CN101226564A

CN101226564A - 用于轮机控制仿真的系统和方法

Info

Publication number: CN101226564A
Application number: CNA2008100030497A
Authority: CN
Inventors: K·W·博格斯; A·艾哈迈德; K·D·明顿; C·S·乌杜帕; C·J·赛纳德; B·P·K·; S·戈帕拉克里什南; G·J·莫尔顿
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-01-10
Filing date: 2008-01-10
Publication date: 2008-07-23
Also published as: JP2008170998A; US20080168092A1; KR20080065936A; EP1944663A1

Abstract

用于轮机控制仿真的系统和方法。用于对动态反馈控制系统进行仿真的系统和方法包括经由到共享存储器(112)的公共通道在要仿真的控制器(104)的控制系统逻辑(106)和仿真模型(114)之间建立连接。从存储器检索来自先前仿真的与控制系统逻辑(106)和仿真模型(114)相关的状态数据以初始化另一次仿真运行。然后用定时和控制机构(116)同步与控制系统逻辑(106)和仿真模型(114)相关的状态数据，并且执行控制器的仿真。也可以提供图形用户界面(502)以允许用户调整仿真设置(504)以及用将用在仿真中的输入/输出部件建立新连接。

Description

用于轮机控制仿真的系统和方法

技术领域

本发明通常涉及对控制系统进行仿真的系统和方法，更具体地，本发明涉及对动态反馈控制系统进行仿真的系统和方法。

背景技术

轮机仿真可以被定义为包括半实物(Hardware in the loop)仿真和桌面仿真(Table-Top simulation，也称为非HITL仿真)。动态反馈控制系统的仿真可以分类为是半实物(HITL)仿真或非HITL仿真。HITL仿真系统包括与HITL仿真系统的其他元件进行直接或间接通信的来自被仿真的实际(或目标)控制系统的一些硬件元件。非HITL仿真在仿真系统中不包括来自实际(或目标)控制系统的任何硬件元件。

半实物仿真测试控制系统的所有方面以及附接到那个控制器的输入和输出卡。半实物仿真主要用于由控制系统工程师进行的工厂验收试验(FAT)，以向客户证明控制系统的功能性。在HITL仿真系统的操作中，控制系统接收来自仿真的设备模型的测量的输入信号，执行一定的内部计算，然后向仿真的设备模型输出命令信号。假设在典型的HITL仿真中使用实际控制系统硬件和软件的专用和专有部件，通常以精确控制的间隔高速重复这些操作。然而，由于这些部件设计为根据一组严格的标准进行操作，得到的HITL仿真的动态反馈仿真受到许多操作限制，诸如严格的实时操作、非停止操作，并且执行常在单个预置状态开始。典型地，虽然昂贵，但是半实物是仿真轮机控制的最有时效的方法。

在典型的非HITL仿真中，实际控制系统软件的仿真模型通常经由转换(translation)到与设备模型相同的仿真软件环境中。这个加工设备和控制系统的集成仿真包含许多内在问题，诸如由于转换过程而在仿真的控制系统模型中会出现的潜在错误，由于控制逻辑的仿真而导致的保真度和真实性的丧失，需要其他步骤以将控制系统逻辑转换并嵌入到仿真软件中，并且在仿真过程期间对仿真的控制系统逻辑所作的修改必须从仿真中提取出来并且应用到实际控制系统软件。系统中的保真度指的是仿真和控制以匹配发电设施的运转的能力。

通常，非HITL仿真由控制系统工程师使用，来验证控制系统以预定的正确顺序完成操作。非HITL仿真不包括任何I/O验证。然而，非HITL仿真要求使用培训人，这增加了仿真的开发代价并且限制了高速验证。

为了解决与HITL仿真和非HITL仿真两者都相关的内在缺陷，发电设备控制系统的现代化也对仿真真实控制器升级或在故障检修操作实际上实施到实际控制系统之前仿真维护或故障检修操作，提出了挑战。与更为现代的数字控制系统(DCS)相比，模拟发电设备控制系统相对容易些。提供DCS控制器的精确仿真以为控制系统操作员提供培训场景也更加困难和昂贵。由于DCS系统变得愈加复杂，完全仿真也变得更为困难和昂贵。

发明内容

根据本发明的实施例，公开了一种仿真动态反馈控制系统的方法，其包括经由到共享存储器的公共通道在要仿真的控制器的控制系统逻辑和仿真模型之间建立连接。从存储器中检索与控制系统逻辑和仿真模型相关的来自先前仿真的状态数据以初始化另一次仿真操作。然后用定时和控制机构同步与仿真模型和控制系统逻辑相关的状态数据，并且执行控制器的仿真。

根据本发明的一个方面，该方法进一步包括在执行控制器仿真时，更新至少一部分与仿真模型和控制系统逻辑相关的状态数据，并且将更新的状态数据存储在数据库中。根据本发明的另一方面，该方法进一步包括在执行控制器仿真之前，接受来自图形用户界面的命令，以调整至少一部分与控制器的仿真相关的状态数据。根据本发明的又一方面，该方法进一步包括在执行控制器仿真之前，接受来自图形用户界面的命令，以调整至少一部分与控制器的仿真相关的状态数据。

