基于Simulink的翻譯模擬式虛擬DCS仿真功能實現方案

張 旭，鄧志光，彭 韜，彭 浩

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610213）

0 引言

DCS的仿真主要包括3種技術路線，即純模擬（Simulation）、虛擬實物（Emulation）和實物模擬（Stimulation）。除了對實物DCS人機界面和使用的特性要求高的場合（培訓操縱人員），采用純模擬的路線，將被仿真對象的算法邏輯翻譯到另一套仿真平臺，能夠高效地實現仿真效果，且開發周期短、通用性強于虛擬實物路線。這種方法被稱為翻譯模擬（Translation）[1,2]。

基于Simulink的翻譯模擬式虛擬DCS，其周期運算調度有兩種實現形式：一種形式是僅利用Simulink作為代碼生成器，將被翻譯平臺DCS組態翻譯到Simulink上，并利用Simulink生成代碼。經過編譯生成*.dll、*.lib或其他格式的算法文件，再周期性調用該算法文件；另一種形式是虛擬DCS周期性向Simulink發送仿真運算指令(sim())，實現運算功能。兩種形式的虛擬DCS的仿真功能均可在每周期算法運算之后進行處理。本文詳細描述后一種形式的虛擬DCS。

圖1 基于Simulink的翻譯式虛擬DCS系統架構Fig.1 Simulink-based translational virtual DCS system architecture

采用翻譯模擬方法的虛擬DCS應按照國家能源標準NB/T 20015—2010[3]實現仿真功能，具體包括仿真狀態控制、變量值管理、工況相關功能3個方面。本文開發了一種基于Simulink平臺的翻譯模擬式虛擬DCS，實現了上述仿真功能。

1 系統設計與仿真功能實現

1.1 系統設計

基于Simulink的翻譯模擬式虛擬DCS主要由兩部分組成：一部分是組態翻譯軟件，另一部分是管理調度軟件。前者實現從源平臺DCS組態邏輯到Simulink組態邏輯的翻譯，后者實現虛擬DCS的周期運算與仿真功能，包括每周期同步Level 0（工藝系統過程模型）發來的輸入數據，進行本周期的運算，并執行仿真功能。

圖1、圖2分別為基于Simulink的翻譯式虛擬DCS的系統架構圖與軟件流程圖。

組態翻譯完成后，算法調度階段的各步流程如圖3所示。先進行初始化階段，讀取點表、設置Simulink的配置信息與路徑。然后，啟動用戶指令線程、計時線程與周期循環線程。用戶指令線程循環等待用戶輸入指令，通過設置指令標志位與參數等形式將用戶指令傳遞給周期循環線程。周期循環線程每周期調用Simulink進行本周期的運算，同時按照指令標志位和參數執行仿真功能。計時線程對仿真時間計時，與設置快慢速折算后的周期時間比較，發送下一周期開始的指令。

圖2 基于Simulink的翻譯模擬式虛擬DCS軟件流程圖Fig.2 Simulink-based translation analog virtual DCS software flowchart

圖3 算法調度階段流程圖Fig.3 Algorithm scheduling stage flowchart

部分算法邏輯與時間相關，即本次運算結果與上一次或幾次的計算結果相關（如RS觸發器、PID算法塊、回環反饋等）。按照Simulink平臺自身的機制，當設置的仿真時間結束時，會清空上述中間變量，因而不能簡單地通過每周期調用一次Simulink模型進行運算達到預期效果。在初始化階段，通過設置Simulink配置參數，實現系統仿真的連續性。

以C#語言為例，通過命令行的方式，設置Simulink模型的配置參數。設置初始狀態與結束狀態為同一向量，實現上一次仿真的輸出的狀態值能作為下一次仿真的起始狀態，實現多次調度的連續仿真。設置狀態名為xFinal，命令行如下：

command = "set_param(modelName" + ",'InitialState'," +"'xFinal'" + ")";

command = "set_param(modelName" + ",'FinalStateName',"+ "'xFinal'" + ")";

修改計算方式為定步長，ode45算法，其命令行如下：

command = "set_param(modelName" + ",'Solver'," +"'ode45'" + ")";

圖4 系統狀態切換關系圖Fig.4 System state switching graph

圖5 基于Simulink的翻譯模擬式虛擬DCS數據流圖Fig.5 Simulink-based translation analog virtual DCS data flow diagram

1.2 仿真狀態控制

仿真狀態包括運行、凍結、定時長運行，各系統狀態及切換關系如圖4所示。仿真狀態由管理調度軟件控制，程序啟動時，管理調度軟件未向Simulink發出運算指令時，Simulink處于凍結狀態，可通過指令進入運行和定時長運行狀態。同時，還可設置快慢速變速運行。

可通過手動控制在運行和凍結兩種模式之間切換，同時，可由凍結模式進入定時長運行模式。當管理調度軟件發出指定時長的仿真運算時，進入定時長運行模式，并在該時長結束后自動進入凍結狀態。

變速運行指加快仿真運行速度或減慢仿真運行速度。如前文所述，基于Simulink的翻譯式虛擬DCS有兩種形式，即僅使用Simulink作為代碼生成器或使用Simulink作為核心運算單元。前者的算法提前編譯為算法文件，調用時間很短，幾乎可忽略不計，其每周期末的延時時間約等于周期時間；后者需使用Simulink運算，調用時間較慢，而且每周期的運算時間不能做到十分精確，因而需單獨采用計時線程計時。在上一個周期結束后，周期循環線程將被鎖住，等待計時線程發出允許下一周期開始信號。在算法復雜度正常的情況下，Simulink的運算時間一般小于1s，具體時長應考慮實際算法量測試而知。快慢速功能通過改變計時線程的周期計時時長實現。折算后的實際周期時長應大于Simulink的實際運算時間，否則會出現偏差。

