王繼華，嚴 明，張 偉，邵伯辰

(1.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京100085;2.華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，北京102206)

OVATION系統(tǒng)虛擬仿真技術(shù)研究與實現(xiàn)

王繼華1，嚴 明2，張 偉1，邵伯辰1

(1.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京100085;2.華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，北京102206)

為了適應(yīng)目前用戶對OVATION系統(tǒng)電站仿真機研制開發(fā)提出的更高需求，提出了一種虛擬仿真技術(shù)。給出了最新版本SVG格式邏輯文件結(jié)構(gòu)說明，依據(jù)對MACRO的不同處理方式，設(shè)計了拆包型和打包型兩類邏輯翻譯策略;給出了系統(tǒng)界面SRC格式備份文件結(jié)構(gòu)說明，設(shè)計了全新的界面虛擬化策略，有效地實現(xiàn)了代碼的復(fù)用與程序的擴展。給出案例驗證了上述邏輯翻譯與界面虛擬化策略的成功應(yīng)用，減輕了OVATION控制系統(tǒng)電站仿真機的開發(fā)工作量，提高了仿真準確度與逼真度，體現(xiàn)了該技術(shù)良好的應(yīng)用前景。

OVATION;虛擬仿真;SVG;SRC;CyberSim

0 引言

電廠仿真培訓(xùn)系統(tǒng) (以下稱為仿真機)的研制開發(fā)通常主要包括機組模型、控制邏輯、組態(tài)界面的仿真以及配套培訓(xùn)系統(tǒng)的建立。其中控制邏輯和組態(tài)界面的仿真需要從電站收集資料，之后在仿真平臺下進行邏輯組態(tài)和畫面組態(tài)。隨著控制策略日趨復(fù)雜以及機組裝機容量日益擴大，仿真平臺下邏輯和畫面的手工組態(tài)方式已基本淘汰，取而代之的是虛擬仿真技術(shù)，即用邏輯翻譯和界面虛擬化的方式重現(xiàn)電站邏輯與界面［1］。

由于各個控制系統(tǒng)差異較大，依據(jù)其具體特點研制不同的仿真機開發(fā)策略就很有必要。目前已有較多學(xué)者對邏輯翻譯和界面虛擬化技術(shù)做了大量研究［2～5］，但是，只針對某一系統(tǒng)的具體開發(fā)說明少有涉及。本文針對OVATION 系統(tǒng)［6～7］虛擬仿真技術(shù)的設(shè)計與應(yīng)用進行了深入的研究。

針對OVATION邏輯翻譯部分，本文介紹了傳統(tǒng)的與最新的邏輯文件備份格式，針對最新SVG邏輯文件設(shè)計了拆包型和打包型兩種翻譯策略，并對實現(xiàn)方法給予了詳細闡述;針對OVATION界面虛擬化部分，介紹了SRC備份文件的格式，總結(jié)了傳統(tǒng)界面虛擬化方法的過程與缺點，設(shè)計了全新的界面虛擬化策略，并對實現(xiàn)方法給予了詳細闡述;進而通過案例驗證了上述策略的有效性，最終給出了結(jié)論。

1 OVATION邏輯翻譯

1.1 DWG邏輯文件

OVATION系統(tǒng)的Control Builder是基于Auto-CAD平臺開發(fā)的組態(tài)工具，其邏輯組態(tài)保存的文件格式為DWG，可用AutoCAD軟件打開查看［8］。

針對舊式DWG格式的邏輯備份文件，通常翻譯策略是首先將二進制格式的DWG文件轉(zhuǎn)化為ASCII碼格式的DXF文件，然后結(jié)合DXF文件解析技術(shù)將現(xiàn)場邏輯轉(zhuǎn)化為仿真平臺可識別的文件格式，最終實現(xiàn)邏輯翻譯的功能。

隨著EMERSON公司對OVATION系統(tǒng)的不斷更新升級，該系統(tǒng)的邏輯備份文件已不再是DWG格式，導(dǎo)致上述邏輯翻譯策略已無法適應(yīng)于新版本OVATION控制系統(tǒng)電站仿真的需要。

1.2 SVG邏輯文件

新版OVATION系統(tǒng)的控制邏輯備份文件的格式為 SVG，該邏輯文件的存儲路徑一般為Ovptsvr/＜System name＞/＜network＞/＜unit＞/ControlFunctions/。具體邏輯備份文件包括4種格式，分別是* ．svg，* ．xml，* ．htm，* ．bak。其中SVG文件包含了邏輯頁的圖形類信息，比如:模塊在邏輯頁中的坐標(biāo)位置等;XML文件包含了邏輯頁的變量類信息，比如:模塊的輸入輸出變量名稱等;HTM文件以網(wǎng)頁格式展現(xiàn)了邏輯模塊的相關(guān)信息;BAK文件是對SVG文件的備份。