根据本发明的又一方面，该方法进一步包括在执行控制器仿真之前，接受来自图形用户界面的命令，以调整与控制器仿真相关的至少一个控制系统设置。根据本发明的另一方面，该方法进一步包括接受来自图形用户界面的命令，以对至少一部分所述状态数据进行回归分析以预测未来仿真结果。根据本发明的另一方面，该方法进一步包括接受来自图形用户界面的命令，以对与仿真模型相关的仿真数据进行绘图。根据本发明的又一方面，控制器仿真的执行包括从指定的起始步骤步进到指定的结束步骤，然后停止并等待下一个命令或调用程序。

根据本发明的另一方面，公开了一种准备仿真动态反馈控制系统的方法，其包括经由到共享存储器的公共通道在控制器的至少一部分控制系统逻辑和仿真软件之间建立连接，其中仿真软件包括仿真模型。该方法还接受从图形用户界面接收的命令以在该至少一部分控制系统逻辑和仿真软件之间建立输入/输出(I/O)部件的连接。该方法进一步包括检测(I/O)部件连接中的错误；识别与错误相关的输入和输出信号命名失配；以及校正输入和输出信号命名失配。

根据本发明的一个方面，该方法进一步包括检索与该至少一部分控制系统逻辑和仿真模型相关的状态数据，其中该状态数据与先前仿真相关；对仿真模型和控制系统逻辑进行同步；并且执行仿真。根据本发明的另一方面，该方法进一步包括在执行仿真时，更新与仿真模型和控制系统逻辑相关的状态数据的至少一部分；并且将更新的状态数据存储到数据库中。根据本发明的另一方面，该方法进一步包括接受来自图形用户界面的命令以调整与仿真相关的状态数据。

根据本发明的又一方面，该方法进一步包括在执行仿真之前，接受来自图形用户界面的命令以调整与仿真相关的至少一个控制系统设置。根据本发明的另一方面，该方法进一步包括接受来自图形用户界面的命令以对至少一部分所述状态数据进行回归分析，以预测未来仿真结果。根据本发明的又一方面，该方法进一步包括接受来自图形用户界面的命令以对与仿真模型相关的仿真数据进行绘图。根据本发明的一个方面，仿真的执行包括从指定的起始步骤步进到指定的结束步骤，然后停止并等待下一个命令或调用程序。

根据本发明的又一个实施例，公开了一种用于仿真动态反馈控制系统的系统，其包括与共享存储器通信的仿真软件，其中该仿真软件包括仿真模型。该系统还包括与共享存储器通信的与控制器相关的控制系统逻辑的至少一部分，其中该共享存储器经由公共通道建立到控制器的至少一部分控制系统逻辑和仿真软件的连接。该系统进一步包括与仿真软件和控制器通信的数据库，其中与控制系统逻辑和仿真模型相关的状态数据存储在该数据库中。该系统还包括与控制器和仿真软件通信的定时和控制机构，其中该定时和控制机构对仿真软件和该至少一部分控制系统逻辑进行同步。

根据本发明的一个方面，控制器的控制系统逻辑驻留在与仿真模型相同的操作系统上。根据本发明的另一个方面，该系统进一步包括与该至少一部分控制系统逻辑通信的图形用户界面，用于接受配置或执行仿真的用户命令。根据本发明的又一方面，图形用户界面包括观察窗口菜单，其中观察窗口绘制与一个或多个仿真变量相关的实况数据。根据本发明的又一方面，图形用户界面包括交互仿真菜单，其中该交互仿真菜单提供与仿真的状态数据相关的增加或减小步长的选项。

附图说明

已经笼统地描述了本发明，现在将参考附图，附图并不必按比例绘制，其中：

图1示出了根据本发明的示范性实施例用于对复杂的动态反馈控制系统进行仿真的系统。

图2是旨在建立和执行根据本发明的示范性实施例的仿真的流程图。

图3是示出根据本发明的示范性实施例的结合控制系统仿真器工作的多个部件的仿真软件的概图。

图4示出了根据本发明示范性实施例的示范性控制系统仿真器。

图5示出了本发明示范性实施例的仿真执行用户界面。

具体实施方式

本发明涉及成本有效的基于软件的仿真，与当前HITL和非HITL仿真系统相比，其用更少的时间实现高级功能性以及控制和可操作性的验证。本发明涉及一种仿真系统，其实现半实物(HITL)和非HITI环境两者的优点并且最小化每一个的缺点。本发明涉及称为“虚拟刺激(virtual stimulation)”的过程，其获取DCS的底层源代码，并且移植(port)所述底层源代码以便在低成本计算机平台上运行。本发明的系统和方法提供了一种仿真框架，其组合了非HITL仿真环境的大调试能力和操作灵活性以及实时HITL仿真环境的真实性和可靠性。

本发明提供了一种环境，其中用于特定系统的实际控制系统应用软件可以在仿真执行的控制下对照具有完全调试能力和灵活性的设备的仿真模型来进行测试。控制系统可以实时工作，并且可以不依赖于仿真器进行工作。例如，可以告诉仿真器每一毫秒进行步进，但是仿真器可以假设那是40毫秒的控制器扫描速率。此外，本发明提供一种基于仿真来分析和设计动态反馈控制系统的新能力。这个能力在设计和开发活动期间提供了生产率的改善，并且实现了终端用户培训的技术。

