OVATION系統虛擬仿真技術研究與實現

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 能源動力與機械工程學院，北京102206)

OVATION系統虛擬仿真技術研究與實現

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 能源動力與機械工程學院，北京102206)

為了適應目前用戶對OVATION系統電站仿真機研制開發提出的更高需求，提出了一種虛擬仿真技術。給出了最新版本SVG格式邏輯文件結構說明，依據對MACRO的不同處理方式，設計了拆包型和打包型兩類邏輯翻譯策略;給出了系統界面SRC格式備份文件結構說明，設計了全新的界面虛擬化策略，有效地實現了代碼的復用與程序的擴展。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用，減輕了OVATION控制系統電站仿真機的開發工作量，提高了仿真準確度與逼真度，體現了該技術良好的應用前景。

OVATION;虛擬仿真;SVG;SRC;CyberSim

0 引言

電廠仿真培訓系統 (以下稱為仿真機)的研制開發通常主要包括機組模型、控制邏輯、組態界面的仿真以及配套培訓系統的建立。其中控制邏輯和組態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和畫面組態。隨著控制策略日趨復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方式已基本淘汰，取而代之的是虛擬仿真技術，即用邏輯翻譯和界面虛擬化的方式重現電站邏輯與界面［1］。

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

針對OVATION邏輯翻譯部分，本文介紹了傳統的與最新的邏輯文件備份格式，針對最新SVG邏輯文件設計了拆包型和打包型兩種翻譯策略，并對實現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，總結了傳統界面虛擬化方法的過程與缺點，設計了全新的界面虛擬化策略，并對實現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，最終給出了結論。

1 OVATION邏輯翻譯

1.1 DWG邏輯文件

OVATION系統的Control Builder是基于Auto-CAD平臺開發的組態工具，其邏輯組態保存的文件格式為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文件轉化為ASCII碼格式的DXF文件，然后結合DXF文件解析技術將現場邏輯轉化為仿真平臺可識別的文件格式，最終實現邏輯翻譯的功能。

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

1.2 SVG邏輯文件

新版OVATION系統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文件以網頁格式展現了邏輯模塊的相關信息;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、數據庫文件等。結合上述文件，本文設計了相應的邏輯翻譯策略從而有助于新版本OVATION系統的仿真機研制開發。

1.3 SVG邏輯文件翻譯設計思路

如圖1所示，SVG邏輯文件翻譯是將Control Builder導出的OVATION邏輯組態文本通過邏輯翻譯工具轉換為仿真平臺可識別的文本格式邏輯文件，最終導入仿真平臺得到可正常運行的控制邏輯數學模型。

圖1 邏輯翻譯流程圖

由于OVATION的邏輯組態里包含大量MACRO信息，依據對宏信息的處理標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MACRO搭建過程將其拆分為具有鏈接關系的與、或、非模塊，即將一個宏當作多個簡單模塊對待。此方法再現了MACRO內部邏輯組態，有利于對宏實例做單獨配置。

翻譯過程以XML文件為線索，循環讀取XML文件得到各文件對應的邏輯頁內容，具體如下:

加載某邏輯頁的XML文件，獲取當前頁面基本信息，如:頁面描述、創建日期、DPU號、DROP號等;遍歷各個ControlProgramInstruction子節點，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;繼續遍歷深層Control-ProgramArgument子節點，獲取各個模塊管腳信息，如:管腳名稱等;遍歷各個BooleanStage節點，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的SVG文件，獲取邏輯頁面尺寸、模塊坐標、模塊系數等信息。

1.3.2 打包型

打包型指將MACRO當作一個特殊算法對待，將其內部邏輯的搭建過程用編程語言實現。此方法可用較少的模塊數量再現真實邏輯，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，循環讀取SVG文件得到各文件對應的邏輯頁內容，具體如下:

加載某邏輯頁的SVG文件，獲取當前頁面基本信息，如:頁面高度、頁面寬度、頁面描述等;遍歷G節點獲取模塊信息;遍歷TEXT節點獲取邏輯頁中的描述信息;遍歷RECT節點獲取各模塊的坐標信息;遍歷LINE節點獲取邏輯頁中的連線信息;遍歷各個POLYGON，ELLIPSE節點獲取邏輯頁中的圖形信息，等。依據各節點的類名屬性提取相應信息，部分映射關系如表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界面備份文件

