一体化仿真平台

多年来，福州福大自动化科技有限公司在不断跟踪国内外仿真新技术和计算机技术的高起点的基础上，以开放性、中文交互、面向用户为开发目标，于2005年1月推出了新型的基于组态软件仿真平台----FD-Simulator。它采用全范围、高精度、高透明、仿机理过程的模块化数学模型，并推出“一机多模”及“全能操作员培训”等多种仿真组合方案。在仿真技术、培训功能、逼真度、易用性等方面着重考虑，使用户在使用和维护仿真机系统方面变得相当容易，不需专门的仿真机教练员和维护人员，另外还成功实现移动仿真，就是在一台普通的笔记本电脑上可以很好地实现整个仿真系统的运行。

基于组态软件的仿真开发平台，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。

仿真平台的功能是通过教练员站实现的，教练员通过指导员台可以控制仿真机的运行，监视学员的操作，并以完成各项培训功能：

[1] 起动/停止仿真系统，进入/退出仿真过程

[2] 初始工况选择

[3] 冻结/解冻仿真系统的运行

[4] 加速功能：仿真装置的运行速度比实时的速度快1~4倍可调。

[5] 减速功能：仿真装置的运行速度比实时的速度慢1~4倍可调。

[6] 运行工况显示功能：在指导员站和工程师站上可以看到机组各个系统的主要运行参数，显示系统内各种图象、图表和曲线，以便监视和分析机组运行。

仿真技术性能主要体现在其计算机网络、服务器/客户机、应用软件方面。仿真模型全部以物理过程为基础，真实地反映仿真范围内的动、静过程，因此，对受训人员的各种操作，自动控制和保护动作，故障发生后的动态影响能与实际生产现场发生的过程相一致。仿真系统提供具有先进水平的仿真支撑系统，用户可方便地修改被控对象模型的结构、参数、系数等，对控制系统也可方便地在线进行组态、修改、调试无需编程即可实现。

仿真系统运行实时性能满足下列要求：

- 快过程模型运算步长小于0.1秒/次

- 慢过程模型运算步长小于1秒/次

- 全部CRT背景画面更新速度与实际电厂相应CRT画面更新速度一致，也就是说任何CRT画面均能在2秒的时间内（或更少）完全显示出来，所有被显示的数据其更新速度为1秒。

- 仿真系统计算机服务器两次故障平均时间（MTBF）大于8640小时。系统网络通讯可靠。

- 平台使用简单

基于功能块的编程方式，容易掌握；

- 模型组态透明

图形化的模型，形象；可以监视模型内部数据变化；

- 系统调试便捷

数据监控；参数在线修改；模型在线修改；

- 仿真平台一体化

完全基于组态软件；

- 控制组态软件的再组态

可以根据实际需要任意增加元件；

- 虚拟控制站的开放性

可直接通过动态链接库方式直接使用第三方开发的成熟软件；

- 软件效率高

系统占用计算机的资源少，在一台普通笔记本电脑上就可以完成整个全工况仿真系统的运行；

新型的基于组态软件的仿真平台设计完全基于信息化的计算机网络，整个仿真平台由计算机系统和网络系统组成，结构如图1所示。

仿真模型和人机界面服务器：其一，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；其二，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控制站上的设备模型打交道，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。

新型的基于组态软件的仿真平台由组态软件，虚拟控制器，通讯软件和人机界面软件组成，其结构如图2所示。由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。

由于整个仿真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，Windows2000，WindowsXP或Windows2003操作系统均可。

基于组态软件建模的提出主要是出于模型组态的透明化和仿真开发平台一体化方面考虑。

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。组态软件主要特点：

l 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。

l 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，也可以把几个相关的输出表达为函数的曲线关系，结果一目了然。

l 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；一方面可以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，采用组态软件建模，使得整个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。

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。

下面以给水泵马达为例，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3所示。

在控制逻辑部分，给水泵马达启动指令与其运行