此外，本发明改进了控制系统设计的精度和质量，减少了缺陷，并且允许对要控制的过程的可操作性的更为彻底的研究。使得本发明的仿真平台对设计团队更有效的相同特征，还将提供操作员培训仿真器的基础，允许客户培训他们的操作人员并且达到各种设备的更为有效的操作。本发明还适合于涉及燃气轮机、蒸汽轮机或联合循环发电设备的应用。此外，本发明可以用在多个方面，包括控制系统逻辑开发和验证、机器设计验证、可操作性研究、客户培训、回归分析以及对外贸易/收入。

下面参考根据本发明实施例的系统、方法、设备和计算机程序产品的框图来描述本发明。应理解的是框图的每个框以及框图中框的组合分别可以由计算机程序指令实施。这些计算机程序指令可以装入通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置中以生成一机器，使得在计算机或其他可编程数据处理装置上运行的指令产生用于实施框图的每个框或者框图中框的组合的装置，下面将对其进行详细讨论。

这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读存储器中，其可以引导计算机或其他可编程数据处理装置以特定的方式工作，使得存储在计算机可读存储器中的指令产生包括实施所述(多个)框中指定功能的指令装置的产品。计算机程序指令也可以装入计算机或其他可编程数据处理装置中以促成在计算机或其他可编程装置上执行一系列操作步骤，从而生成计算机实施过程，使得在计算机或其他可编程装置上运行的指令提供用于实施在所述框中指定的功能的步骤。

因此，框图中的框支持用于执行指定功能的装置的组合、用于执行指定功能的步骤与用于执行指定功能的程序指令装置的组合。还应理解的是框图中的每个框以及框图中框的组合可以由执行指定功能或步骤的、专用的基于硬件的计算机系统来实施，或由专用硬件和计算机指令的组合来实施。

本发明可以通过运行在计算机操作系统上的应用程序来实施。本发明还可以用其他计算机系统配置来实施，包括手持设备、多处理器系统、基于微处理器或可编程消费电子产品、微型计算机、大型计算机等。

作为本发明的组成部分的应用程序可以包括实施某些抽象数据类型、执行某些任务、动作或任务的例程、程序、部件、数据结构等。在分布式计算环境中，应用程序(整体地或部分地)可以位于本地存储器或其他存储设备中。此外，或作为备选，应用程序(整体地或部分地)可以位于远程存储器中或其他存储设备中，以允许本发明的实施，这种情况下由通过通信网络链接的远程处理设备执行任务。以下参考附图更充分地描述本发明的示范性实施例，在附图中相似的数字表示整个附图中相似的元件。实际上，这些发明可以体现在许多不同形式中，并且不应解释为限于此处所述的实施例；相反，提供这些实施例以便该公开文本能满足可适用的法律要求。

图1示出了根据本发明示范性实施例的用于对复杂的动态反馈控制系统进行仿真的系统。在本发明的示范性实施例中，要仿真的实时控制系统软件的内部体系结构是已知的，并且源代码可用以进行修改。在本发明的示范性实施例中，控制系统可以驻留在QNX实时操作系统上。作为基于微核的操作系统，QNX以多个小任务的形式运行大多数操作系统。在QNX的情况下，使用微核允许开发者关闭他们不需要的任何功能而不必改变OS本身。控制系统软件是分层产品，其中应用程序在称为运行时间的实用进程层上，该层又在ONX操作系统上。结果，运行时间层用于将应用程序与QNX操作系统的细节隔离。

如图1的示范性实施例中所示出的，本发明包括运行时间环境到诸如Microsoft Windows^操作系统之类的操作系统102的移植。在示范性实施例中，移植运行时间取得QNX特定功能以及控制系统构件(blockware)，并且产生Microsoft Windows^软件封装器(wrapper)，这允许在Microsoft Windows^环境中执行相同的功能。利用运行时间到操作系统102环境的移植，被仿真的控制器104的实际控制系统逻辑106可以作为所仿真的设备的仿真模型驻留在同一PC上。在本发明的示范性实施例中，使用Microsoft Visual Studio设计套件，用C和C++对运行时间和相关应用工具进行编程。这些工具和软件语言与仿真软件包兼容，在Windows^操作系统上执行。

在本发明的示范性实施例中，实时控制系统逻辑106的实施是分层的，最小程度地依赖于主计算机的实时操作系统。控制系统应用软件语言、其支持的开发工具和编程环境与设备仿真软件/模型114的那些兼容。用于实施设备模型的仿真软件/模型114也可以具有支持与其他第三方软件包通信的能力。仿真软件具有将第三方代码合并到所得到的仿真中的灵活装置，在这种情况下包括访问共享存储器的灵活机制，该共享存储器是与第三方软件程序通信的装置。应用程序接口(API)用以实现这个功能。

经由到共享存储器区域的公共通道112建立仿真系统的两个主要部件之间的通信信道，即控制系统逻辑106和仿真软件/模型114之间的通信信道。在图1的示范性实施例中，仿真软件/模型114和与控制系统逻辑106相关的运行时间的Windows^移植都使用共享存储器访问机构112，以用作所仿真的控制器104的控制系统应用软件逻辑106和仿真设备模型之间的通信信道。定时和控制机构116协调并同步仿真设备模型和控制系统逻辑106的执行。数据库机构118在任何时间点保存并恢复执行的仿真的状态，包括所仿真的设备模型和控制系统逻辑106。下面参考图3和4详细讨论所仿真的控制器104的控制系统逻辑106和仿真软件/模型114。

