（计算机应用技术专业论文）基于虚拟dpu技术的仿真软件设计开发.pdf

华北电力人学硕十论文摘要 摘要 在计算机信息网络技术的促进下，集散控制系统d c s 的全范围仿真诉在向所谓 “虚拟”技术方向发展。在火力发电仿真平台的设计开发中，虚拟d c s 技术以接近 激励d c s 的逼真度、接近仿真d c s 的应用功能和最节省的投资表现出相对的综合优 势，成为目前国内仿真领域的发展方向，是过程工业数字化的基础之一。而虚拟d c s 技术的核心就是虚拟d p u 技术。 本文采用虚拟d p u 技术对s y m p h o n y 集散控制系统实现了虚拟d c s 仿真。该软 件将实际分散控制单元中的d p u 功能移植过来，脱离了硬件设备，采用软件仿真实 现d p u 工作过程的模拟。其中，采用模块化设计思想，运用面向对象技术，以v is u a l c + + 6 0 为开发环境。该软件以静态链接库( l i b ) 的形式，将所有功能码的数据和 算法封装以供仿真程序调用，实现软件复用和维护简单功能。 关键词：虚拟d p u ，虚拟d c s ，v i s u a lc + + a b s t r a c t u n d e rt h ep r o m o t i n go fc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o na n dn e tt e c h n o l o g y , t h e d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi m i t a t i o ni s d e v e l o p i n gt o w a r d st o “v i r t u a l ”t e c h n o l o g y d u r i n gt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n ta b o u ti m i t a t i o no ft h ep o w e rs t a t i o n ，t h ef i d e l i t y a b o u tv i r t u a ld c si sc l o s et op o w e rd c s t h ea p p l i c a t i o na n de c o n o m ya b o u tv i r t u a l d c si sc l o s et oi m i t a t ed c s s ot h ev i r t u a ld c sb e c o m e sd e v e l o p i n gw a yi nd o m e s t i c i m i t a t i o na r e aa n db e c o m e st h eo n eo ft h eb a s i ci np r o c e s si n d u s t r yd i g i t a l t h ec o r eo f v i r t u a ld c si sv i r t u a ld p u t e c h n o l o g y a d o p t e dav i r t u a ld p ut e c h n i q u ec a r r yo u tt h ed c si m i t a t i o na b o u ts y m p h o n y d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m t h i ss o f t w a r et r a n s p l a n t e dt h er e a ld i s t r i b u t e dc o n t r o lu n i tt o v i r t u a ld p u i t d i s e n g a g e d h a r d w a r ee q u i p m e n ta n da d o p t i n gs o f t w a r em a d et h e p r o c e s s i n ga b o u tt h er e a ld p u sw o r k i n gc o m et r u e t h ea u t h o rm a k et h eu s eo f o b j e c t - - o r i e n t e dp r o g r a md e s i g nt e c h n o l o g y a n d a p p l y i n g t h e t h o u g h t o f m o d u l a r i z a t i o nd e s i g n i n gt or e a l i z et h i ss o f t w a r ei nt h ee n v i r o n m e n to fv i s u a lc + + 6 0 i nt h i ss o f t w a r e a