邏輯備份文件中還包含控制宏文件、圖符文件、數(shù)據(jù)庫文件等。結(jié)合上述文件，本文設(shè)計了相應(yīng)的邏輯翻譯策略從而有助于新版本OVATION系統(tǒng)的仿真機研制開發(fā)。

1.3 SVG邏輯文件翻譯設(shè)計思路

如圖1所示，SVG邏輯文件翻譯是將Control Builder導(dǎo)出的OVATION邏輯組態(tài)文本通過邏輯翻譯工具轉(zhuǎn)換為仿真平臺可識別的文本格式邏輯文件，最終導(dǎo)入仿真平臺得到可正常運行的控制邏輯數(shù)學(xué)模型。

圖1 邏輯翻譯流程圖

由于OVATION的邏輯組態(tài)里包含大量MACRO信息，依據(jù)對宏信息的處理標(biāo)準可將翻譯工具分為拆包型與打包型兩類。

1.3.1 拆包型

拆包型指依據(jù)MACRO搭建過程將其拆分為具有鏈接關(guān)系的與、或、非模塊，即將一個宏當(dāng)作多個簡單模塊對待。此方法再現(xiàn)了MACRO內(nèi)部邏輯組態(tài)，有利于對宏實例做單獨配置。

翻譯過程以XML文件為線索，循環(huán)讀取XML文件得到各文件對應(yīng)的邏輯頁內(nèi)容，具體如下:

加載某邏輯頁的XML文件，獲取當(dāng)前頁面基本信息，如:頁面描述、創(chuàng)建日期、DPU號、DROP號等;遍歷各個ControlProgramInstruction子節(jié)點，獲取各個模塊的基本信息，如:模塊序號、算法索引號、算法名等;繼續(xù)遍歷深層Control-ProgramArgument子節(jié)點，獲取各個模塊管腳信息，如:管腳名稱等;遍歷各個BooleanStage節(jié)點，獲取與或非基本模塊的輸入輸出信息。

翻譯過程中配合使用相應(yīng)的SVG文件，獲取邏輯頁面尺寸、模塊坐標(biāo)、模塊系數(shù)等信息。

1.3.2 打包型

打包型指將MACRO當(dāng)作一個特殊算法對待，將其內(nèi)部邏輯的搭建過程用編程語言實現(xiàn)。此方法可用較少的模塊數(shù)量再現(xiàn)真實邏輯，減少了仿真平臺運算負荷，有利于提高仿真效率。

翻譯過程以SVG文件為線索，循環(huán)讀取SVG文件得到各文件對應(yīng)的邏輯頁內(nèi)容，具體如下:

加載某邏輯頁的SVG文件，獲取當(dāng)前頁面基本信息，如:頁面高度、頁面寬度、頁面描述等;遍歷G節(jié)點獲取模塊信息;遍歷TEXT節(jié)點獲取邏輯頁中的描述信息;遍歷RECT節(jié)點獲取各模塊的坐標(biāo)信息;遍歷LINE節(jié)點獲取邏輯頁中的連線信息;遍歷各個POLYGON，ELLIPSE節(jié)點獲取邏輯頁中的圖形信息，等。依據(jù)各節(jié)點的類名屬性提取相應(yīng)信息，部分映射關(guān)系如表1所示。

表1 類名與信息映射表

翻譯過程中配合使用相應(yīng)的XML文件，獲取模塊的管腳變量名信息等。

2 OVATION界面虛擬化

2.1 SRC界面?zhèn)浞菸募?/h3>

每幅HMI操作界面的備份文件是相互獨立的，存儲于Ovptsvr/＜System name＞/Graphics目錄下。其一般包括3個文件*．src，*．diag，*．bmp，分別是界面的ASCII源文件，界面的二進制格式目標(biāo)文件，宏的界面拷屏圖。組態(tài)界面的虛擬化實現(xiàn)主要基于對SRC文件的解析和轉(zhuǎn)換。

界面SRC文件由多行具體特定意義的文本代碼構(gòu)成，例如:DIAGRAM區(qū)用于文件開頭定義圖形基本參數(shù);BACKGROUND區(qū)定義界面重繪時的內(nèi)容;FOREGROUND區(qū)定義界面在每一個執(zhí)行周期刷新的圖形;通過 LINE，CIRCLE，GRADIENTRECT，GRADIENTARC等關(guān)鍵字定義諸如:直線、圓形、矢量矩形、矢量弧等具體顯示的界面內(nèi)容等。