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文件，宏的界面拷屏圖。組態界面的虛擬化實現主要基于對SRC文件的解析和轉換。

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

2.2 傳統的組態界面虛擬化思路

傳統的組態界面虛擬化實現窗口再現時，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，最終實現圖形的繪制。

當機組容量增大，文本文件內容增多時，對文本進行逐條解析的方法必然導致解析過程緩慢，時間復雜度增高，不利于系統順暢運行。

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

2.3 組態界面虛擬化設計思路

為了解決上述時間復雜度過高以及代碼程序無法復用擴展的問題，將界面虛擬化過程拆分為兩部分，前者實現ASCII文本文件向自定義格式的二進制文件轉化;后者實現二進制文件的圖形化顯示。

首先，整理已知元件，根據元件名字建立關鍵字數據庫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。針對關鍵字數據庫中的元件派生出相應的圖形元件子類，如圖2所示。

圖2 元件類結構與關鍵字數據庫

如圖3所示，程序啟動時首先加載關鍵字數據庫，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;依據每行文本的首字段，用反射原理從關鍵字數據庫中映射建立相應的圖形類對象，然后根據圖形類的ReadASCII函數與SaveBinary函數得到每個SRC文本對應的二進制文件，供第二部分程序調用顯示。

圖3 文本二進制轉化流程圖

若需要增加對文本的預處理過程，只需在文本處理鏈上額外增加后續子節點即可，無需更改原始程序;若發現相應圖形類不存在，只需添加關鍵字數據庫，并在程序外部由圖形抽象類派生出新元件子類，將子類實現各個接口即可。這樣既保證了主體程序的完整性，又實現了代碼的復用與程序的擴展。

圖形化顯示程序主要任務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，調用繪圖函數將其顯示于屏幕，同時，每個固定執行周期對窗口上的顯示內容做實時刷新。

3 虛擬仿真實現

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開發的一套圖形化模型側建模平臺。

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、系數的數量、類型、描述、單位定義，以及包括算法的圖標樣式、管腳位置設定等。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系。

仿真模型由模塊搭建連接而成，依據模塊之間的連接關系建立仿真功能塊之間的關聯，進而調用平臺算法庫DLL文件中的程序，從而實現控制邏輯數學模型的建立與運行。

3.2 邏輯轉換應用案例

山西省晉中市榆次區某2×300 MW燃煤熱電廠機組為OVATION控制系統，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下邏輯組態拷屏圖

傳統的DWG格式邏輯翻譯效果較大程度上取決于仿真機研發者掌握的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 界面轉換應用案例

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

圖5 虛擬化界面運行圖

傳統的虛擬界面程序過度依賴具體項目，導致不同項目需要開發不同的虛擬界面程序，否則會導致部分特殊的組態元件在常規虛擬界面中無法精確顯示。

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

4 結論

設計的OVATION系統SVG格式邏輯文件翻譯策略解決了傳統邏輯翻譯策略無法適應新版OVATION系統邏輯備份文件的問題;設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SRC格式文件界面虛擬化策略，有效彌補了傳統虛擬化策略高時間復雜度以及代碼程序無法復用擴展的缺陷。

總之，本文設計的OVATION虛擬仿真技術，縮短了該系統的仿真機研制周期，減少了開發工作量，提高了仿真邏輯的準確度與仿真界面的逼真度，充分體現了該技術的廣闊應用前景。

［1］段新會，姜萍．基于虛擬DCS仿真的控制系統實驗驗證平臺開發 ［J］．電力科學與工程，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仿真新思路 ［J］．電力系統自動化，2005，29(10):73-75．

［3］高叔開．齊次坐標變換在IA系統操作員站仿真中的應用 ［J］．電力科學與工程，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技術研究及實現 ［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的混合仿真系統設計與開發 ［J］．華北電力大學學報，2006，33(4):1-4．

［6］田宏梅，唐黎鋒．OVATION系統在熱電廠中的應用［J］．科技創新導報，2009，20，65-66．

［7］許晨德．基于Ovation系統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，2008．

［8］黃洋．使用AutoCAD讀取Ovation組態圖參數 ［J］．東北電力技術，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，研究方向為應用數學、控制理論與工程，E-mail:wangjihua@ncepu．edu．cn。