l lo ft h ef u n c t i o nc o d e sd a t aa n df u n c t i o n sh a v eb e e ne n c a p s u l a t e da s t h ef o r mo fs t a t i cl i bi no r d e rt on o to n l yg a i nt h ea b i l i t yo fs o f t w a r er e u s ea n df a c i l i t y o fm a i n t e n a n c eb u ta l s os u p p l ya u s et ot h em a i ns i m u l a t i o np r o g r a m z h a n g j i n g ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l i ny 6 n 西u n k e yw o l m s ：v i r t u a ld p u ，v i r t u a ld c s ，v i s u a lc + + 华北电力人学硕十论文摘要 摘要 在计算机信息网络技术的促进下，集散控制系统d c s 的全范围仿真诉在向所谓 “虚拟”技术方向发展。在火力发电仿真平台的设计开发中，虚拟d c s 技术以接近 激励d c s 的逼真度、接近仿真d c s 的应用功能和最节省的投资表现出相对的综合优 势，成为目前国内仿真领域的发展方向，是过程工业数字化的基础之一。而虚拟d c s 技术的核心就是虚拟d p u 技术。 本文采用虚拟d p u 技术对s y m p h o n y 集散控制系统实现了虚拟d e s 仿真。该软 件将实际分散控制单元中的d p u 功能移植过来，脱离了硬件设备，采用软件仿真实 现d p u 工作过程的模拟。其中，采用模块化设计思想，运用面向对象技术，以v is u a c + + 6 0 为开发环境。该软件以静态链接库( l i b ) 的形式，将所有功能码的数据和 算法封装以供仿真程序调用，实现软件复用和维护简单功能。 关键词：虚拟d p u ，虚拟d c s ，v i s u a lc + + a b s t r a c t u n d e rt h ep r o m o t i n go fc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o na n dn e tt e c h n o l o g y , t h e d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi m i t a t i o ni s d e v e l o p i n gt o w a r d st o “v i r t u a l ”t e c h n o l o g y d u r i n gt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n ta b o u ti m i t a t i o no ft h ep o w e rs t a t i o n ，t h ef i d e l i t y a b o u tv i r t u a ld c si sc l o s et op o w e rd c s t h ea p p l i c a t i o na n de c o n o m ya b o u tv i r t u a l d c si sc l o s et oi m i t a t ed c s s ot h ev i r t u a ld c sb e c o m e sd e v e l o p i n gw a yi nd o m e s t i c i m i t a t i o na r e aa n db e c o m e st h eo n eo ft h eb a s i ci np r o c e s si n d u s t r yd i g i t a l t h ec o r eo f v i r t u a ld c si sv i r t u a ld p u t e c h n o l o g y a d o p t e dav i r t u a ld p ut e c h n i q u ec a r r yo u tt h ed c si m i t a t i o na b o u ts y m p h o n y d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m t h i ss o f t w a r et r a n s p l a n t e dt h er e a ld i s t r i b u t e dc o n t r o lu n i tt o v i r t u a ld p u i t d i s e n g a g e d h a r d w a r ee