1.3 變量值管理

管理調度軟件維護仿真系統對外的數據點表，外部系統對變量賦值和取值通過管理調度軟件實現。變量值分為原始值和超控值，原始值可被實時計算值沖刷代替，超控值不會被實時計算值覆蓋。變量值的數據結構體包括原始值、超控標志位、超控值。實時計算值改變原始值，不改變超控值。當超控標志位為True時，認為超控值為該變量的實際使用數值。

對于賦原始值，管理調度軟件為點表中的該變量結構體中的原始值位置賦值，對于賦超控值，管理調度軟件將該結構體的超控標志位置為True，并為結構體中的超控值賦值。取值時，如果超控標志位為True，則取超控值，反之取原始值。每個周期運算開始時，管理調度軟件按照上述規則向Simulink的輸入變量存儲區寫入輸入數據。

設置變量值是通過管理調度軟件對變量賦值的過程，為了能通過Simulink以外的軟件實現賦值功能，此類型的變量在Simulink中用常量Const算法塊實現。以C#語言為例，通過如下命令行實現設置變量值功能：

command = "set_param('Model_name/" + VariableName +"','Value','" + VariableValue + "')";

1.4 故障模擬

故障模擬實現模擬Level 1平臺某個板卡或某個信號通路故障，導致其對應的輸入輸出信號質量位為壞的情況。

故障模擬由管理調度軟件實現，在管理調度軟件讀取設備組態文件與變量點表，獲取每個變量所在板卡和通道。故障模擬時，改變該通道在管理調度軟件中的狀態記錄，同時向Simulink模型置該變量的質量位為壞。對輸出變量而言，其質量位會被實時計算值沖刷掉，向Simulink模型置變量質量位信息并沒有實際意義。第三方軟件可通過管理調度軟件得到該故障信息。板卡故障可理解為批量設置的通道故障，即某張板卡的故障等效于該板卡上所有通道的變量的故障。

1.5 工況相關功能

根據參考文獻[3]的定義，工況指某時刻的數據狀態，又稱初始條件（Initial Condition），表示可從該狀態開始新一次的實時模擬，由用戶手動保存；回溯條件（Backtrack Condition）表示可重新設置模擬機回到的當前過程前的某一狀態，由系統自動保存。工況文件除非用戶主動刪除，否則永久保存；回溯條件文件在每次仿真關閉系統后失效。

圖5為基于Simulink的翻譯模擬式虛擬DCS的數據流圖。

虛擬DCS以Simulink為計算內核，每個周期計算前，Simulink獲取外部程序輸入值以及Matlab的workspace的輸出變量、時間信息、時間相關變量等存儲區的信息，然后調用Simulink計算內核執行1個周期的仿真計算。如有保存或裝入工況指令，則將workspace的信息寫入或從物理文件讀取。周而復始實現周期的計算以及仿真功能。

圖6 Simulink平臺控制算法圖Fig.6 Simulink platform control algorithm diagram

保存與裝入工況功能是指系統當前的狀態能夠保存在物理文件中，不因軟件停止或關機而丟失，并且能夠按照指令重新裝入系統。正常運行中，Simulink計算內核每周期更新MATLAB的workspace，并在下一周期以此為初始狀態。收到保存工況指令后，管理調度軟件令MATLAB將此時的workspace保存為*.mat格式的物理文件永久保存。裝入工況是將*.mat的系統狀態文件裝回workspace，并在下一周期被系統作為初始狀態使用，實現回到保存時的狀態。

在與Level 0對接成全范圍模擬機（FSS）時，部分寫入Simulink輸入變量存儲區的數值取自Level 0，并由Level 0在每周期末讀取Simulink寫入物理文件的輸出變量值。周期計算指令（定時長運行）由Level 0提供，Level 0每周期向虛擬DCS發送1次Level 0周期時長的定時長指令運行[4]。當Level 0與翻譯模擬機構成的Level 1周期不一致時，周期短的一方將多進行1次或多次的重復計算，但這并不影響最終的仿真結果。

2 實例分析

以簡化的百萬千瓦級壓水堆核電廠蒸汽發生器水位調節系統為例，驗證系統仿真效果。考慮到在FSS中虛擬DCS與過程模型對接的情況，蒸汽發生器水位調節系統拆分為Level 0 與Level 1兩部分，其中Level 1部分采用PI控制器，由源DCS平臺組態翻譯到Simulink平臺后如圖6所示，具體的翻譯過程不在本文中贅述。

與Level 0過程模型對接后形成小型FSS系統，通過兩側的輸入輸出數據交互，形成控制回路。在水位調節過程中，進行仿真功能的操作，包括修改變量值、凍結、保存與裝入工況、設置快慢速等。

圖7 仿真實驗結果Fig.7 Simulation results

如前文所述，僅使用Simulink作為代碼生成器的翻譯模擬式虛擬DCS可在代碼生成后獨立于Simulink使用，而本文采用的以Simulink作為核心運算單元的技術路線需要啟動Simulink軟件，并實時向其發送指令。實驗過程中，可觀察到Simulink按周期接收指令被調用運算。

實驗結果如圖7所示。

由實驗結果可知：仿真結果符合預期，各種仿真功能得到驗證。說明基于Simulink作為運算內核的翻譯模擬式虛擬DCS能夠正確地實現仿真功能，且具備在FSS中與過程模型對接的能力。

3 結論

基于Simulink平臺的翻譯模擬式虛擬DCS借助通用的高可靠性的Simulink仿真平臺作為運算內核，減少了開發內容，降低了開發成本，提高了通用性和結果認可度。通過對Simulink運算數據區的管理和對Simulink平臺的仿真調度，實現了仿真功能。