電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)半實(shí)物仿真測(cè)試技術(shù)分析

導(dǎo)語(yǔ)：電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)半實(shí)物仿真測(cè)試技術(shù)分析一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：介紹了一種船舶電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的半實(shí)物仿真測(cè)試技術(shù)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備與被控對(duì)象數(shù)學(xué)仿真模型對(duì)接，開(kāi)展半實(shí)物仿真測(cè)試試驗(yàn)，從而提高監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試工作效率。該技術(shù)方案利用Matlab/Simulink的強(qiáng)大功能對(duì)船舶電網(wǎng)監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和實(shí)時(shí)仿真，采用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)備與被控對(duì)象的數(shù)學(xué)仿真模型互聯(lián)互通，從而構(gòu)建了半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)。重點(diǎn)說(shuō)明了半實(shí)物仿真測(cè)試的工作原理、技術(shù)方案及工作流程，并展望了其應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：船舶電網(wǎng)；監(jiān)控系統(tǒng)；半實(shí)物仿真；Matlab/Simulink；OPC

船舶電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)船舶電網(wǎng)的綜合監(jiān)控、綜合控制、綜合報(bào)警及安全保護(hù)，是確保船舶電網(wǎng)可靠、安全運(yùn)行的重要屏障［1］。隨著現(xiàn)代船舶電網(wǎng)容量日益增大，電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)涉及的監(jiān)控對(duì)象數(shù)量更多、信息及控制流程愈加復(fù)雜，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試工作量很大。電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)在上船安裝之前，通常需開(kāi)展陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，對(duì)控制系統(tǒng)的功能、性能進(jìn)行測(cè)試和校核。目前的陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)一般采用實(shí)物設(shè)備對(duì)接的形式［2］，需電網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備以及電網(wǎng)被控對(duì)象設(shè)備全部生產(chǎn)制造完成并安裝到位后才能開(kāi)展。由于參試設(shè)備數(shù)量多、特別是電網(wǎng)設(shè)備廠家不同且生產(chǎn)進(jìn)度不一，采用實(shí)物設(shè)備對(duì)接形式開(kāi)展陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)的工作量較大、所需資源較多、進(jìn)度管理難度較大；另一方面，隨著船舶電網(wǎng)容量不斷增大，電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)也在不斷應(yīng)用新技術(shù)以滿足日益嚴(yán)格的監(jiān)控需求，對(duì)于新研發(fā)的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，其潛在的系統(tǒng)匹配性方面的設(shè)計(jì)缺陷往往只能在陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)階段才有機(jī)會(huì)暴露，由于此時(shí)的監(jiān)控設(shè)備、電網(wǎng)設(shè)備均已完成生產(chǎn)制造，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，各設(shè)備修改、返工的代價(jià)較大。所以，傳統(tǒng)的實(shí)物設(shè)備對(duì)接形式的陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)技術(shù)方案可能導(dǎo)致船舶電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)和試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高，進(jìn)而影響船舶建造工期和經(jīng)濟(jì)性，難以滿足現(xiàn)代船舶大容量電網(wǎng)應(yīng)用需求。為解決上述問(wèn)題，本文介紹了一種船舶電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的半實(shí)物仿真測(cè)試技術(shù)，利用Matlab/Simulink的強(qiáng)大功能對(duì)船舶電網(wǎng)監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和實(shí)時(shí)仿真，采用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)備與被控對(duì)象的數(shù)學(xué)仿真模型互聯(lián)互通，從而構(gòu)建了半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)。在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)階段，即可同步開(kāi)展系統(tǒng)聯(lián)調(diào)半實(shí)物仿真測(cè)試，從而大幅提高監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試工作效率。本文對(duì)其工作原理、技術(shù)方案、工作流程及應(yīng)用前景等進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