q u i p m e n ta n d a d o p t i n g s o f t w a r em a d et h e p r o c e s s i n ga b o u tt h er e a ld p u sw o r k i n gc o m et r u e t h ea u t h o rm a k et h eu s eo f o b j e c t - - o r i e n t e dp r o g r a md e s i g nt e c h n o l o g y a n d a p p l y i n g t h e t h o u g h t o f m o d u l a r i z a t i o nd e s i g n i n gt or e a l i z et h i ss o f t w a r ei nt h ee n v i r o n m e n to fv i s u a lc + + 6 0 i nt h i ss o f t w a r e a l lo ft h ef u n c t i o nc o d e sd a t aa n df u n c t i o n sh a v eb e e ne n c a p s u l a t e da s t h ef o r mo fs t a t i cl i bi no r d e rt on o to n l yg a i nt h ea b i l i t yo fs o f t w a r er e u s ea n df a c i l i t y o fm a i n t e n a n c eb u ta l s os u p p l ya u s et ot h em a i ns i m u l a t i o np r o g r a m z h a n g j i n g ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l i ny 6 n 西u n l 姐yw o r d s ：v i r t u a ld p u ，v i r t u a ld c s ，v i s u a lc + + 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于虚拟d p u 技术的仿真软件设 计开发，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：型蠡 日 期： 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： 日 新繇盟 t 3 期：丝篮! 塑竺里 华北电力人学硕十论文 1 1d c s 控制系统 第一章绪论 1 1 1d c s 控制系统概念和组成 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 l 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【引。 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 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。 3 1 d c s 的结构是一个分布式系统，从整体逻辑结构上讲是一分支树结构，与工业生产过程 的行政管理结构相一致。按系统结构进行垂直分解，分为过程控制级、控制管理级 和生产管理级，各级相互独立又相互联系，每级按水平分解成若干子集。从功能分 散看，纵向分散意味着不同级设备不同功能，横向分散则同级设备类似功能。 硬件方面，集散控制系统由集中管理、分散控制监控和通信三大部分组成，并 以实现集中管理和分散控制为目标。d c s 硬件系统是用网络系统将不同数目的现场 控制站、操作员站和工程师站连接起来，实现采集、控制、显示、操作和管理功能。 集中管理部分分为工程师站、操作站和管理计算机( 上位机) 。工程师站负责系 统的管理、控制组态、系统生成与下装。操作站是人机接口，由微处理器、c r t 键 盘和打印机等组成，用于生产工艺的控制操作、过程状态显示、报警状态显示以及 实时数据和历史数据显示打印等。管理计算机用于全系统的信息管理和优化控制， 华北电力人学硕十论文 实现生产调度管理、优化计算、生产经营管理与决策等层次的管理计算。 分散控制监测部分按功能分为控制站、监测站或现场控制站，用于控制和监测。 其功能主要是：现场监测模拟量、数字量及脉冲的输入输出并进行转化处理；各种 控制回路的运算( 调节回路、逻辑运算等) ；控制运算结果的直接输出。 网络通信部分连接控制系统各部分，完成数据、指令及其它信息的传递。 软件方面，d c s 软件包括实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软 件、组态软件以及各种应用软件。