提供了仿真执行图形用户界面以控制和协调仿真系统部件执行的所有方面，所述仿真系统部件包括仿真软件/模型114和控制系统应用软件。仿真模型和控制系统逻辑106的执行控制和同步受仿真执行图形用户界面的影响。仿真执行图形用户界面允许标准控制系统软件工具的可用性，所述标准控制系统软件工具尤其包括工具箱108、趋势记录器以及HMI(人机界面)110，具有与标准实时控制系统平台中的可用特征相同的特征。通过工具箱108和HMI110(诸如GE FanucAutomation North America，Inc.’s Climplicity^Workbench人机界面(Climplicity^HMI))获得对控制系统逻辑106的访问。将参考图5详细讨论图形用户界面的示范性实施例。

从所仿真的控制器104的角度来看，仿真可以分成由它们的用户团体所广泛定义的三组：操作员仿真、需求仿真(RequisitionSimulation)和交互仿真。操作员仿真通常瞄准用户培训，对硬件成本最敏感。在诸如Microsoft Windows^的操作系统上运行的只有软件的解决方案是示范性解决方案。需求仿真支持应用程序代码验证并且需要与外部设备交互的能力，并且支持仿真的I/O和真实I/O的混合。任何时候控制器访问I/O，它都必须驻留在实际硬件中。交互仿真用在内部开发中以及模型和控制算法的分析中。交互仿真通常需要控制应用程序代码调度和先进的调试特征。

图2是旨在建立并执行根据本发明示范性实施例的仿真的流程图。过程开始于步骤202，其中配置HMI(人机界面)。如果需要可以打开HMI和工具箱以查看控制系统软件并改变设置。接着，调用步骤204以通过装载仿真模型、配置用于控制器的仿真器并建立控制系统逻辑到共享存储器的通道，来执行模拟器系统。然后调用步骤206建立控制系统逻辑软件和仿真模型之间的I/O(输入/输出)部件的连接。

在图2示出的本发明的示范性实施例中，调用步骤208以确定是否有任何I/O连接错误。如果在尝试建立连接的过程中检测到有任何错误，则通过仿真执行图形用户界面向操作员发出通知。此外，如果I/O连接有错误，那么步骤210校正错误。错误校正的一个示例包括在对应于导致错误的I/O连接的仿真模型或模拟器控制软件中校正适当的引用名。接着，步骤212存储校正的信息(例如I/O引用名)供将来使用以及用于减少设置时间。如果没有检测到错误并且I/O连接成功，那么调用步骤214装载所仿真的控制器的初始条件或状态数据(或状态文件)以及来自数据仓库的仿真模型。接着，在步骤216执行仿真，然后在步骤218保存状态数据为将来所用。这个特定设置的一个独特方面是该仿真能够存储数据供将来使用以及可能通过本领域普通技术人员了解的各种回归分析方法、基于所存储的数据来学习和预测结果。下面讨论的经由图形用户界面进行的回归分析使用为先前仿真存储的状态数据，来确定对仿真模型各方面和/或仿真设置的调整，以产生更精确的仿真。

图3是示出根据本发明示范性实施例的结合控制系统仿真器工作的多个部件的仿真软件的概图。如图3中所示，本发明的仿真器系统包括与(多个)控制系统仿真器306一起工作的多个部件。仿真器系统的主要部件是控制器模拟器DLL(动态链接库)302，仿真执行310，验证工具308，建模软件312以及外部轮机建模软件或第三方包，诸如AspenTech的Aspen HYSYS^304，如图3中所示。

控制器模拟器DLL302是用作设置和通信仿真环境的所有外部程序的装置的动态链接库。控制器模拟器DLL302使得与控制器模拟器DLL302相关的进程能够使用应用程序编程接口(API)，并且使得外部接口能够从单个进入点与多个进程通信。API是基于程序的调用，其可以由其他程序使用，以获得对程序的特定功能的访问而不需要访问它的源代码。因此，API提供了到其他软件应用程序的控制和监视接口。

控制器模拟器DLL302可以通过指定在建模软件310和仿真器306之间是已知的特定标识号来以协议(contract)的形式建立所有的输入/输出(I/O)连接。控制系统包括模拟或数字(也称为实值或布尔值)的变量。协议形式是与诸如布尔值和/或模拟/实变量的特定信号/变量相关的共享存储器的特定块。在本发明的示范性实施例中，要通过称为“寄存器协议ID”的API让仿真器306知道这些协议。寄存器协议IDAPI将产生将用作附加进程之间的通信装置的共享存储器的块。

在本发明的示范性实施例中，控制器模拟器DLL302向所有外部程序展示运行命令API，以实现到仿真器306的单个进入点，并且使得建模接口实现同步运行。控制器模拟器DLL302也可以向调用程序展示全局停止命令API。当执行该停止命令时，其关闭所有从属进程并且销毁那个进程所附带的所有窗口。此外，控制器模拟器DLL302可以展示步进命令(step command)，该步进命令将使所有附带进程步进调用程序提供的步数。附带进程都是当执行诸如仿真模型、仿真器等的仿真时启动的操作系统(例如Microsoft Windows^)进程。当执行步进命令时，所述仿真从指定的起始步骤“步进”到指定的结束步骤，然后停止并等待下一个命令或调用程序。

