基于Simulink代碼生成器的翻譯模擬式虛擬DCS實(shí)現(xiàn)方案

張 旭，鄧志光，彭 韜

（中國核動力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213）

0 引言

DCS 的仿真方法主要有3 種，包括純模擬（Simulation）、虛擬實(shí)物（Emulation）和實(shí)物模擬（Stimulation）[1,2]。采用純模擬的方法，將被仿真DCS 系統(tǒng)的算法邏輯翻譯到另一套仿真平臺，這種方法被稱為翻譯模擬（Translation）[3-5]。翻譯模擬與虛擬實(shí)物和實(shí)物模擬相比具有技術(shù)簡單、成本低的優(yōu)勢；同時，比根據(jù)頂層設(shè)計(jì)，在仿真平臺人工繪制組態(tài)圖的方法，節(jié)約了大量的工作量。

圖1 基于Simulink代碼生成器的翻譯式虛擬DCS流程圖Fig.1 Flow chart of a translating virtual DCS based on Simulink code generator

以Simulink 作為仿真平臺的仿真方法有兩種：一種是以Simulink 作為運(yùn)算內(nèi)核，通過外部程序調(diào)用Simulink 進(jìn)行運(yùn)算；另一種是以Simulink 作為組態(tài)顯示工具及代碼生成器，通過組態(tài)翻譯軟件將DCS 系統(tǒng)的組態(tài)邏輯翻譯到Simulink 上，由Simulink 生成代碼，再將其編譯成*.dll 或*.lib 算法文件，并被周期性調(diào)用，構(gòu)成基于Simulink 代碼生成器的翻譯模擬式虛擬DCS，實(shí)現(xiàn)儀控系統(tǒng)的仿真功能。本文詳細(xì)介紹第二種方法構(gòu)建的翻譯模擬式虛擬DCS。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括兩部分，即虛擬DCS 與Simulink。虛擬DCS 實(shí)現(xiàn)組態(tài)翻譯、代碼編譯、周期調(diào)用算法運(yùn)算等功能。Simulink 實(shí)現(xiàn)組態(tài)畫面顯示、代碼生成等功能。如圖1 所示，其中，虛擬DCS 主要由兩部分組成，即組態(tài)翻譯軟件與運(yùn)算調(diào)度軟件。

基于Simulink 代碼生成器的翻譯式虛擬DCS 系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2 所示。組態(tài)翻譯軟件讀取被翻譯DCS 平臺的組態(tài)文件，按照翻譯邏輯識別，通過向Matlab 發(fā)送命令行的方式，調(diào)用Simulink 繪制算法塊與連接線，構(gòu)成組態(tài)圖；再使用Simulink 作為代碼生成器，把圖形組態(tài)轉(zhuǎn)換為C++代碼，再編譯為*.lib 格式的算法文件。

運(yùn)算調(diào)度軟件既與第三方軟件接口，實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)指令的交互，又周期性調(diào)用算法文件實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，是翻譯模擬式虛擬DCS 的核心模塊。

1.2 Simulink代碼生成器

Simulink 代碼生成器將每個模型（*.mdl）文件對應(yīng)生成一個頭文件（*.h）、一個源文件（*.cpp）以及一個主函數(shù)ert_main.cpp 和類型定義頭文件rtwtypes.h。

圖2 基于Simulink代碼生成器的翻譯式虛擬DCS系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Simulink code generator based translation virtual DCS system architecture

模型代碼的頭文件中內(nèi)容根據(jù)算法不同而異，主要包括模型類的定義以及結(jié)構(gòu)體定義。模型類包括初始化函數(shù)（initialize()）、單步運(yùn)算函數(shù)（step()）、結(jié)束函數(shù)（terminate()）、獲取私有時間相關(guān)模型變量函數(shù)（getRTM()）、構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)、輸入成員變量、輸出成員變量、狀態(tài)成員變量、實(shí)時模型成員變量。結(jié)構(gòu)體定義包括ExtU_ModelName_T、ExtY_ModelName_T、tag_RTM_ModelName_T、DW_ModelName_T，分別表示輸入變量、輸出變量、實(shí)時模型結(jié)構(gòu)體（Real-time Model Data Structure）、算法塊狀態(tài)結(jié)構(gòu)體（Block states）。

Simulink 模型分為Level 1 與Level 0 兩部分，因而代碼也分為Level 1 與Level 0 兩部分。代碼生成過程可由Simulink 自動完成。

