張光昱，吳帆，劉航宇

（中廣核（北京）仿真技術(shù)有限公司技術(shù)開發(fā)部，北京　100094）

基于虛擬DCS的核電站DCS人機(jī)界面仿真技術(shù)方案

張光昱，吳帆，劉航宇

（中廣核（北京）仿真技術(shù)有限公司技術(shù)開發(fā)部，北京100094）

1　DCS仿真方式

目前實(shí)現(xiàn)核電站模擬機(jī)DCS（Distributed Control System，數(shù)字化分布式控制系統(tǒng)）仿真分別根據(jù)DCS的控制設(shè)計(jì)、離線組態(tài)和構(gòu)成運(yùn)行系統(tǒng)等生命周期的不同階段獲取系統(tǒng)資源而分為三種，如圖1所示。

圖1　核電站DCS仿真模型

●激勵DCS（Stimulation）：通常是簡略輸人/輸出板卡和外設(shè)，采用真實(shí)DCS的硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的適當(dāng)或最小配置，再現(xiàn)DCS。激勵DCS具有最高的軟硬件逼真度，但是軟硬件實(shí)現(xiàn)成本很高，與對象模型系統(tǒng)連接較難，無法完成復(fù)雜的仿真應(yīng)用功能。

●虛擬DCS（Emulation）：在完成 DCS組態(tài)之后，采用對DCS網(wǎng)絡(luò)下載文件迸行智能編譯轉(zhuǎn)換的方式，實(shí)現(xiàn)DCS的平臺轉(zhuǎn)移和再現(xiàn)。虛擬DCS應(yīng)具有極高的軟件功能逼真度，實(shí)現(xiàn)成本不高，能夠完成復(fù)雜的仿真應(yīng)用功能。

●仿真DCS（Simulation）：只要DCS完成控制功能和邏輯設(shè)計(jì)，就可以根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行仿真。仿真DCS是多年來培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的通常采用的形式，雖然實(shí)現(xiàn)成本不高、能夠完成復(fù)雜的培訓(xùn)仿真應(yīng)用功能，但軟件功能逼真度和可信度相對不夠高，跟蹤修改較難，幾乎不能完成人員培訓(xùn)功能以外的高級應(yīng)用功能。

其中虛擬DCS方式由于無論是控制參數(shù)，算法還是流程圖都來源于下載文件，使用與真實(shí)DCS相同或者相似的算法、模塊、時間片、位號等，可以同步修改更新，軟件功能的逼真度很高，相比激勵DCS，其又不用支付過高的軟硬件使用權(quán)，因此具有較高的性價比，本文則針對虛擬DCS中的虛擬HMI論述一種技術(shù)路線和實(shí)現(xiàn)方式。

2　虛擬HMI

DCS主要是由分散處理單元 DPU（Distributed Process Unit）和操作員站人機(jī)界面HMI（Human Ma-chine Interface）構(gòu)成的，兩部分均可以獨(dú)立采用虛擬方式進(jìn)行仿真，而采用虛擬方式對HMI的仿真即是虛擬HMI。本文將論述把和利時公司的Hollias的HMI部分轉(zhuǎn)換成自主開發(fā)的NSView上實(shí)現(xiàn)虛擬HMI的一種技術(shù)路線和方案，從而達(dá)到核電站DCS人機(jī)界面仿真的目的。

3　虛擬HMI的實(shí)現(xiàn)

虛擬HMI的實(shí)現(xiàn)是通過DCS的下載文件（主要是圖形文件），智能轉(zhuǎn)換成可識別的中間文件（這里用的是XML格式文件），導(dǎo)入到自主開發(fā)的人機(jī)界面平臺中從而實(shí)現(xiàn)DCS的人機(jī)界面虛擬方式仿真目的。虛擬HMI的實(shí)現(xiàn)主要需要解決圖形文件的解析與轉(zhuǎn)換的問題，其中轉(zhuǎn)換包括動態(tài)特性的實(shí)現(xiàn)和交互特性的實(shí)現(xiàn)。圖2展示了實(shí)現(xiàn)虛擬HMI的一個大致流程。

圖2　虛擬HMI實(shí)現(xiàn)流程

3.1圖形文件解析

圖形文件解析的目標(biāo)是從圖形文件中提取出所有圖元對象以及其所具備的特性的完備信息，根據(jù)所提取的信息能夠從邏輯上完整的描述和復(fù)原所有圖元對象以及其所具備的特性，并且在任意其他平臺復(fù)現(xiàn)圖元對象以及其所具備的特性。