控制器模拟器DLL302还可以展示保存命令，该保存命令将触发控制器模拟器所附带的每个进程的所有变量的全局保存，调用程序除外。而且，保存命令可以接受来自调用进程的标志，该标志标识控制器模拟器DLL302应该保存数据的格式(通过变量、数据转储(datadump)等)。此外，控制器模拟器DLL302可以展示恢复命令，该恢复命令将触发除了调用程序之外的控制器模拟器DLL302附带的每个进程的所有变量的全局恢复。另外，恢复命令可以接受来自调用进程的标志，该标志标识是否应该通过变量或数据转储来进行恢复。数据转储是所有变量的二进制恢复。该恢复假设正运行的软件没有发生任何改变。通过变量进程(variable process)的恢复一次一个地在软件系统内将已知值写到每个单独的信号名称。

控制器模拟器DLL302也可以展示暂停命令，暂停命令触发所有控制器模拟器DLL302附带的进程的全局暂停。在暂停状态期间，这些附带进程等待来自控制器模拟器DLL302的重新开始命令或步进命令。控制器模拟器DLL302也可以展示除了调用进程的所有附带进程的已命名变量信号列表。此外，识别附着了该列表的设备(即轮机控制系统燃气轮机模型，G1，S1等)。这个展示不干扰仿真环境的正常操作。控制器模拟器DLL302应该展示I/O-报告API，该I/O-报告API将列出在所附进程中的所有输入/输出名称。这使得调用进程能够识别通信进程之间的任何失配。

控制器模拟器DLL302也可以展示这样的API，其使得调用程序能够在指定变量上拴上仿真标志并且将用户定义值写到该变量。这可以用于故障注入。例如，用户可以向控制系统写入有故障的速度信号，看控制系统如何反应。这个仿真命令直接通信到控制系统仿真器306。控制器模拟器DLL302也可以向调用程序展示这样的API，其使得终端用户能够读写单个模拟或数字变量以及附于控制系统仿真器306的强制逻辑(force logic)。这些读、写和强制逻辑命令也是直接通信到控制系统仿真器306。

验证工具308是包括下述部件GUI(图形用户界面)，所述部件在仿真系统上模拟、绘图、自动操作以及执行回归分析。验证工具308也可以包括仿真执行310的基本功能。验证工具308可以包括HMI仿真、绘图、自动操作以及回归分析。HMI仿真使得终端用户能够运行发电设备仿真的基本功能而不需要在其PC上安装诸如Cimplicity^HMI软件的HIMI软件。绘图允许终端用户在同一图中绘制来自仿真模型310和控制系统的数据。它还给予终端用户在控制系统逻辑的证实/验证中使用的分析工具。自动操作包括标准的列表/组合框，其使得用户能够插入他们想要完成的特定动作。而且，自动操作给用户提供了以标准的文本格式写脚本以输入到验证工具308中的能力。除了这个输入功能，初学的用户可以选择从图形用户界面写脚本并进行保存。程序对这个数据进行解析，并将其以正确的格式输入到存储器中用于自动操作。验证工具使得能够使用由轮机控制系统使用的标准趋势格式/工具(trending format/tool)。验证GUI也与所有控制器模拟器DLL API一起被预先使能。

在本发明的示范性实施例中，在验证工具308和当前用于发电设备数据分析的数据分析工具之间有直接接口。这个接口是一API调用，其将绘图数据和签名数据传递给主程序，主程序对比其对应的签名分析该图，并返回基于与均值的偏差的结果。边界可以由用户在程序启动之前设定。签名数据是已经从先前仿真或发电设备操作采集的并且已经被证实有效且是发电设备的正确操作的数据。

建模软件312是仿真系统的附加部件和开支。通过使用预生成(pre-build)进程，模型可以被编译为与独立的模型，并且减少或消除了与建模过程相关的某些开支。在本发明的示范性实施例中，MSC软件Easy5建模软件可以用作发电设备仿真开发的组成部分，并且将源代码编译为独立的供用户仿真。这是独立于模拟器系统的工具。Aspen HYSYS^304是交互过程建模方案，其使得工程师能够为设备设计、性能监测、故障检修、操作改进等产生稳定状态模型。AspenHYSYS^是通过控制器模拟器DLL与仿真软件进行双向通信的外部软件。

在本发明的示范性实施例中，仿真器系统还可以包括I/O配置工具，其将帮助终端用户向模型和所仿真的控制器输入信号名称，以及从模型和所仿真的控制器输出信号名称。这个工具可以识别失配的名称并且给予用户输入新名称的能力。在用户已经解决所有命名或数据类型失配之后，他们将有保存配置供将来使用的选择权。这个数据可以回馈到仿真执行310中，并且在询问用户输入之前用在未来的设置中。也可以使该工具向后兼容桌面(非HITL)仿真。

模拟器系统还可以在启动/设置过程中分析系统以确定在任何运行周期中可以达到的最大速度。这个数字然后可以放入仿真执行310中，作为在发电设备仿真期间可以达到的时间步的规格上限(USL)。还可以给予用户增加或减少到USL的时间步的能力。