工控软件首先是实时、多任务操作系统；应用软 件应重视实时性和可靠性，并有基于w i n d o w s 的友好界面，面向国内的产品尽可 能汉化，同时做到模块化和标准化。软件应该具有丌放性，尽可能采用国际标准。 为了体现管理集中，控制分散的思想，集散控制系统一般分为四个层次。 1 、直接控制级：控制站直接与现场装置相连，对所连接的装置实施监测、控 制，同时与上层计算机相连，接受上层的管理信息，并向上传递装置的特性数据和 采集的实时数据。 2 、过程管理级：这一级上的过程管理计算机主要有监控计算机、操作站、工 程师站。综合监视过程各站的所有信息，集中显示操作，控制回路组念和参数修改， 优化过程处理等。 3 、产品管理级( 生产管理级) ：对于制造系统而言，这一级上的管理计算机根据 产品各部件的特点，协调各单元级的参数设定，是产品的总体协调员和控制器。 4 、工厂总体管理和经营管理级：此级居于中央计算机上，并与办公自动化连 接，负责全厂的总体协调管理。 1 1 2d c s 控制系统目前发展状况 d c s 问世以来，经历了多次重大改进和发展。系统结构和基本功能都已趋于稳 定，产品也达到了成熟实用的程度。针对不同的应用领域，存在着不同的有针对性 的成熟的d c s 产品，如电力、冶金、石化、和建材行业都有适合各自行业的、满足 不同生产工艺和设备控制要求的d c s 产品。世界上主要d c s 供应商为：h o n e y w e l l 、 b a i l e y 、w e s t i n g h o u s e 、a b b 、f o x b o r o 、l & n 、s i e m e n s 、e u r 0 、横河、日本山武 霍尼韦尔等【4 1 。我国在2 0 世纪8 0 年代从国外引进了几百套d c s 来装备石化、冶金、 电力、化肥等企业，同时又从国外引进技术，与外资合作合资组装生产并逐步实现 国产化。如重庆工业自动化仪表所和上海工业自动化仪表所开发的d j k - - 7 5 0 0 、航 天的友力一2 0 0 0 、电子部六所的h s l 0 0 0 和h s 2 0 0 0 、北京康拓公司的k t 6 0 0 0 、天津 中环d c s - - 2 0 0 1 、上海新华x d p s 、浙大中控s u p e r c o n j x 、杭州威盛公司的f b 一2 0 0 0 2 华j 匕电力人学硕十论文 等分散控制系统每年生产上千台，已具备很强的竞争能力，在技术上形成了可初步 与国外产品相抗衡的产业。国产d c s 主要应用于中小系统，可占市场的5 0 左右。 “十五”期问，大型d c s 以国外产品为主的状况近期不会有大的改变。p l c 和基于 i p c 的国产d c s 及工业控制装置在中小工程中将占据主导地位l5 1 。近年来，为了使 d c s 更加适用于工业生产现场，新一代d c s 还进一步做出了如下改进： 1 、系统开放化：新推出的d c s 大多采用国际标准化组织丌放系统互连( 1 s o o s l ) 标准模型，通信协议遵循m a p t o p 协议，在局域网内可以联结其它厂家符合 标准的产品。 2 、采用通用工作站：现在推出的d c s 大多采用通用的工作站，有效克服了以前 各种专用工作站的弊端。 3 、越大型化和微型化：最近推出的d c s 针对不同的用户，有不同规格的d c s 系统。 4 、通信介质多样化：许多d c s 系统增加了光纤接口，可以采用光纤作为通信介 质，具有良好的抗干扰能力和本质安全。 5 、d c s 与p l c 相互配合：目前，有些集散控制系统都是基于p l c 而建立的，通 过p l c 来控制各种工业设备。 6 、软件不断丰富：主要表现在实时多任务和图形操作系统、功能丰富完善的 组态软件、各种各样的管理软件和先进的控制软件包等方面l 刚。 就目前来说，d c s 己发展得相当成熟和实用，毫无疑问，d c s 仍是当前工业自 动化系统应用及选型的主流。它并不会随着现场总线技术的出现和发展而马上退出 现场过程控制的舞台。面对挑战，d c s 将会沿着以下几点趋势继续向前发展： 1 、d c s 向综合方向发展：由于标淮数据通信链路和网络的发展，将多种单( 多) 回路调节器、p l c 、工业p c 、n c 等工控设备构成大系统，并与现场总线相融合，适 应开放化的大趋势。 2 、d c s 向智能化方向发展：由于数据库系统、推理机能的发展，专家系统( e s ) 、 知识库系统( k b s ) 的应用，如自学习控制、自适应控制、远距离诊断等，人工智能 可在d c s 各级实现。与f f 现场总线类似，以微处理机为基础的智能设备，如智能i o 、智能p i d 控制、变送器和执行器等，智能人机接口、可编程调节 器也会相继出现。 3 、d c s 向专业化方向发展：使用和领域相应的行业d c s 女i 电站d c s 、水泥d c s 、 玻璃d c s 等。 3 华北电力人学硕十论文 4 、d c s 向工业p c 化方向发展：由i p c 组成d c s 成为一大趋势p c p l c 、p c s t d 、p c n c 等就是p c d c s 的先驱，i p c 成为d c s 的硬件平台。 