对输入的过程变量和设定点的偏差进行比例、积分和微分 计算。过程变量( p v ) 和设定点( s p ) 的偏差在功能码内部完成。 f e e d f w d 一一实现前馈控制 专用控制逻辑( c t i s e l 、c t l a d d 、c t l m u l 、c t l d i v 等) 用来完成控制信号的选择以及控制信号的加、减、乘、除运算等。 相关算法( p a r t i c i p a t i o n ) ：通过单个输入值来驱动多路阀门 p a r t m e m 一信号分配器 p a r t m s t r - 一信号分配管理器 c t l c o m b 对两个p i d 控制器的输出进行组合运算 ( 4 ) 逻辑运算( d e s l o g ) 原子模块又可以分为五种： 简单的逻辑运算模块：a n d ( 2 输入与) 、o r ( 2 输入或) 、x o r ( 异或器) 、n o t ( 反 向器) 触发器( f l i p f l o p ) 触发器是最基本的时序逻辑装置，该类功能模块有两个输入信号s e t 和 r e s e t ，输出取决于两个输入的优先级，其中包括s e t d o m ( 置位优先) 、 r e s e t d o m ( 复位优先) 、n o d o m ( 优先级相同) 。 定时器( t i m e r s ) 这类定时器模块有三种：t o n ( 滞后置位定时器) 具有延时开的功能， 当输入信号s e t 从0 跳变到l 时，经过延时d t 时间后，输出才被置为l 并跟 随输入信号的复位而被复位为0 ，当复位信号r s t 为l 时，输出会立即被复位； t o f f ( 滞后复位定时器) 具有延时关的功能，当输入信号s e t 从0 跳变到l 时，输出立即置为l ，但随s e t 的复位，输出并未立即被复位，而要延时d t 1 2 华北电力大学硕士学位论文 时间后才被复位为0 ，当复位信号r s t 为l 时，输出会立即被复位；t p u l s e ( 单脉冲定时器) ，当输入信号s e t 从0 跳变到l 时，立即输出一个宽度为 d t 的单脉冲，如果输出期间有复位输入信号r s t 为l ，则输出被复位，在其 他时刻输入的复位信号不对输出有影响 发生器( t i g g e r s ) 用于记忆设备的状态，e d g e a n y ( 任一沿有效) 、e d g e f a l l ( 下降沿 有效) 、e d g e r i s e ( 上升沿有效) 模拟比较器( c o m p a r i s o n ) 这类模块是用来对两个模拟量输入信号进行比较的包括g t ( 大值比 较) 、l t ( 4 , 值比较) 、e q ( 相等比较) ，n e ( 不等比较) 四个模块。 ( 5 ) 组类( g r o u p ) 主要用于创建组态目录树。 ( 6 ) 状态逻辑类( s t l o g ) d e v l o g 一用于设备和控制过程的启停与开关 s e q m s t r 一一程序控制器 s e q s t e p - - 一用于执行步进逻辑，存储序列信息 f s t o u t 一首出原因记忆 ( 7 ) s t e a mc o m p e n s a t i o n ( 蒸汽补偿) 类 f l o w c o h i p 一一对蒸汽、水、气体流量进行修正 l v l c o m p 一对液位进行修正 ( 8 ) 相关的报警标签类( a t a g ，d t a g 等) ：为模拟量或数字量分配标签名 2 3 2 分子模块( 自定义模块) 前面提到的原子和缓冲器是m a x t o o l s 4 e 中通用的，然而对于不同的用户， 可能会有一些特殊的要求，因此该系统又提供了另一种模块叫做分子模块，也叫做 用户自定义模块。分子模块可以完成一个频繁使用的子程序一个分子模块可以由 多个原子和自定义控制组合而成下面以a o c o m 分子模块为例进行说明“”： a o c o m 分子模块是带公共逻辑的输出模块，具有以下功能： 闭增闭减、迫升迫降 将输出强制到某个预置的位置( p r e s e t ) 自动判断变送器故障 失去自动报警和首出原因记忆 华北电力大学硕士学位论文 0 u t 图2 3a o c o m 分子模块组成 表2 一la o c o m 分子模块组成说明 原子编号原子种类功能说明 撑la u t o m a n手自动切换 群2l i m i t e r将输出从增量型转换成工程单位，完成闭增闭 减、迫升追降、速率限制工作。 撑3c i t s e lp r e s e t 切换 拌40 r 强制切手动逻辑 群5o r闭增逻辑 撑6o r 闭减逻辑 群7f s t o u t 首出原因记忆 从上面的例子可以看出，一个分子模块就是由若干个原子模块组合而成的，用 来完成一个复杂或者是频繁使用的控制功能。