图4示出了根据本发明示范性实施例的示范性控制系统仿真器。如图4中所示，该示范性实施例是多个软件单元的组合，它们一起通信以实现平台之间的通用性。在本发明的示范性实施例中，仿真器是对一个或多个控制器的一些基本功能进行仿真的一组软件可执行体。使用工具箱402对仿真器进行配置，就像实际的控制器一样。应用程序接口(API)提供了对变量空间(vardef)406的直接访问，以便可以由外部软件模型驱动输入和输出信号。API404为其他Windows^软件应用程序提供了控制和监测接口。

工具箱配置和监测接口是建立在TCP/IP套接字库上的。这提供了标准化层，其允许在没有任何改变的情况下使用工具箱402，即使当它在与模拟器/仿真器相同的PC上执行时。仿真器依赖于工具箱402产生符号表以进行状态变量恢复和通过名称的变量访问。在本发明的示范性实施例中，对于用在控制器中的所有信号(或变量)，符号表包括以下字段：完整的信号名称、地址令牌、初始/当前值。套接字是Microsoft Windows^环境中可用于通过TCP/IP协议进行通信的标准功能部件。如图4中所示，工具箱ST是用于配置/修改轮机控制逻辑的GE专有控制系统软件GUI。在本发明的可选实施例中，可以使用其他GUI。

也支持SDI408协议和配置文件。SDI是用于控制器和工具箱之间通信的GE专有协议，当然可以实施其他通信协议。为每个模式产生独立的Pcode扩展器410。Pcode扩展器410是读取二进制语言并且解释控制系统应该如何操作的软件解译器。每个Pcode扩展器410生成公共的配置信息集以驱动构件(blockware)引擎412。构件(blockware)引擎412是在其上执行控制系统程序化(sequencing)的仿真的控制器逻辑。不需要或不支持的来自工具箱402的任何配置信息可以被Pcode扩展器410忽略，并且按需要向工具箱402确认成功。一组构件库414可以支持多个仿真器模式，因为它们之间只有微小的数据类型变化。构件库414是在建立控制系统逻辑(例如Rung Ladder Diagram PLC逻辑)时使用的标准函数集合。

应用程序变量空间(vardef)406可以被实施为全局存储区域。变量空间是仿真器存储变量值的存储块。通过API404要求快速访问，用于存储、恢复和回溯操作。目标是小于100ms的存储时间。仿真器可以保持在vardef406中不存在的应用程序代码。

从工具箱402到仿真器的在线装载应该保持vardef406的状态，除了如命令所指示的那样初始化新的或所有的变量。在本发明的示范性实施例中，对在线装载没有性能要求、同步要求或外部数据产生要求。所有这些实际控制器支持的特征都可以在模拟器中折衷，只要vardef406的保持相对于真实控制器是精确的。术语折衷指的是修正的控制逻辑的初始化及其对轮机控制操作的影响。如果添加的新逻辑将在轮机上产生不利影响，那么则禁止在线下载。当涉及实际控制器时，术语折衷意味着仿真的控制器将具有同实际控制器一样的功能。

仿真器保存可经由工具箱402访问的感兴趣的变量。在本发明的示范性实施例中，感兴趣的变量包括只读状态信息。感兴趣的变量可以是用户选择在仿真执行期间监测的任何变量。在本发明的一些示范性实施例中，可以通过特殊令牌来访问感兴趣的变量，而在其他示范性实施例中可以通过固有的变量方法访问感兴趣的变量。这指的是通过令牌地址(存储器地址空间)或变量名称的访问。虽然可以让操作员访问感兴趣的变量，但是仿真器可以保持这些变量的其中一些，这样工具箱402不显示有关控制器的引起混淆的或错误的信息。可以在启动时将许多变量值设置为缺省状态，然后就置之不理。可以支持至少两个读变量命令。一个读变量命令可以提供通过符号名称的访问，第二个读变量命令可以提供通过令牌的访问。读变量命令可以支持每次访问多个变量。也可以支持至少两个写变量命令。一个写变量命令可以提供通过符号名称的访问，第二个写变量命令可以提供通过令牌的访问。这些命令可以支持每次访问多个变量。

与发电设备控制系统一起使用的网络通信协议(诸如GE的以太网全局数据(EGD)协议)可以从应用程序代码分离，或者在每帧之后由应用程序的输出线程驱动。EGD是用于与HMI通信的TCP/IP协议。产生EGD交换地图，由EGD服务416周期性地发送，而不管其是否被应用程序代码更新。

此外，在图4中示出的示范性实施例中，仿真器支持由简化的警报扫描器实现的简单警报队列。本发明的实施例用API实施警报队列，而其他实施例可以支持特定于控制器的警报协议。在本发明的示范性实施例中，可以为简单的进程警报功能提供接口。转储请求返回队列上的进程警报。转储请求是在等待来自外部进程的命令的HMI进程内运行的异步协议。转储请求是一个告诉警报管理器使其所有现有警报提示调用程序的命令。可以对队列中的单个警报和所有警报支持确认和复位命令。在本发明的另一个实施例中，可以为简单的保持警报(holdalarm)功能提供接口。转储请求返回队列上的保持警报。再次，可以对队列中的单个警报和所有警报支持确认和复位命令。