5 、d c s 与p l c 相互渗透、相互融合：d c s 原本多用于连续过程控制，p l c 多用 于逻辑顺序控制。但实际的生产过程比较复杂，既需要连续控制，又需要逻辑j l 暖 序控制功能。丌始时d c s 将p l c 连人系统，如火电厂d c s 系统中的p l c 主要用于实现 相关的连锁保护系统。p l c 价格低廉，使用方便，得到了很快的发展。由于p l c 向 高功能、高速度、大容量、加大模拟量的方向发展，形成同d c s 相抗争的大系统； 并且p l c 强化通信能力，网络以太化已很成功，又成功地与现场总线相融合，在许 多情况下成为比d c s 性价比更高的分柿式控制系统。1 6 j 1 1 3d c s 控制系统的应用 目前火电厂广泛应用的d c s 采用单元组合组装方式( 积木式) ，为综合系统自 动化创造了有利条件。d c s 自问世至今已经开始步入第三代，d c s 的可靠性及强 大功能逐步取代大部分模拟仪表的控制，并将成为未来火电厂自动控制的主流( 如 图1 1 ) 。 籀一级 ( 规组级) 图1 - 1 第三代d c s 结构 第三代d c s 应用于机组级，它采用开放式系统，在d c s 之间，d c s 与厂级集 控站之间相互交流信息。机组级d c s 和顺序控制器在线监控机组、输变电和辅助车 间的运行情况等都采用开放式。厂级站由m i s 及厂站机组组成，在线了解全厂生产 情况和进行在线决策。它具有以下功能： 1 、m m i ( 人机接口) 功能完善 显示操作性能尽遂人意，并在流程画面上显示三维图形。有足够的时间与存储 空间进行后台作业与多窗口显示。应用了多媒体技术。完善的编程功能与人机对话 功能。 2 、开放与互操作 世界上各d c s 生产厂家协作开发具有开放与互操作的d c s ，发展动向表现 为：开放式系统、d c s 与p l c 相互融合和远程智能i o 系统。显然，必须有相应 的国际标准为各厂家所依循，才能生产出具有开放和互操作特点的d c s 。制定一个 4 华北电力人学硕十论文 众所认可的通用的标准是困难的，但是现场智能变送器与智能调节装置的应用，迫 切需求现场总线通信1 7 】规约的制定与实施。 火电厂综合自动化系统由执行不同监控功能的计算机组成。为实现计算机互 联、数据资源共享、丌放式计算机系统及m a p t o p ( m a p 制造商自动化协议) ，d c s 的网络设计正朝国际化、标准化发展，使其与以太网、m a p 网对接，对已有产品 向开放式系统进行完善【引。如美国f o x b o r o 公司的i a 系列【9 1 ，能与符合国际标 准通信接口的网络互连，软件为通用的u n i x 操作系统，适合于在通用微机上运 行，并使u n i x 支持下的其他厂家软件能方便地移植到i a 系统。 d c s 和p l c 正在互相补短，互相吸收与融合1 1 0 j 。d c s 吸收p l c 的特长，增加 逻辑功能，实现模拟逻辑、顺序控制，d c s 网络上的p l c 接口能直接容纳p l c 。 p l c 吸收d c s 的优点，增加模拟量运算，p i d 积累加法运算和电机控制算法，多模 拟量的补偿、滤波、校正、报警功能。p l c 仿效d c s 的结构向网络化方向发展。远 程智能i o 网络是一种新型的工业计算机过程接口装置，是插板智能i o 技术与通 信网络技术相结合的产物，它由前端机、通信网络和适配器组成。前端机就地处理 送入的测点信号，经过通信网络和适配器交换信息，送入有关的“微机站i 其特点 是采用数字通信及网络隔离技术，抗干扰能力强，可靠性高。前端机就地安装，由 网络适配器管理实现真正地理位置分散，提高微机站的高级运算处理能力。就地 d c s 由现场总线构成总线式的拓扑网络，其结构型式如图1 2 。采用远程智能i o 网络，可减少信号电缆、工程安装费用、主控机所占建筑面积，具有完善的自检与 维护功能，友好的接口界面，良好的可扩充性和兼容性，远程智能i o 网络是d c s 过程i o 接口发展的新方向。 图1 - 2 线形远程智能i o 网络结构图 3 、先进制技术 大型火电机组是一个复杂的控制对象，而且有的控制对象的动态特性表现出大 5 华北电力人学硕+ 论文 时滞、非线性、分布参数、不定常系统，被控对象可能受到强烈的内外扰动，例如 再热气温，中储式钢球磨煤制粉系统的调节品质都难以达到满足的结果：锅炉燃烧 系统的最佳控制和快速诊断机组的运行事故，以及反事故的措施是长期研究课题。 计算机技术和现代控制理论在火电厂自动化领域的应用1 1 1 l 已经耿得了一些成绩。例 如：苏尔寿公司在直流锅炉上应用状态空间模型控制过热蒸汽出口温度，比经典调 节器的调节品质有所提高。 1 1 4d c s 控制系统的未来发展趋势 就目前来说，d c s 已发展得相当成熟和实用，毫无疑问，d c s 仍是当前工业自 动化系统应用及选型的主流。它并不会随着现场总线技术的出现和发展而马上退出 现场过程控制的舞台。