1.3 算法文件編譯與調(diào)用

生成代碼的編譯過程可借助Visual Studio 等集成開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)，也可使用GNU-gcc 套件，通過Makefile 來描述工程文件的編譯順序、編譯規(guī)則，并集成在運(yùn)算調(diào)度軟件中。Simulink 模型代碼編譯生成文件的配置類型選擇*.lib 靜態(tài)鏈接庫。編譯后的Level 1 與Level 0 為兩個靜態(tài)鏈接庫。

以C++語言編寫的運(yùn)算調(diào)度軟件為例，調(diào)度函數(shù)引用模型代碼的頭文件并加載靜態(tài)鏈接庫。根據(jù)模型代碼引用的頭文件另外再包含rtwtypes.h 等頭文件。根據(jù)使用到的算法不同，可能用到其它頭文件類型，如rtw_continuous.h、rtw_solver.h。以模型名為Model 為例，具體實(shí)現(xiàn)如下：

#include " Model.h"

#include " Model_types.h"

#pragma comment(lib,"Model.lib")

使用Level 1 或Level 0 模型時可采用靜態(tài)類的形式，如：

static level1ModelClass Level1_Obj;

然后，可通過對該類的成員變量賦值、調(diào)用初始化函數(shù)（initialize()）與單步運(yùn)算函數(shù)（step()）實(shí)現(xiàn)算法調(diào)用。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 周期調(diào)度

圖3 Simulink平臺算法庫Fig.3 Simulink platform algorithm library

圖4 組態(tài)邏輯翻譯示例圖Fig.4 Example of configuration logic translation

軟件的主要流程包括組態(tài)翻譯、算法生成與調(diào)度兩部分，這兩部分相對獨(dú)立。組態(tài)翻譯過程在本文中不詳細(xì)闡述，算法生成過程在上文中已有描述。以簡單的邏輯示例該過程，圖3 為Simulink 平臺建立的算法庫。圖4（a）、圖4（b）分別表示翻譯前的DCS 系統(tǒng)組態(tài)與翻譯到Simulink 平臺的邏輯圖。

算法周期調(diào)度部分流程圖，如圖5 所示。

圖5 算法周期調(diào)度流程圖Fig.5 Algorithm cycle scheduling flowchart

軟件先進(jìn)入初始化階段，讀取Level 1 與Level 0 的IO清單，然后讀取Level 1 與Level 0 變量的對點(diǎn)表。IO 清單包括了包含的變量、變量類型、所在機(jī)箱板卡通道號等信息。對點(diǎn)表分為Level 1 輸出至Level 0 的對點(diǎn)表與Level 0輸出至Level 1 的對點(diǎn)表，該表標(biāo)志了兩個系統(tǒng)間的變量對應(yīng)關(guān)系，在周期運(yùn)行的數(shù)據(jù)同步過程中分別從輸出端向輸入端進(jìn)行數(shù)據(jù)同步[6,7]。

用戶指令線程等待用戶輸入的仿真狀態(tài)改變或執(zhí)行仿真功能的指令。對于退出指令，設(shè)置退出標(biāo)志位，退出本循環(huán)以及其他線程，并結(jié)束程序；對于其他指令，改變記錄仿真狀態(tài)或工況等參數(shù)的靜態(tài)變量的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)將該信息傳遞至其他線程。

周期循環(huán)線程周期性循環(huán)，每周期執(zhí)行用戶輸入的仿真功能并進(jìn)行本周期的算法運(yùn)算。在判斷到退出標(biāo)志位時退出。

Level 0 與Level 1 的數(shù)據(jù)交互通過運(yùn)算調(diào)度軟件實(shí)現(xiàn)，閉環(huán)控制的原理與虛擬DCS 的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)方式如圖6 所示。運(yùn)算調(diào)度軟件解析Level 0 與Level 1 的*.lib 格式的算法文件，生成Level 0 與Level 1 的對象，分別代表反應(yīng)堆與一二回路模型和DCS 控制算法。在非凍結(jié)模式下，運(yùn)算調(diào)度軟件在每周期之初根據(jù)對點(diǎn)表將其中Level 1 去往Level 0 的輸出賦值給Level 0 的輸入，將Level 0 去往Level 1 的輸出賦值給Level 1 的輸入。

2.2 仿真功能

圖6 閉環(huán)控制原理圖與翻譯式虛擬DCS閉環(huán)控制原理圖Fig.6 Schematic diagram of closed-loop control and schematic diagram of translated virtual DCS closed-loop control

可執(zhí)行的仿真功能包括：仿真模式控制類的運(yùn)行、凍結(jié)、加減速運(yùn)行功能，以及仿真指令類的設(shè)置變量值、獲取變量值、保存工況、裝入工況、保存回溯條件、裝入回溯條件、變量超控、通道故障設(shè)置等功能。

