DCS系統(tǒng)控制組態(tài)仿真軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1 引言

　　集散控制系統(tǒng)(dcs)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理而對現(xiàn)場裝置的控制分散的基本控制技術(shù)。集散控制系統(tǒng)的重要組成部分是組態(tài)軟件。傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件重復(fù)使用率低開發(fā)周期長，很難滿足工業(yè)自動化的要求。工業(yè)自動化組態(tài)軟件的出現(xiàn)為解決實(shí)際工程中的問題提供了一種新的方法，它能夠使用戶根據(jù)自己的控制對象和控制目的任意組態(tài)，使自動化工程人員能夠面向問題的設(shè)計(jì)。

　　控制組態(tài)仿真軟件要比傳統(tǒng)仿真軟件作出改進(jìn)，使其不僅僅可以供控制人員進(jìn)行一些控制的組態(tài)構(gòu)建，還可以提供給操作人員進(jìn)行仿真培訓(xùn)，以及進(jìn)行控制管理人員的培訓(xùn)。只要使其控制組態(tài)的模式和現(xiàn)場模式保持一致，就可以達(dá)到仿真的目的，而不必在實(shí)際的dcs控制室進(jìn)行試驗(yàn)和調(diào)試，這樣可以減少投資，并減小和避免工藝投放風(fēng)險(xiǎn)。因此，開發(fā)結(jié)構(gòu)合理、安全可靠、簡單實(shí)用的仿真系統(tǒng)控制組態(tài)軟件，具有很好的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)

　　2.1 控制組態(tài)概述

　　控制組態(tài)仿真軟件作為集成的圖形編程語言，是針對dcs系統(tǒng)所開發(fā)的全中文界面的控制方案組態(tài)工具，它與dcs系統(tǒng)流程圖組態(tài)軟件聯(lián)合完成對系統(tǒng)的圖形組態(tài)，是新型dcs系統(tǒng)組態(tài)軟件的重要組成部分之一，也是算法控制組態(tài)的核心部分。

　　本設(shè)計(jì)參考了國際電工委員會iec61131-3提供的用于控制的4種編程語言標(biāo)準(zhǔn)：梯形圖，結(jié)構(gòu)化高級語言，方框圖，指令助記符，采用了簡單方便易于用戶學(xué)習(xí)和使用的方框圖形式的編程語言，使編程環(huán)境更加高效，更加人性化。

　　本文根據(jù)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，基于目前控制領(lǐng)域通用的windows2000平臺，采用visual c++6.0語言實(shí)現(xiàn)了程序設(shè)計(jì)。這樣，不僅使人機(jī)界面更加友好，而且能夠更好地利用windows系統(tǒng)的資源，使組態(tài)軟件的功能更為強(qiáng)大。

　　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。各部分的功能及實(shí)現(xiàn)方法敘述如下。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2.2 算法顯示模塊和控制算法組態(tài)

　　該軟件向工程人員提供了一個(gè)圖形化的控制算法組態(tài)平臺，工程人員可以根據(jù)實(shí)際工業(yè)過程，選用合適的控制算法，用圖形的方式，即選用算法顯示模塊，組成各種控制回路，然后將組態(tài)信息保存到組態(tài)文件中。控制算法組態(tài)的主界面如圖2所示。

圖2 控制組態(tài)主界面

　　圖2算法顯示模塊指的是對具體算法的抽象顯示。在圖形化組態(tài)界面上，每種具體的控制算法對應(yīng)一種算法顯示模塊，以方框圖的形式顯示，用戶只需用簡單的鼠標(biāo)操作就能將指定的算法顯示模塊添加到指定的控制回路中，或刪除和修改參數(shù)，從而完成控制算法的組態(tài)。其在控制組態(tài)界面中的顯示是帶有輸入輸出端子的矩形，圖3是一個(gè)加法顯示模塊的外觀及顯示說明：

圖3 算法顯示模塊圖

　　其中，模塊在回路中的編號只有在進(jìn)行過編譯且用戶確定后才正確顯示，編譯前不顯示。而模塊流水號只是在繪制過程中記錄的全局唯一的模塊的id號，它由系統(tǒng)自動生成，用戶不能修改。

　　設(shè)計(jì)控制組態(tài)仿真軟件的界面時(shí)，主要是實(shí)現(xiàn)組態(tài)用到的算法顯示模塊、連線和文本注釋的繪制和顯示。從共性的角度考慮，決定將對算法模塊的實(shí)現(xiàn)用一個(gè)從cobject類派生的類cfunmod來統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)和管理，在該類中設(shè)定標(biāo)志變量對具體的算法顯示模塊類型進(jìn)行區(qū)分，同時(shí)標(biāo)記該模塊的輸入輸出端子數(shù)目。連線使用從cobject類派生的類clinkline實(shí)現(xiàn)，包含對連線兩端所連算法顯示模塊的標(biāo)記。而文本注釋則由另一個(gè)從cobject類派生的類ctext來實(shí)現(xiàn)，為普通注釋時(shí)，記錄字符串類型的注釋參數(shù)，而與數(shù)據(jù)庫中的點(diǎn)關(guān)聯(lián)時(shí)，記錄點(diǎn)名。在繪制回路的過程中，它們都是由基于各類的鏈表來操作和管理的。