面对挑战，d c s 将会沿着以下几点趋势继续向前发展： 1 、d c s 向综合方向发展：由于标淮数据通信链路和网络的发展，将多种单( 多) 回路调节器、p l c 、工业p c 、n c 等工控设备构成大系统，并与现场总线相融合，适 应开放化的大趋势。 2 、d c s 向智能化方向发展：由于数据库系统、推理机能的发展，专家系统( e s ) 、 知识库系统( k b s ) 的应用，如自学习控制、自适应控制、远距离诊断等，人工智能 可在d c s 各级实现。与f f 现场总线类似，以微处理机为基础的智能设备，如智f j g l o 、智能p i d 控制、变送器和执行器等，智能人机接口、可编程调节 器也会相继出现。 3 、d c s 向专业化方向发展：使用和领域相应的行业d c s 如电站d c s 、水泥d c s 、 玻璃d c s 等。 4 、d c s 向工业p c 化方向发展：由i p c 组成d c s 成为一大趋势p c _ 一p l c 、p c s t d 、p c n c 等就是p c d c s 的先驱，i p c 成为d c s 的硬件平台。 5 、d c s 与p l c 相互渗透、相互融合：d c s 原本多用于连续过程控制，p l c 多用 于逻辑顺序控制。但实际的生产过程比较复杂，既需要连续控制，又需要逻辑j i 顶 序控制功能。开始时d c s 将p l c 连人系统，如火电厂d c s 系统中的p l c 主要用于实现 相关的连锁保护系统。p l c 价格低廉，使用方便，得到了很快的发展。由于p l c 向 高功能、高速度、大容量加大模拟量的方向发展，形成同d c s 相抗争的大系统；并 且p l c 强化通信能力，网络以太化已很成功，又成功地与现场总线相融合，在许多 情况下成为l l d c s 性价比更高的分布式控制系统。 6 华北电力人学硕十论文 1 2 虚拟d c s 1 2 1 虚拟d c s 的概念 “虚拟”是现今广泛使用的一种高新技术概念，如实现视景模拟的“虚拟现实”、 采用c r t 交互的“虚拟仪表”、构建远程多媒体双向通信的“虚拟会议”等【12 1 。当 然，虚拟技术是完全建立在当今高性能的计算机硬件、软件和网络系统之上的。 虚拟d c s 是相对于在过程工业系统中运行的真实d c s 而言的。虚拟d c s 就是 将真实d c s 在非d c s 的计算机系统中以某种形式再现。虚拟d c s 不同于其他虚拟 技术的是它的被虚拟对象也是计算机系统，而不是一般的物理系统。虚拟d c s 是要 在计算机系统上再现计算机系统，具体说，就是要在一种通常为开放平台的计算机 信息管理系统中，尽可能真实地再现分散控制计算机系统。虚拟d c s 正是过程工业 数字化的基础之一。 1 2 2 虚拟d c s 目前发展状况 分散控制系统( d c s ) 在电力、石化和冶会等过程工业的广泛应用，是二十世 纪九十年代国际自动控制技术领域最大的成就之一。经过近十多年的快速发展和激 烈竞争，美国、德国、同本等国的几个主要自动控制系统供应商都先后推出过三代 d c s 产品。我国也出现了具有自主知识产权的d c s 产品。目前d c s 应用已趋于成 熟，d c s 正进行技术重组和调整，但其技术进步并没有停止。在计算机信息网络技 术的推动下，工业界提出“网络化 、“信息化 、“数字化 的需求。作为数字化的 基础，d c s 将发挥不可替代的作用。d c s 应用会进一步向控制和管理集成发展，而 d c s 的全范围仿真正在向所谓“虚拟( v i r t u a l ) 技术方向发展。1 1 3 j 在实际应用中，为达到设计调试、人员培训、检测诊断等系统应用目标，需将 真实d c s 在非d c s 的计算机系统中以某种形式再现。目前，实现d c s 仿真的方法 主要有三种：激励d c s 、仿真d c s 、虚拟d c s ，它们分别根据d c s 的控制设计、 离线组态和系统运行等生命周期的不同阶段获取相应资源而实现。 1 、激励d c s ( s t i m u l a t i o n ) ：采用真实d c s 的硬件、软件和网络系统的适当或 最小配置，再现d c s 。激励d c s 具有最高的软硬件逼真度，但软硬件实现成本很 高，与对象模型系统连接较难，无法完成复杂的仿真应用功能。 2 、虚拟d c s ( v i r t u a ld c s ) ：在完成d c s 组态后，采用对d c s 网络下载文件 进行智能编译转换的方式，实现d c s 的平台转移和再现。虚拟d c s 应具有极高的 软件功能逼真度，实现成本不高，能完成复杂的仿真应用功能。 3 、仿真d c s ( s t i m u l a t i o n ) ：只要d c s 完成控制功能和逻辑设计，就可根据设 7 华北l 乜力人学硕十论文 计图纸进行仿真。仿真d c s 是多年来培训仿真系统通常采用的形式，虽然实现成本 不高、能完成复杂的培训仿真应用功能，但软件功能逼真度和可信度相对不够高， 跟踪修改较难，几乎不能完成人员培训功能以外的高级应用功能1 14 1 。