運(yùn)行和凍結(jié)狀態(tài)切換在用戶指令線程接收，通過靜態(tài)變量傳遞給周期循環(huán)線程，周期循環(huán)線程在判斷是凍結(jié)狀態(tài)時，不執(zhí)行本周期的Level 1 與Level 0 的數(shù)據(jù)交互和算法運(yùn)算，直接進(jìn)行指令判斷執(zhí)行，并等待本周期時間結(jié)束。加減速功能通過用戶指令線程接收速度因子，傳遞給周期循環(huán)線程，以此計(jì)算本周期總時間。由于算法運(yùn)算的速度很快，因而實(shí)際上速度因子改變的是本周期算法及其它功能執(zhí)行之后的等待時間。

設(shè)置變量值、獲取變量值通過解析Level 1 與Level 0的頭文件，計(jì)算待設(shè)置值或獲取值變量在Level 1 與Level 0靜態(tài)類中的偏移地址，通過指針操作實(shí)現(xiàn)設(shè)置值或取值。

保存工況、保存回溯條件功能通過將當(dāng)前時刻的Level 1 與Level 0 的靜態(tài)類的內(nèi)容保存至物理文件，實(shí)現(xiàn)對該工況的保存。其內(nèi)容包括輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、算法中間數(shù)據(jù)（如時間相關(guān)算法塊的中間數(shù)據(jù)）等。裝入工況、裝入回溯條件的過程與上述過程相反，將數(shù)據(jù)從物理文件寫入Level 1 與Level 0 的靜態(tài)類。

變量超控功能是指中斷或修改Level 0 與Level 1 之間的輸入輸出數(shù)據(jù)。設(shè)置了超控狀態(tài)的變量，在Level 1 與Level 0 交互的過程中，使用超控的變量值代替對方發(fā)來或發(fā)送給對方的數(shù)據(jù)值，以實(shí)現(xiàn)超控功能。

通道故障設(shè)置根據(jù)Level 1 點(diǎn)表中配置的每個變量所在的機(jī)箱、板卡、通道將該變量與虛擬的硬件設(shè)備綁定，設(shè)置通道故障時，其上變量的質(zhì)量位會置壞，實(shí)現(xiàn)故障的模擬。

3 實(shí)例分析

圖7 蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)回路圖Fig.7 Circuit diagram of steam generator water level control system

圖8 工程師站組態(tài)邏輯圖Fig.8 Configuration logic diagram of the engineering station

圖9 Simulink平臺的Level 1控制邏輯圖Fig.9 Level 1 control logic diagram of Simulink platform

以簡化的百萬千瓦級壓水堆核電廠蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)為例，驗(yàn)證系統(tǒng)仿真效果。圖7 為蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)回路圖。

該控制回路可分為Level 1 與Level 0 兩部分。Level 1組態(tài)邏輯在工程師站實(shí)現(xiàn)。以中國核動力研究設(shè)計(jì)院研制的龍鱗（NASPIC）系統(tǒng)為例，在其工程師站繪制Level 1組態(tài)邏輯圖，如圖8 所示。

通過組態(tài)翻譯軟件將其自動地翻譯到Simulink 平臺，形成圖9 所示的Simulink 平臺的Level 1 控制邏輯圖。

Level 0 部分的Simulink 模型由人工在Simulink 平臺繪制，如圖10 所示。

圖10 Level 0部分Simulink模型Fig.10 Simulink model of Level 0

圖11 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Simulation experiment results

如前文所述，Level 1 與Level 0 分別由運(yùn)算調(diào)度軟件調(diào)度，構(gòu)成閉環(huán)仿真系統(tǒng)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11 所示。仿真時水位設(shè)定值0mm 代表額定功率下水位穩(wěn)定的相對值，而非實(shí)際水位。在蒸汽發(fā)生器水位調(diào)節(jié)過程中，驗(yàn)證凍結(jié)、運(yùn)行、設(shè)置變量值、保存與裝入工況等功能，并且能觀察到虛假水位現(xiàn)象。結(jié)果符合預(yù)期。

4 結(jié)論

基于Simulink 代碼生成器的翻譯模擬式虛擬DCS 通過映射翻譯的方法，將DCS 平臺的組態(tài)邏輯翻譯到Simulink，再借助Simulink 作為代碼生成器，將邏輯轉(zhuǎn)換為C++代碼，再由編譯器編譯為*.lib 格式的算法文件，被虛擬DCS 周期調(diào)用。這種借助Simulink 作為代碼生成器的方法降低了軟件開發(fā)工作量，提高了代碼安全可靠性。在周期循環(huán)中，執(zhí)行仿真指令，實(shí)現(xiàn)仿真功能，并且能夠周期性與Level 0進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，滿足全范圍模擬機(jī)的要求。