圖形文件解析一般可以具體細(xì)分為若干類圖形對象的識別。圖形文件內(nèi)圖元在內(nèi)存中以都是以對象形式存在的，在硬盤中則以按照對象序列化方式保持的。因此一類圖形對象在一個圖形文件中可以有多個實(shí)例化對象，但同類實(shí)例化對象在硬盤中的存儲結(jié)構(gòu)是相同的。例如，直線作為最基本的圖形對象，在一個圖形文件中可以包含多根直線，但每根直線的文件存儲結(jié)構(gòu)是一致的，不同的是每根直線在每個存儲單元所存儲的具體屬性數(shù)值。

圖形系統(tǒng)的圖元類型一般有：頁面圖元、點(diǎn)、直線、弧、矩形、文本、多邊線、曲線、圓角矩形、餅型、Bezier曲線、圖表、圖片、組合圖元、ActiveX控件等；

各圖形對象一般包含若干數(shù)目的屬性數(shù)據(jù)，因此各圖形對象的解析可以進(jìn)一步細(xì)分為對各個屬性數(shù)據(jù)的識別，要對圖形對象進(jìn)行徹底的解析首先必須保證所歸納總結(jié)的屬性數(shù)據(jù)是否充分完整。解析之前應(yīng)根據(jù)所有資料分析出盡量完備的圖形對象及其屬性數(shù)據(jù)清單，然后在具體文件識別過程中，針對碰到的新圖元及新屬性不斷補(bǔ)充和完善。不過圖形文件解析的前提條件是需要有驗(yàn)證平臺，一般來說也就是真實(shí)DCS的工程師站，通過在工程師站上進(jìn)行組態(tài)，直接驗(yàn)證解析結(jié)果。

（1）解析步驟

①文件結(jié)構(gòu)解析

圖形文件雖然都是二進(jìn)制文件，但是實(shí)質(zhì)都是對內(nèi)存中的圖元對象進(jìn)行序列化保存的結(jié)果，因此其保存方式都有規(guī)律可行。我們首先要對圖形文件的存儲結(jié)構(gòu)了解清楚。具體解析過程從邏輯結(jié)構(gòu)上說是一個由粗到細(xì)的過程，從層次結(jié)構(gòu)上是一個從上到下的識別過程。其大致的解析步驟為：

●文件頭信息識別

●各圖元類型邊界識別，起始、結(jié)束

●動態(tài)特性邊界、交互特性邊界識別

●具體數(shù)據(jù)屬性的識別

圖3是hollias的圖形文件的基本結(jié)構(gòu)。

通過圖3所示的存儲結(jié)構(gòu)，我們可以識別圖元以及其所具備的各種屬性，從而可以針對圖元內(nèi)信息進(jìn)行解析?；谠摻Y(jié)構(gòu)，我們展開單個圖元內(nèi)信息的解析。

②圖元內(nèi)信息解析

圖元的信息都是由各種屬性構(gòu)成，各種數(shù)據(jù)具有不同的數(shù)據(jù)類型，這些數(shù)據(jù)類型是數(shù)據(jù)存儲的基礎(chǔ)，不同數(shù)據(jù)類型在文件中的存儲方式是不同的。所以在圖形文件中要識別出各種屬性就首先識別各種數(shù)據(jù)類型在文件中的存儲方式。

圖3　文件存儲結(jié)構(gòu)示意圖

各種數(shù)據(jù)類型基本與其在語言中定義的長度一致，通過比較我們解析出Hollias中的圖形文件中數(shù)據(jù)類型的存儲方式如下

●整型數(shù)，4個字節(jié)；

●浮點(diǎn)數(shù)，4個字節(jié)；

●BOOL型，4個字節(jié)；

●字符串，1＋N，第一個字節(jié)存字符串長度，后依次存各字符；

●數(shù)組類型，1＋N，第一個字節(jié)存數(shù)組長度，后依次存各數(shù)組對象；

●顏色類型，4個字節(jié)，R、G、B值分別存在0-8、8-16、16-24位；

●二進(jìn)型數(shù)，位圖對象存儲

根據(jù)上面的解析結(jié)果來對照實(shí)際文件中的存儲信息，圖4是圖形文件二進(jìn)制示意圖。

圖4　圖形文件二進(jìn)制示意圖

從圖中我們可以看到各種類型數(shù)據(jù)在二進(jìn)制文件中的存儲方式，例如上圖中的0000803F標(biāo)識為浮點(diǎn)數(shù)1.0，通過明確各種類型數(shù)據(jù)的存儲方式，從而解析出圖元中各個屬性。