三者的比较， 如下表：( 表1 1 ) 激励d c s仿真d c s虚拟d c s 软硬件逼真度高，但实软件逼真度和可信度不介于两者之间，其控制 现成本高，与对象模型够高，跟踪修改较难，参数和算法完全来自于 系统连接较难，无法完不足以完成培训功能以下载文件，使用与实际 成复杂的仿真应用功能外的高级分析应用功d p u 相同的算法、模块、 能，编码和调试工作量时间片、位号等，可以 及难度都比较大，因而同步修改更新，软件功 总体工作量很大能逼真度较高，实现成 本低 表1 - 1 三者的比较表 虚拟d c s 的特点是控制参数和算法完全来自于下载文件，使用与d c s 相同的 算法、模块、时间片、位号等，可同步修改更新，软件功能逼真度很高。可以说， 虚拟d c s 能真正有效、经济和广泛地应用于人员培训和在线检测诊断，满足火力发 电等过程工业数字化的需求。 多年来，国外仿真系统都采用激励d c s 的方式。近来，实时计算机仿真和控制 系统技术及智能编译软件技术的研究和发展，己能提供虚拟d c s 的解决方案。美国、 德国的一些仿真控制系统研发机构已提供完整的虚拟d c s 软件包。f 1 3 】 8 华北电力人学硕十论文 图1 - 3 再现d c s 及其应用 美国仪表、系统和自动化学会( 1 s a ) 在1 9 9 4 年修订的a n s i i s a 7 7 2 0 美国 国家技术标准火电站仿真系统技术规范中，对激励d c s 和仿真d c s 做了技术 说明，但对虚拟d c s 还未直接涉及。为规范虚拟d c s 的研究、丌发和应用，i s a 于2 0 0 1 年开始专门成立了一个a n s l i s a 7 7 2 l 技术标准起草工作组，来自美国各 大电力公司和国际著名仿真系统公司的技术专家正在着手起草一系列的标准。相信 a n s i i s a 7 7 2 1 标准正式发柿后，将成为事实上的国际标准，对虚拟d c s 技术的开 发和应用起到很大的推动作用。【1 3 】 当前，国内仿真系统一般采用仿真d c s 的方式。对于实时计算机仿真和控制系 统技术及智能编译软件技术的研究和发展，国内还处于起步阶段【1 5 1 。在火电仿真平 台的设计开发中，虚拟d c s 仿真技术以接近激励d c s 的逼真度、接近仿真d c s 的 应用功能和最节省的投资表现出相对的综合优势，成为目前国内火电仿真领域的发 展方向，是过程工业数字化的基础之一。1 1 5 l 虚拟d c s 技术已成为国内的一个研究 热点，相信它将向规范化、完整化方向发展。 在当今高性能的计算机硬件、软件和网络系统基础之上发展起来的“虚拟d c s 技术，就是将真实d c s 在非d c s 的通用和开放计算机软件和网络系统平台上以某 种形式再现。当前国内外虚拟d c s 技术的研发、应用和标准化的现状说明，虚拟 d c s 是一项新的仿真控制系统技术，已受到用户单位、开发机构、标准制定和管理 方面的重视，对火力发电等过程工业数字化进程有很大的推动作用。 9 华北电力人学硕十论文 1 3 课题内容 1 3 1 课题主要工作 本课题主要采用虚拟d p u 技术对a b b 公司生产的s y m p h o n y 集散控制系统进行 分析，开发d c s 分散处理单元( d p u ) 数学模型的仿真软件，即虚拟d c s 中，虚拟 d p u 的开发设计实现。该软件将实际分散控制单元中的d p u 功能移植过求，脱离了 硬件设备，采用软件仿真实现d p u 工作过程的模拟。其中，采用模块化设计思想， 运用面向对象技术，以v i s u a lc + + 6 0 为开发环境。该软件以静态链接库( l i b ) 的形 式，将所有功能码的数据和算法封装以供仿真程序调用，实现软件复用和维护简单 功能。 课题的主要工作如下： 1 、学习s y m p h o n y 系统的硬件设备和软件环境，熟练掌握运用其系统工程工具 c o m p o s e r 进行组态的过程和工作原理。 2 、学习v i s u a lc + + 6 0 ，熟练掌握了c + + 语言和v c + + 的编程环境。 3 、分析组态文件的结构。结合a b b 公司推出的s y m p h o n y 分散控制系统，分 析其系统工程工具c o m p o s e r 编译后的下载文件结构。 4 、初始化模块。工作内容3 中，把s y m p h o n y 分散控制系统的下载文件作为一 个非常重要的研究对象，初始化模块就是要用c + + 编辑一个程序，把研究的结果能 够在软件中进行调用，同时把得到的相关信息放入相应的数组中待用。 5 、功能码模块。s y m p h o n y 分散控制系统包含2 5 5 种软件模块，即2 5 5 个功能 码。这些功能码可以分为四种类型，执行块、系统常数块、输入输出块、用户可组 态块。根据对其算法、模块、时间片、位号等的分析，对虚拟d p u 控制算法进行开 发，其中包括输入输出、数学运算、逻辑功能、控制功能、信号源、选择功能、时 间功能、线形对象、非线性对象等模块。