表2 2 列出了部分徐塘电厂3 # 、4 撑 机组结合自身需要创建的分子模块名称及功能简介 1 4 华北电力大学硕士学位论文 表2 2 分子模块一览表 模块名称模块功能简介 f u n c b i a s带手动偏置的折线表 m a n s w it c h 软件手动开关 0 n o f fc t r l 二位式控制器 a o c o m带公共逻辑的输出模块( 适用于a 0 输出) p a t c o m带公共逻辑的输出模块( 适用于p a t 输出) 2 t r a n s m t r2 变送器选择 3 t r a n s m t r3 变送器选择 4 t r a n s m t r4 变送器选择 a u t o m a n s w手自动切换开关 c o u n t e r记数模块 d e h p u l s e采用增减脉冲方式控制d e h e n e r g y d e m a n dd e b 能量指令计算模块 p d t a b l e p d 表专用积分模块 b c a电动门等的驱动器 2 0 f 33 选2 选择器 3 0 f 44 选3 选择器 3 0 f 55 选3 选择器 p i da o c o m带a o c o m 的p i d 控制器 p i dp a t c o m带p a t c o m 的p i d 控制器 2 3 3m a x t o o l s 4 e 的组态形式 由大量点数据库组成的d p m s 通常在m a x t 0 0 0 l s 4 e 中以分级结构进行组建， 用原子模块定义多级结构的节点 1 2 o 一个分级组织最大可以达到八级。组织的最高 级可以代表控制环境的整个区域，可以记做u n i t l ，u n i t l 可以有子组叫控制，控制 组又可以分为很多种，如锅炉控制、发电机控制等。 m a x t o o l s 4 e 的用户界面与w i n d o w s n t 风格相似，见图2 4 。主窗口由两个 面板组成，窗口的顶部为标题栏，下面是菜单栏。左边面板包括三个标签，分别是 d p u x x ( x x 是d p u 的版本号) 、h a r d w a r e ( 硬件) 、c u s t o m ( 自定义) 。h a r d w a r e 目 录树只是关于缓冲器类的组态信息；c u s t o m 则是关于用户自己定义的分子模块的详 细信息；考虑到本文的工作主要是对控制系统的转换所以下面主要介绍d p u 的组态 华北电力大学硕士学位论文 情况 d p u 臂矗 簟十芍点 耳坦蠢 ，鼻_ m一， 。粤如 *m i m i t l 一- 一f 。，；j m 一 】t，q h 一1 z 1 i ”1 ：4 d 一一oi 一 一。 “。q = 器_ ：一一器熹一：j 意 w 口q ，m u i t m 一，f 塑_ ：；一一畿嗣v 一 ，一! ! 产。岫一一盲 、_ 一二r 蜀， 1， w0 ra f _ t ? - 口 口r 翻d 佃一f 裟一嗡- 0 一j 。篱 q o f 坦_ 一 11ht，m囊= j 。，司 ：器i ：“ 器一叫翟 b 如咖吨l k 一 _ 一。；、l j t 癸 l i4 目_ 一 u - _j ，： * ”= r m 。一一 蟊“i 一一 ，黑， ，- _ 竹= 銎2 ，“嚣告轴_ _ y 7 r 。，i 龆一餮荽- - r ：t - 。 t ii i 图2 - - 4 m a x t o o l 4 e 主窗口 当完全展开d p u 面板时，目录树将展现出与单个d p u 有关的所有组态元素， 如图2 - - 4 所示，一个d p u 目录树面板由三个部分组成d p u 图标、群节点、代 表原子模块缓冲器和分子控制的单个节点。用鼠标点击这些图标可以在d p u 面板的 右边看到关于它们的具体信息。这些具体信息包括5 个方面，其中每一项的解释如 下： p i t t r i b u t e ( 属性) 在这一项里列出了所有的属性名称 c a t e g o r y ( 范畴) c a t e g o r y 列出了前面属性的具体类别，这些类别分别是： ( 1 ) i n p u t ( 输入) ：通常输入值是通过参考其它属性获得： ( 2 ) p a r a m e t e r s ( 参数) ：与输入类似但不能参考其它属性，只能用本地数值； ( 3 ) o u t p u t s ( 输出) ；是和它们相关函数或操作的结果； “) s t a t u s ( 状态) ：与输出类似，但不能与输入连接； ( 5 ) c u s t o m ( 自定义) ：当定义一个用户模块时可以自由定义自己的属性，可以是 上面提到的属性，也可以是自己定义的不同类型的属性； 1 6 华北电力大学硕士学位论文 ( 7 ) q u a l i t y ( 质量： 原子模块的行为建立在输入质量之上，用质量属性强制原子 模块改变质量值。0 = 好数据质量l = 可疑数据质量2 = 可代替数据质量3 = 坏数据质量； ( 8 ) m e t h o d s ( 方式) ：指引原子模块完成特殊函数 v a l u e ( 数值) 在这一栏中可以配置属性的数值 r e f e r e n c e ( 参考) r e f e r e n c e 通过文本方式来组态各模块之间的引用关系。一