3.2中間文件的生成

通過圖形文件的解析，可以獲取所需的所有圖元對象以及其所具備的特性的完備信息。根據(jù)這些信息我們生成可識別的中間文件做為信息的新載體，用于下一步文件轉(zhuǎn)換，同時可以把不同的DCS的圖形文件轉(zhuǎn)換成中間文件，這樣虛擬HMI所用的HMI的平臺就只用把中間文件轉(zhuǎn)換成本平臺的圖形文件就可以完成對不同的DCS的HMI的虛擬仿真。對于中間文件的要求是直觀，簡潔，便于讀取和修改。這里我們選用了通用的XML（可擴(kuò)展標(biāo)記語言）作為中間文件的格式。

下面是一個文本對象的信息存儲范例。

定義了該文本對象具備的各種靜態(tài)信息，例如位置、顏色等，這些信息可以完整在虛擬DCS的HMI平臺上再現(xiàn)出這個文本對象。

2.3文件轉(zhuǎn)換

文件轉(zhuǎn)換主要是把中間文件轉(zhuǎn)換成虛擬DCS的HMI平臺上的文件格式，通過虛擬HMI平臺再現(xiàn)真實(shí)DCS上圖元對象以及其所具有的靜態(tài)特性、動態(tài)特性和交互特性。在核電DCS中由于操作員需要控制各種功能復(fù)雜的閥門、泵等，這些設(shè)備在操作流程圖上面都是以組合圖元的形式存在，并且具有復(fù)雜的動態(tài)特性進(jìn)行描述該設(shè)備的不同狀態(tài)。針對核電DCS的特性，以及綜合評定復(fù)雜程度，我們采用自動創(chuàng)建圖庫+手動組態(tài)動態(tài)特性的方案來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。也就是先導(dǎo)入中間文件建立各種設(shè)備的圖庫，然后手動配置動態(tài)特性，最后導(dǎo)入中間文件生成圖形文件。

首先我們分析一下核電站DCS中的人機(jī)界面的構(gòu)成。下圖是真實(shí)DCS的畫面。

圖5　DSC流程圖

從畫面中我們可以看出圖主要由一些設(shè)備圖符、線、文字等組成，一般情況下只有設(shè)備圖符具備動態(tài)特性和交互特性的需求，根據(jù)其構(gòu)成特點(diǎn)，我們確定轉(zhuǎn)換技術(shù)路線。這里我們用仿真公司自主研發(fā)的NSView模擬機(jī)HMI仿真平臺進(jìn)行轉(zhuǎn)換，該平臺具有組態(tài)、在線模擬、報警、日志等DCS人機(jī)界面功能。

（1）圖元轉(zhuǎn)換及圖庫建立

對于基本圖元，例如點(diǎn)、線，圓等、用于虛擬HMI平臺都具備，因此直接從中間文件獲取信息生成即可。對于用于表示設(shè)備等的組合圖元，轉(zhuǎn)換分成兩個階段，第一個階段根據(jù)中間文件信息，生成圖庫。第二個階段根據(jù)圖庫生成組合圖元的信息。這樣通過轉(zhuǎn)換過程，不僅可以實(shí)現(xiàn)流程圖頁面的再現(xiàn)，還可以建立核電DCS的HMI的圖庫，從而手動組態(tài)新的流程圖。

圖6是根據(jù)中間文件在NSView內(nèi)生成的圖庫。

圖6　NSView內(nèi)圖庫

（2）動態(tài)特性轉(zhuǎn)換

現(xiàn)在主流DCS對于動態(tài)特性的實(shí)現(xiàn)分為兩種，一種是表達(dá)式方式（例如ovation），一種是腳本方式（例如Hollias）。由于核電站DCS中所操作的設(shè)備比較復(fù)雜而且種類繁多，如果采用表達(dá)式來描述設(shè)備的各種狀態(tài)，不僅表達(dá)式復(fù)雜而且不直觀，而且維護(hù)困難，因此NSView平臺對于動態(tài)特性的實(shí)現(xiàn)和Hollias保持一致采用腳本方式，并且支持簡單表達(dá)式。

Hollias內(nèi)部實(shí)現(xiàn)動態(tài)特性機(jī)制是在每個頁面內(nèi)加入工程內(nèi)所有腳本，然后在圖元進(jìn)行設(shè)置。下圖是Hollias設(shè)置動態(tài)特性的界面。