在v i s u a lc + + 6 0 中，采用面向对象的模 块编程技术，创建虚拟d p u 算法类。 6 、实时调度运行部分。实时调度部分主要完成的工作是：对d p u 组态后下载 文件的代码进行扫描解释，然后建立完整的虚拟d p u 组态语义库。结合控制算法， 把控制算法以库文件的形式与扫描得到的代码编译链接，得到虚拟d p u 控制程序。 实现实时仿真，使该软件能够达到在线修改功能码参数值、在线修改组态方案、在 线查询各步骤实时运行的结果，达到各个功能码的连接和断开的自由性。 l o 华北电力人学硕十论文 1 3 2 课题研究的目的、意义 仿真技术是以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用 物理效应设备( 模拟再现真实世界坏境) 为工具，借助系统模型对实际的或设想的 系统进行动态试验研究的一门综合性技术。1 1 6 l 仿真软件脱离了真实的硬件设备，直 接模拟硬件设备的工作原理及特性，使其达到真实硬件的作用和效果。 在电力系统培训和教学中，实施仿真教学，其必要性是显而易见的。它一方面 可以克服实验室各种条件的限制，另一方面又可以针对不同目的，进行训练，培养 培训人员分析、应用和创新的能力。利用仿真软件进行虚拟实验以及虚拟的实验环 境的将大大提高的实验丌出率，同时最大程度地减少实验室投资和占地面积，且对 解决新专业设备投资，旧专业设备闲置等问题有重大意义。 本软件是专门针对s y m p h o n y 分散控制系统的仿真，所以具有了很强的针对性， 而且本软件区别于其他的方针软件，是通过分析其下载软件的结构得到的仿真软 件，并使用了全软件的方式完成了仿真的工作，脱离了以前的老式仿真方式，具有 一定的创新性和研究价值。 因此，开发该仿真软件是非常有意义的。 华北电力人学硕十论文 第二章s y m p h o n y 分散控制系统概述 2 1s y m p h o n y 系统概述 b a i l e y a b b 公司自上个世纪8 0 年代初推出n 一9 0 分散控制系统以来，又推出 i n f i 9 0 系统1 1 。7 1 。经过了单纯过程的控制系统到管理控制的发展。至今，n 一9 0 和 i n f i 9 0 系统仍在工业企业中大量使用，在市场中占有相当的份额。它们之间保持 了很好的兼容性。德国h a r t m a n n b r a u n 公司( 以下简称h & b 公司) 是a b b 集 团所属的世界著名的专业控制系统和仪器仪表供应商之一1 1 7 】。s y m p h o n y 系统是 h & b 公司在上个世纪9 0 年代丌发的面向工业过程领域的控制系统，它融过程控制 和企业管理为一体，是新一代分布式过程控制系统。 该系统硬件制造工艺精良，品质优越，技术先进；人机界面设计流畅，操作直 观简捷，功能强大，因而具有性能先进，可用率高，使用安全，易于扩展等特点， 在同业中享有很高的声誉，并在世界范围内取得了广泛的成功应用。1 9 9 4 年， s y m p h o n y 系统以其良好性能和在能源领域的专用性，被电力部列为向中国火电厂 推荐选用的八大d c s 之一。【1 8 j s y m p h o n y 系统的操作级采用了许多目前世界上先进的计算机软硬件技术，如 采用了已被广泛认可的开放式系统结构，面向对象的软件设计方法，冗余的系统网 络和支持全系统冗余的架构。在自动化级拥有功能强大的控制器，全智能化的i o 处理模件，丰富的专用功能模块。s y m p h o n y 系统独特的分级分类通讯网络结构则 大大降低了总线的负荷率，充分保证了数据传输的安全性和实时性。( 如图2 1 s y m p h o n y 系统结构图) 1 2 华北电力人学硕十论文 幌肋形嗣l 弘l h n r _ 协n yt _ n f r o in 1t 针 c l j 图2 - 1s y m p h o n y 系统结构图 2 2s y m p h o n y 系统的通信网络级 分布式控制系统之所以能成为分布式，其关键就在于它具有一个完善的通信系 统。把模拟通信变成数字通信，把通信与控制分离等技术是分布式系统发展中的重 大里程碑。s y m p h o n y 系统为适应多种过程控制规模和多种现场条件，以及更广泛 的数据传输和高层次的管理功能，其通信系统采用多层的通信网络，以适应企业和 技术发展的需要。 2 2 1s y m p h o n y 系统通信网络的结构 s y m p h o n y 系统通信网络是多层各自独立的标准总线和环形网络结构【1 7 1 。其中 最上层的通信结构为总线网络。它符合以太网标准，主要用来构成管理层数据交换 的结构，其名称为：o n e t ( o p e r a t i o nn e t w o r k ) 。 o n e t 通过通信介质于多种类型的计算机连接，形成企业需要的有关生产、财务、 人事、培训、维护、备件及市场管理等多种内容的管理功能。 另一网络层是继续保持i n f i n e t 相关技术的组合网络结构。它