仿真器还可以支持数据采集420，诸如捕获块(capture block)和动态数据记录器等。捕获块所需要的存储器可以从堆存储器或另一个存储单元分配。在本发明的示范性实施例中，来自捕获块的数据只可以通过传统的SDI接口408访问，而不能通过API404访问。在本发明的可选实施例中，可以按照要求为所需仿真开发和部署训练器。训练器可以是这样的PC或其他公共硬件平台，其用来驻留在实际控制器中运行的相同软件，但是具有诸如缺少对本地I/O的支持的不利特征或者冗余特征。

使用各种命令来配置模拟器。这些命令可以包括选择所仿真的控制器的模型类型(例如GE Mark VI数字控制系统(DCS)或GE MarkVie DCS等)，选择运行模式(例如，实时-调度时钟以帧速率运行，或者尽可能最快的-blockware412首尾相接地在死循环中执行)，或者配置目录(例如，符号表文件的位置、错误日志等)。如果可用，在启动时应装载符号表。如果没有装入该表，所有需要符号表的API命令将出错。根据运行命令，调度时钟源422连接到构件引擎412，拾取其最后停止的仿真时间。根据停止命令，调度时钟源从构件引擎412断开，有效地停止仿真时间。在单步模式中，执行应用程序代码的一帧，然后停止。

在图4的示范性实施例中，仿真器能够通过名称而不是地址(即令牌)来保存和恢复变量，以允许跨越主应用程序代码变化保存和恢复控制器状态信息。在本发明的示范性实施例中，仿真器通过以原始形式捕获整个vardef406来保存控制器的状态，然后将该捕获与特定的符号表文件相关，以实现快速保存时间。

回溯操作是在其中没有主应用程序代码变化(即vardef406还没有改变)的控制器内的状态条件的初始化。可以通过用原始保存的值重写vardef406来完成回溯操作。恢复操作表示在恢复之前可能已经发生了主应用程序代码改变。大量复制vardef406是不够的，因为其布局可能已经发生改变。为了确保将vardef406恢复到希望的状态的最佳机会，仿真器(1)将vardef406置零；(2)装入现有的符号表和被请求的恢复符号表；以及(3)对两个符号表中的每个信号，使用在被请求的恢复符号表中找到的值和令牌初始化变量。

仿真GUI424可以是仿真执行的第三方开发者的参考设计。仿真GUI424也可以包括仿真器支持的每个API调用的工作实例(workingexample)。下面将参考图5更详细地讨论仿真GUI。

图5示出了根据本发明示范性实施例的仿真执行用户界面502。仿真执行用户界面502是控制到仿真系统的所有API的图形用户界面(GUI)。仿真执行用户界面502可以包括各种方便使用的菜单项。这些菜单项可以分成各种工具栏/可扩展的设置菜单，并且包括嵌套子菜单，诸如仿真菜单504、非实时子菜单506、观察窗口508等。也可以包括本领域普通技术人员可以理解的其他子菜单，诸如图5中示出的帮助子菜单510。

在图5的示范性实施例中，各种工具栏菜单可以提供对在典型windows GUI上存在的基本项的访问，所述基本项包括但不限于“New(新建)”菜单项——用于创建新仿真，“Save(保存)”菜单项——用于保存当前状态下的当前仿真，“Open’(打开)”菜单项——用于装入现有仿真等。工具栏菜单还可以包括没有在图5的示范性仿真执行用户界面502中示出的命令，诸如运行、停止、暂停、继续、保存和恢复。也可以定制工具栏菜单以为用户提供对各种设置选项和命令的访问，以配置仿真运行或分析现有(或先前存储的)仿真。可以调整的可能设置的示例是时间步、通过步进命令的执行控制，以及暂停和继续所有进程。

在图5的示范性实施例中，仿真子菜单504包括菜单项(或按钮)创建新仿真(Create New)、打开现有仿真(Open Existing)等。创建新仿真项打开GUI，以创建新仿真配置，该新仿真配置包括将要在仿真中配置的设备名称、分配给每个设备以及HMI的网络地址、单位数据高速通道(UDH)以及设备数据高速通道(PDH)网络地址。UDH是用在发电设备中在所有发电设备装置之间传输数据的数据分配TCP/IP协议。PDH是连接客户网络到他们的发电设备硬件的分配TCP/IP协议。在可选实施例中，创建新仿真或打开现有仿真GUI项还可以包括自动配置网络地址复选框，以允许用户将所有上述提到的地址指定给特定的NIC(网络接口卡)卡分配。仿真子菜单504还可以具有连接到仿真系统的有规律地受监测的每个装置的状态指示符。在本发明的示范性实施例中，当装置没有启动时状态指示符显示红色状态，当装置运行时显示绿色状态。

其他未在图5中示出的命令按钮可以添加到仿真子菜单504中，以提供其他功能，诸如“开始仿真(Start Simulation)”，其启动仿真系统所附带的所有进程；“关闭仿真(Close Simulation)”，其销毁所有窗口以及仿真系统附带的进程；“重启控制器(Reboot Controller)”，其使仿真器的进程进行循环；“取消(Cancel)”，其关闭GUI并且将用户带回主屏幕；“保存(Save)”，其保存用户输入的配置；“恢复(Restore)”，其从先前存在的设置文件恢复配置。也可以实施本领域普通技术人员可以理解的其他命令。