可以看到這是一個模擬量值特性（AN）的動態(tài)特性，并且有點(diǎn)名（AB1ASG113MT）等參數(shù)。在NSView平臺中有支持全局函數(shù)的機(jī)制，我們NSView平臺中定義其全局變量函數(shù)（GlobalDeclaretions），導(dǎo)入的時候根據(jù)不同的設(shè)備類型進(jìn)行自動匹配對應(yīng)的動態(tài)腳本，這樣導(dǎo)入后的流程圖上圖符就具備了動態(tài)特性。這樣當(dāng)真實(shí)DCS中圖元的動態(tài)特性升級的時候，在虛擬DCS這邊只需要修改腳本，就可以再現(xiàn)真實(shí)DCS中的動態(tài)特性。

圖7　Hollias內(nèi)動態(tài)特性實(shí)現(xiàn)

圖8　NSView內(nèi)全局函數(shù)

（3）交互特性轉(zhuǎn)換

在DCS中交互特性一般有彈出操作面板，切換底圖，鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件幾類，這些都屬于事件觸發(fā)機(jī)制，所以首先我們需要是平臺內(nèi)部支持消息觸發(fā)機(jī)制，然后建立對應(yīng)的操作面板，底圖，最后在導(dǎo)入組合圖元的同時導(dǎo)入交互特性的參數(shù)即可。其中最為復(fù)雜的交互特性是彈出操作面板，這里用一個例子來說明彈出操作面板的實(shí)現(xiàn)。

圖10是Hollias中對于一個模擬量組合圖元設(shè)置的推出窗口的交互特性，其對應(yīng)的模板為AN_WIN，具有點(diǎn)名（AB1ASG113MT），格式（%5.1f）等參數(shù)。

圖9　NSView內(nèi)調(diào)用全局函數(shù)

圖10　Hollias內(nèi)彈出窗口交互特性

在NSView內(nèi)首先需要創(chuàng)建模板，這里名字為了對應(yīng)Hollias，我們也創(chuàng)建名為AN_WIN，因?yàn)槟０迨强梢灾赜玫?，所以相同的模板只需要?chuàng)建一個即可。同時模板是需要對應(yīng)實(shí)例的，實(shí)例可以創(chuàng)建多個，這里對應(yīng)上面需要翻譯的內(nèi)容，需要在導(dǎo)入XML文件的過程創(chuàng)建名為AB1ASG113MT的實(shí)例，并把點(diǎn)名、格式等參數(shù)信息設(shè)置到該實(shí)例內(nèi)，最后流程圖內(nèi)組合圖元關(guān)聯(lián)到該實(shí)例上就可以完成交互特性的轉(zhuǎn)換。

圖11即是在NSView平臺內(nèi)創(chuàng)建的模板和自動生成的實(shí)例。

圖11　NSView內(nèi)彈出模板交互特性

4　結(jié)語

從上所述，采用虛擬HMI的方式進(jìn)行核電站DCS人機(jī)界面仿真不僅具有較高逼真度，而且開發(fā)費(fèi)用和開發(fā)周期相對于傳統(tǒng)模擬機(jī)的開發(fā)來說具有一定優(yōu)勢。并隨著進(jìn)入核電的DCS產(chǎn)品越來越多，如何快速地開發(fā)出高質(zhì)量的核電站模擬機(jī)成為一項(xiàng)重要課題。而采用虛擬DCS方式來進(jìn)行核電站DCS仿真的開發(fā)將成為一種性價比高的技術(shù)路線，值得進(jìn)一步研究。

Virtual DCS;HMI

A Proposal of DCS HMI Simulation Based on Virtual DCS

ZHANG Guang-yu，WU Fan，LIU Hang-yu
（China（Beijing）Nuclear Power Simulator Technology Co.，Ltd.，Beijing 100094）

1007-1423（2015）28-0055-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.28.014

張光昱（1979-），男，湖北武穴人，本科，工程師，研究方向?yàn)镈CS人機(jī)界面仿真及仿真平臺

吳帆（1968-），男，江蘇蘇州人，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)樽詣踊刂萍败浖_發(fā)與管理

劉航宇（1990-），男，廣東深圳人，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)镈CS人機(jī)界面仿真及軟件開發(fā)

2015-08-05

2015-09-10

隨著DCS在核電站控制系統(tǒng)中越來越廣泛的使用，DCS仿真成為核電模擬機(jī)的重要課題，將著重論述基于虛擬HMI在仿真公司自主研發(fā)的NSView平臺上進(jìn)行核電站DCS人機(jī)界面仿真的技術(shù)方案，并以和利時的Hollias系統(tǒng)作為范例驗(yàn)證可行性和正確性。

虛擬DCS；人機(jī)界面

國家能源應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范項(xiàng)目

With the development of DCS，it is important to simulate DCS for the nuclear station simulator.Introduces how to use NSView which is a platform developed by CGNPC to simulate the HMI of DCS，and verifies this solution with an example of Hollias system.