　　為支持對算法顯示模塊和文本注釋的參數(shù)配置，需實(shí)現(xiàn)屬性對話框，這是很容易實(shí)現(xiàn)的。這樣，通過鼠標(biāo)雙擊算法模塊，彈出屬性對話框，用戶填入相應(yīng)的參數(shù)，點(diǎn)擊確定保存即可。

　　2.3 控制算法庫

　　控制算法庫是整個(gè)系統(tǒng)仿真運(yùn)行的基石。系統(tǒng)中內(nèi)置了若干種控制算法。為了保證控制算法的可擴(kuò)展性和統(tǒng)一性，所有的控制算法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)統(tǒng)一的接口，供算法運(yùn)行模塊調(diào)用。

　　具體來講，是采用模塊化設(shè)計(jì)的思路，將dcs的控制算法分解成若干個(gè)功能獨(dú)立的、能分別設(shè)計(jì)、編碼和調(diào)試的算法模塊，組成控制算法庫。每個(gè)算法模塊完成的功能既明確又單純，從而使處理的問題局部化和簡單化。算法模塊作為控制組態(tài)仿真軟件結(jié)構(gòu)中的最基本元素，實(shí)際上就是完成一個(gè)特定算法功能的獨(dú)立程序。算法模塊的接口簡明而又統(tǒng)一，且能彼此隔離和獨(dú)立。從用戶角度看來，控制算法庫中的各種控制算法都是完全一樣的，而且系統(tǒng)也是采用統(tǒng)一的接口對各種算法進(jìn)行調(diào)用的，用戶無需關(guān)心每個(gè)控制算法的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。另外，用戶使用時(shí)，只需對控制算法模塊的參數(shù)進(jìn)行修改，而無需修改算法模塊的代碼。

　　將各算法編成獨(dú)立的可反復(fù)調(diào)用的算法模塊，對應(yīng)每一個(gè)功能模塊都有一個(gè)參數(shù)列表和輸入列表，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，控制調(diào)度程序依據(jù)這些信息，順序依次執(zhí)行。

　　設(shè)計(jì)算法庫時(shí)，先設(shè)計(jì)一個(gè)算法基類cfunction，其中實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛函數(shù)fun，具體算法從該類中派生。在程序中，采用統(tǒng)一調(diào)用各算法模塊的fun函數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)對控制算法的調(diào)用，這樣的接口簡單明了。

　　2.4 虛擬信號發(fā)生器

　　信號發(fā)生器是一種應(yīng)用極為廣泛的儀器，它通常作為標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器，用于電子電路的性能試驗(yàn)或參數(shù)測量。傳統(tǒng)的信號發(fā)生器價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、不易開發(fā)、維護(hù)和升級，而使用基于visual

　　c++編程工具，軟件開發(fā)的虛擬信號發(fā)生器，具有簡單、直觀、操作方便等特點(diǎn)，而且可以通過調(diào)用或修改信號源函數(shù)中的不同的功能函數(shù)，得到不同的信號，如正弦波、方波、三角波等。

　　虛擬信號發(fā)生器即信號源模塊又分為三個(gè)子模塊，參數(shù)設(shè)置模塊，信號發(fā)生模塊，波形顯示模塊。如圖4所示。

圖4 虛擬信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

　　信號源數(shù)據(jù)的內(nèi)容主要為波形數(shù)據(jù)、要發(fā)生波形的參數(shù)；其波形數(shù)據(jù)的來源主要有信號發(fā)生模塊；波形數(shù)據(jù)的終點(diǎn)是信號發(fā)生以及發(fā)生波形及其參數(shù)的顯示，以及提供給控制算法進(jìn)行模擬仿真運(yùn)行。各子模塊間的關(guān)系及所對應(yīng)的數(shù)據(jù)流圖如圖5所示。

圖5 虛擬信號發(fā)生器數(shù)據(jù)流圖

　　信號源模塊能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波等常用的波形，能夠?qū)σl(fā)生波形的各種參數(shù)進(jìn)行方便靈活的設(shè)置，能夠?qū)φl(fā)生的波形進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。注意，模擬的信號采集頻率與主控卡實(shí)際采集頻率相同，這樣才能保證對主控卡實(shí)際運(yùn)行的模擬仿真等準(zhǔn)確。

　　在此信號源模塊中，用戶可設(shè)定兩種模式：自動和手動。自動時(shí)，采用系統(tǒng)提供的一些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號類型。手動時(shí)，用戶可隨時(shí)直接設(shè)置邏輯和控制變量的值。這是在線仿真系統(tǒng)的運(yùn)行的必要條件。