2.2 傳統(tǒng)的組態(tài)界面虛擬化思路

傳統(tǒng)的組態(tài)界面虛擬化實現(xiàn)窗口再現(xiàn)時，首先加載SRC文件，之后在程序中使用大量的條件判斷語句逐條分類解析文本，最終實現(xiàn)圖形的繪制。

當(dāng)機組容量增大，文本文件內(nèi)容增多時，對文本進行逐條解析的方法必然導(dǎo)致解析過程緩慢，時間復(fù)雜度增高，不利于系統(tǒng)順暢運行。

其次，倘若不同的電站界面組態(tài)使用不同的OVATION元件，或者OVATION系統(tǒng)升級產(chǎn)生了新的組態(tài)元件，那么，在程序中使用大量條件判斷語句實現(xiàn)的代碼將面臨重新編寫，這將不利于代碼的復(fù)用與程序的擴展。

2.3 組態(tài)界面虛擬化設(shè)計思路

為了解決上述時間復(fù)雜度過高以及代碼程序無法復(fù)用擴展的問題，將界面虛擬化過程拆分為兩部分，前者實現(xiàn)ASCII文本文件向自定義格式的二進制文件轉(zhuǎn)化;后者實現(xiàn)二進制文件的圖形化顯示。

首先，整理已知元件，根據(jù)元件名字建立關(guān)鍵字數(shù)據(jù)庫KeyWordDataSet;建立圖形抽象類GraphObject;建立讀取文本ReadASCII，保存二進制文本SaveBinary以及繪圖Draw等接口函數(shù)。針對關(guān)鍵字數(shù)據(jù)庫中的元件派生出相應(yīng)的圖形元件子類，如圖2所示。

圖2 元件類結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵字數(shù)據(jù)庫

如圖3所示，程序啟動時首先加載關(guān)鍵字數(shù)據(jù)庫，加載某一SRC文件，將其輸入到文本處理鏈程序，得到處理后的字符文本;依據(jù)每行文本的首字段，用反射原理從關(guān)鍵字數(shù)據(jù)庫中映射建立相應(yīng)的圖形類對象，然后根據(jù)圖形類的ReadASCII函數(shù)與SaveBinary函數(shù)得到每個SRC文本對應(yīng)的二進制文件，供第二部分程序調(diào)用顯示。

圖3 文本二進制轉(zhuǎn)化流程圖

若需要增加對文本的預(yù)處理過程，只需在文本處理鏈上額外增加后續(xù)子節(jié)點即可，無需更改原始程序;若發(fā)現(xiàn)相應(yīng)圖形類不存在，只需添加關(guān)鍵字數(shù)據(jù)庫，并在程序外部由圖形抽象類派生出新元件子類，將子類實現(xiàn)各個接口即可。這樣既保證了主體程序的完整性，又實現(xiàn)了代碼的復(fù)用與程序的擴展。

圖形化顯示程序主要任務(wù)是讀取自定義格式的二進制文件，建立并實例化每一個圖形類，調(diào)用繪圖函數(shù)將其顯示于屏幕，同時，每個固定執(zhí)行周期對窗口上的顯示內(nèi)容做實時刷新。

3 虛擬仿真實現(xiàn)

3.1 CyberSim仿真支撐平臺

CyberSim圖模庫一體化通用仿真支撐平臺是由北京四方繼保自動化股份有限公司專門針對電站仿真系統(tǒng)開發(fā)的一套圖形化模型側(cè)建模平臺。

仿真平臺的模塊類型由算法定義工具PICON管理。具體包括:每個算法的輸入、輸出、系數(shù)的數(shù)量、類型、描述、單位定義，以及包括算法的圖標(biāo)樣式、管腳位置設(shè)定等。仿真平臺的算法程序由算法庫DLL文件配置，從而建立功能碼模塊庫與仿真平臺算法庫之間的映射關(guān)系。

仿真模型由模塊搭建連接而成，依據(jù)模塊之間的連接關(guān)系建立仿真功能塊之間的關(guān)聯(lián)，進而調(diào)用平臺算法庫DLL文件中的程序，從而實現(xiàn)控制邏輯數(shù)學(xué)模型的建立與運行。

3.2 邏輯轉(zhuǎn)換應(yīng)用案例

山西省晉中市榆次區(qū)某2×300 MW燃煤熱電廠機組為OVATION控制系統(tǒng)，該廠仿真機控制邏輯采用拆包型翻譯方式。圖4為該項目中名為“10D001S－046F汽包水位處理”的邏輯頁面在CyberSim仿真支撐平臺下的顯示拷屏圖。