交互仿真(Interactive Simulation)子菜单允许访问包括用于保存、暂停、恢复和步进功能的菜单项的其他子菜单。在本发明的示范性实施例中，非实时子菜单506使得用户能够通过使用滑条或其他界面(例如按钮、文本框等)来增加和减小仿真的步长。除了上述，非实时子菜单506可以包括诸如列表框的功能，所述列表框将存储所有保存的状态的名称和文本以及路径/位置和用户添加的关于仿真的任何评论。图5的示范性仿真执行还具有到验证工具的直接链接，所述验证工具在某些实施例中可以是独立的程序。

如图5中所示，也可以被包括“观察窗口”子菜单508，其可以具有提示用户是想要查看模型还是控制系统变量的浏览按钮。模型和控制系统变量可以由组合/列表框功能分离，这使得用户能够容易地从他们的源查看变量。组合/列表框是分开的GUI界面，其使得终端用户能够在用户屏幕上的独立栏中查看来自附带进程的所有变量。除了这个功能，观察窗口子菜单508可以提供改变并没有被写入的任何模拟(真实)值的值以及在控制器内人工转移(force)任何逻辑的能力。此外，观察窗口子菜单508还可以提供选择观察列表中的所有信号的能力并且具有绘制实时数据的选项。

受益于以上描述以及相关附图中的教导，本发明所属技术领域的技术人员将会想到此处所述的本发明的许多修改和其他实施例。因此应理解的是本发明并不限于公开的具体实施例，修改和其他实施例都打算包括在随附权利要求的范围内。虽然此处采用了具体的术语，但是它们仅用于一般的、描述性的意义，而不是为了限制的目的。

部件列表

102操作系统

104所仿真的控制器

106控制系统逻辑

108工具箱

110HMI

112共享存储器通道

114仿真软件/模型

116定时&控制

118数据库

202框

204框

206框

208框

210框

212框

214框

216框

218框

302控制器模拟器DLL

304ASPEN/HYSYS

306控制系统仿真器

308验证工具

310仿真执行

312建模软件

402工具箱

406vardef

408SDI

410Pcode扩展器

412构件引擎

414库

416EGD服务

418警报扫描器

420数据采集

422调度器

424仿真GUI

502执行用户界面

504仿真子菜单

506非实时子菜单

508观察窗口子菜单

510帮助子菜单

Claims

1.一种对动态反馈控制系统进行仿真的方法，包括：

经由到共享存储器的公共通道建立控制器的控制系统逻辑的至少一部分和仿真模型之间的连接；

检索多个与控制系统逻辑和仿真模型相关的状态数据，其中所述状态数据与先前的仿真相关；

用定时和控制机构同步所述多个与控制系统逻辑和仿真模型相关的状态数据；以及

执行控制器的仿真。

2.权利要求1的方法，进一步包括：

在执行所述控制器的仿真时，更新与仿真模型和控制系统逻辑相关的状态数据的至少一部分；并且在数据库中存储更新的状态数据。

3.权利要求1的方法，进一步包括：

从图形用户界面接受命令，用于对状态数据的至少一部分执行回归分析以预测未来仿真结果。

4.权利要求1的方法，其中控制器的仿真的执行包括从指定的起始步骤步进到指定的结束步骤，然后停止，并且等待下一个命令或调用程序。

5.一种准备仿真动态反馈控制系统的方法，包括：

经由到共享存储器的公共通道在控制器的控制系统逻辑的至少一部分和仿真软件之间建立连接，其中所述仿真软件包括仿真模型；

接受从图形用户界面接收的命令，以在控制系统逻辑的所述至少一部分和该仿真软件之间建立输入/输出(I/O)部件的连接；

在所述(I/O)部件连接中检测错误；

识别与所述错误相关的输入和输出信号命名失配；以及

校正所述输入和输出信号命名失配。

6.权利要求5的方法，进一步包括：

检索与控制系统逻辑的所述至少一部分和所述仿真模型相关的多个状态数据，其中所述状态数据与先前的仿真相关；

同步仿真模型和控制系统逻辑；以及

执行仿真。

7.权利要求5的方法，进一步包括：

从图形用户界面接受用于调整与仿真相关的状态数据的命令。

8.权利要求5的方法，进一步包括：

在执行仿真之前，从图形用户界面接受用于调整与仿真相关的至少一个控制系统设置的命令。

9.一种用于对动态反馈控制系统进行仿真的系统，包括：

与共享存储器通信的仿真软件，其中所述仿真软件包括仿真模型；

与控制器相关的控制系统逻辑的至少一部分，所述控制器与所述共享存储器通信，其中所述共享存储器经由公共通道建立到控制器的控制系统逻辑的至少一部分和仿真软件的连接；

与仿真软件和控制器通信的数据库，其中与控制系统逻辑和仿真模型相关的多个状态数据存储在该数据库中；以及

与控制器和仿真软件通信的定时和控制机构，其中所述定时和控制机构使仿真软件和控制系统逻辑的所述至少一部分同步。

10.权利要求9的方法，进一步包括与控制系统逻辑的所述至少一部分通信的图形用户界面，用于接受配置或执行仿真的用户命令。