　　在此模塊中采用了多線程技術(shù)，參考主控卡的采集周期，定時(shí)運(yùn)行信號發(fā)生函數(shù)改變模擬輸入點(diǎn)的值。設(shè)置了手動改變數(shù)據(jù)的按鈕，用戶在手動模式下改變模擬輸入點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，直接調(diào)用此按鈕的相應(yīng)函數(shù)，執(zhí)行此改變。

3 模擬仿真運(yùn)行

　　先對用戶組態(tài)的信息進(jìn)行檢查，看是否數(shù)據(jù)連接類型不匹配，是否回路斷開等，同時(shí)，對于圖形化組態(tài)平臺來說，如何根據(jù)控制回路圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立起控制組態(tài)信息的數(shù)據(jù)流是很重要的，也就是需對回路中的算法模塊執(zhí)行順序進(jìn)行排列，上述內(nèi)容都是編譯過程中的工作。檢查確定組態(tài)無誤后，利用虛擬信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號，作為控制回路算法模擬仿真運(yùn)行的輸入信號，運(yùn)行控制算法，實(shí)時(shí)顯示仿真數(shù)據(jù)，及仿真報(bào)警，并輸出仿真波形。這是一個(gè)可調(diào)試的仿真過程，用戶觀察仿真結(jié)果判斷對控制算法的組態(tài)是否滿足要求，若不滿足，則可“在線”調(diào)整算法功能模塊的參數(shù)，甚至重新組態(tài)，仿真和調(diào)試，直到仿真結(jié)果滿足指定要求。

　　在模擬仿真時(shí)也采用了多線程技術(shù)。開辟工作者線程，進(jìn)行控制算法的計(jì)算。為實(shí)現(xiàn)“在線”參數(shù)整定，在用戶修改參數(shù)時(shí)，再開辟一個(gè)工作者線程，這樣能提高程序的運(yùn)行效率。

　　本軟件平臺采用johnson算法來解決循環(huán)有向子回路的排序，具體實(shí)施過程為：以當(dāng)前正在進(jìn)行拓樸結(jié)構(gòu)分析的模塊接口作探索出發(fā)點(diǎn)，用該接口的連線作為索引，沿該連線數(shù)據(jù)流方向深入，每深入一步，即將經(jīng)過的模塊接口進(jìn)行標(biāo)識，如果某一步達(dá)到了原出發(fā)點(diǎn)，則形成回路。因?yàn)樵谘h(huán)回路中，數(shù)據(jù)流在某個(gè)采用周期內(nèi)不存在時(shí)間序列上的優(yōu)先次序，因此需將回路人為斷開，并按上述索引的順序產(chǎn)生反映該循環(huán)回路特性的算法模塊的執(zhí)行順序。需要注意的是，該有向循環(huán)回路與不屬于該回路的其它部分則存在先后順序關(guān)系，這正是必須特別處理循環(huán)有向回路的原因。

　　實(shí)際運(yùn)行和數(shù)據(jù)訪問根據(jù)控制組態(tài)信息通過tcp/ip下載到dcs系統(tǒng)的主控卡，并實(shí)際運(yùn)行，這時(shí)組態(tài)軟件實(shí)時(shí)的向主控卡詢問各點(diǎn)信息(當(dāng)前值信息和故障信息)，并寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。而控制組態(tài)仿真軟件只是實(shí)時(shí)的訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫獲取點(diǎn)值信息等，再在控制組態(tài)的實(shí)際運(yùn)行界面上實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)，可顯示各回路的實(shí)際運(yùn)行波形圖。工程人員通過人機(jī)界面來監(jiān)控各個(gè)控制回路的運(yùn)行情況，可以在線進(jìn)行參數(shù)整定。

　　數(shù)據(jù)訪問模塊主要是用來給算法實(shí)際運(yùn)行模塊提供一個(gè)簡單、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口。它通過ado訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，讀出算法運(yùn)行模塊需要顯示的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警。

　　設(shè)計(jì)時(shí)，創(chuàng)建流套接字與主控卡建立網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行通訊，下載控制信息。

4 結(jié)束語

　　控制組態(tài)仿真軟件為建模人員提供了一個(gè)友好的用戶界面，使建模人員在建模時(shí)不必對模塊內(nèi)部的控制、邏輯程序有很深的了解就可以方便的對其進(jìn)行編寫和修改，自動或手動改變各邏輯和控制變量的值，參與模擬仿真運(yùn)行和調(diào)試，從而實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)運(yùn)行的仿真。采用仿真的方式，模擬控制算法的運(yùn)行和故障的報(bào)警，既可縮短工期又可降低成本，還能降低硬件維護(hù)、培訓(xùn)和備品備件費(fèi)用，具有很好的應(yīng)用前景。