圖4 CyberSim下邏輯組態(tài)拷屏圖

傳統(tǒng)的DWG格式邏輯翻譯效果較大程度上取決于仿真機研發(fā)者掌握的Ovation特定AutoCAD插件是否與工程版本相匹配，不匹配的插件會導(dǎo)致部分控制邏輯無法正常顯示，進而無法精確翻譯。

本文提出的邏輯翻譯策略基于系統(tǒng)直接保存的初始資料，并且兼顧多個信息文件從而得到最終的邏輯翻譯模型，大幅度提高了仿真邏輯的準確度。

3.3 界面轉(zhuǎn)換應(yīng)用案例

圖5是上述山西省某電站仿真機項目名為“給水系統(tǒng)”的界面虛擬顯示圖的拷屏展示。

圖5 虛擬化界面運行圖

傳統(tǒng)的虛擬界面程序過度依賴具體項目，導(dǎo)致不同項目需要開發(fā)不同的虛擬界面程序，否則會導(dǎo)致部分特殊的組態(tài)元件在常規(guī)虛擬界面中無法精確顯示。

本文提出的虛擬界面實現(xiàn)了代碼的復(fù)用與程序的擴展。對工程中特殊的組態(tài)元件只需做程序擴展即可實現(xiàn)其正常展示，從而大幅度快捷地提高了仿真畫面的逼真度。

4 結(jié)論

設(shè)計的OVATION系統(tǒng)SVG格式邏輯文件翻譯策略解決了傳統(tǒng)邏輯翻譯策略無法適應(yīng)新版OVATION系統(tǒng)邏輯備份文件的問題;設(shè)計的拆包型和打包型兩類邏輯翻譯策略為不同的仿真需求提供了更大的選擇空間;提出的OVATION系統(tǒng)SRC格式文件界面虛擬化策略，有效彌補了傳統(tǒng)虛擬化策略高時間復(fù)雜度以及代碼程序無法復(fù)用擴展的缺陷。

總之，本文設(shè)計的OVATION虛擬仿真技術(shù)，縮短了該系統(tǒng)的仿真機研制周期，減少了開發(fā)工作量，提高了仿真邏輯的準確度與仿真界面的逼真度，充分體現(xiàn)了該技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景。

［1］段新會，姜萍．基于虛擬DCS仿真的控制系統(tǒng)實驗驗證平臺開發(fā) ［J］．電力科學(xué)與工程，2008，24(8):56-59．

［2］高叔開，紀連恩，高磊．火電機組分布式控制系統(tǒng)仿真新思路 ［J］．電力系統(tǒng)自動化，2005，29(10):73-75．

［3］高叔開．齊次坐標(biāo)變換在IA系統(tǒng)操作員站仿真中的應(yīng)用 ［J］．電力科學(xué)與工程，2010，26(7):9-11，37．

［4］王繼華，周建章，張偉，等．一種新的虛擬仿真HMI技術(shù)研究及實現(xiàn) ［J］．化工自動化及儀表，2013，40(10):1296-1299．

［5］韓璞，王文治，翟永杰，等．基于虛擬DCS的混合仿真系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā) ［J］．華北電力大學(xué)學(xué)報，2006，33(4):1-4．

［6］田宏梅，唐黎鋒．OVATION系統(tǒng)在熱電廠中的應(yīng)用［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009，20，65-66．

［7］許晨德．基于Ovation系統(tǒng)的核動力裝置二回路控制仿真研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2008．

［8］黃洋．使用AutoCAD讀取Ovation組態(tài)圖參數(shù) ［J］．東北電力技術(shù)，2004，25(8):24-26．

Study and Implementation of Virtual Simulation Technology of OVATION System

Wang Jihua1，Yan Ming2，Zhang Wei1，Shao Bochen1

(1．Beijing Sifang Automation Co．，Ltd．，Beijing 100085，China;2．School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

In order to meet consumers'higher demand for research and development efficiency of power station simulator with OVATION control system，a fully new virtual simulation technology is designed in this paper．The structure of logical backup file with SVG document format，which is exported by the latest version of OVATION system，is given firstly．On the basis of different treatment methods on MACRO，two kinds of logic translation strategies，the packed type and unpacked type，are then designed．The structure of HMI backup file with SRC document format is given secondly．Then fully new virtual HMI technology is designed，which effectively implements code reuse and program extension．An example is presented to verify the successful application of the above logical translation and HMI virtualization strategies，which reduces the development workload of power plant simulator with OVATION control system，improves the simulation accuracy and fidelity，and embodies the good application prospect of this technique．

OVATION;virtual simulation;SVG;SRC;CyberSim

TP391

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2014.04.010

2013－10－28。

王繼華 (1986-)，男，碩士研究生，研究方向為應(yīng)用數(shù)學(xué)、控制理論與工程，E-mail:wangjihua@ncepu．edu．cn。