1半實(shí)物仿真測(cè)試工作原理

如前文所述，船舶電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)半實(shí)物仿真測(cè)試的技術(shù)要點(diǎn)主要包括兩個(gè)方面：一方面是針對(duì)電網(wǎng)被控對(duì)象設(shè)備，構(gòu)建實(shí)時(shí)仿真數(shù)學(xué)模型；另一方面是將監(jiān)控實(shí)物設(shè)備與電網(wǎng)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型互聯(lián)互通，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)半實(shí)物仿真測(cè)試。針對(duì)第一方面，主要利用Matlab軟件中的Simulink仿真平臺(tái)構(gòu)建電網(wǎng)被控對(duì)象設(shè)備的實(shí)時(shí)仿真數(shù)學(xué)模型。Simulink下屬的SimPowerSystems模塊集提供了豐富的電力系統(tǒng)元件模型，如變壓器、線路、各種類型的電機(jī)和電力電子元件等，應(yīng)用Matlab/Simulink的強(qiáng)大仿真能力能夠快速容易地建立起電網(wǎng)各設(shè)備的仿真模型［3-6］。關(guān)于電網(wǎng)仿真建模方法與過(guò)程已有大量科技文獻(xiàn)論述，本文不再贅述。第二方面，如何實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)監(jiān)控實(shí)物設(shè)備與Matlab數(shù)學(xué)仿真模型的互聯(lián)互通，是系統(tǒng)聯(lián)調(diào)半實(shí)物仿真測(cè)試的難點(diǎn)。本文介紹了一種基于OPC（OLEforProcessControl）技術(shù)的解決方案。OPC是一套工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為基于Windows平臺(tái)的應(yīng)用程序與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間建立了溝通橋梁［7］。OPC采用客戶端（Client）/服務(wù)器（Server）模式，一個(gè)OPC服務(wù)器由三類對(duì)象組成，即：服務(wù)器（Server）、組（Group）、數(shù)據(jù)項(xiàng)（Item）［8］。圖1為基于OPC技術(shù)的半實(shí)物仿真測(cè)試原理框圖。圖1中，OPC服務(wù)器用于實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控實(shí)物設(shè)備對(duì)接，并應(yīng)用Matlab/Simulink軟件的OPCClient工具模塊實(shí)現(xiàn)Matlab數(shù)學(xué)仿真模型與OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互，同時(shí)設(shè)有工程師站計(jì)算機(jī)對(duì)半實(shí)物仿真過(guò)程實(shí)施監(jiān)控。其基本工作原理為：工程師站計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令，啟動(dòng)Matlab數(shù)學(xué)仿真模型運(yùn)行，仿真模型的運(yùn)行參數(shù)通過(guò)MatlabOPCClient傳送給OPC服務(wù)器；監(jiān)控設(shè)備從OPC服務(wù)器讀取仿真模型運(yùn)行參數(shù)，按照設(shè)定邏輯向OPC服務(wù)器發(fā)出控制指令，MatlabOPCClient從OPC服務(wù)器讀取控制指令并傳送給Matlab數(shù)學(xué)仿真模型；Matlab數(shù)學(xué)仿真模型接收控制指令后改變運(yùn)行狀態(tài)，并將新的運(yùn)行參數(shù)經(jīng)由MatlabOPCClient回傳給OPC服務(wù)器，最終反饋給監(jiān)控設(shè)備。因此，在監(jiān)控設(shè)備與Matlab數(shù)學(xué)仿真模型之間，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備監(jiān)控指令和仿真模型運(yùn)行狀態(tài)反饋信息之間的閉環(huán)，為開(kāi)展半實(shí)物仿真測(cè)試奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)方案

電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)由綜合顯控臺(tái)、電網(wǎng)監(jiān)控箱、仿真數(shù)據(jù)源計(jì)算機(jī)、電網(wǎng)模擬屏、工程師站計(jì)算機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等組成，其連接示意圖如圖2所示。其中，綜合顯控臺(tái)和電網(wǎng)監(jiān)控箱是電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的核心設(shè)備，用于實(shí)施船舶電網(wǎng)監(jiān)控；仿真數(shù)據(jù)源計(jì)算機(jī)安裝了Matlab軟件和OPC服務(wù)器軟件，用于運(yùn)行電網(wǎng)被控對(duì)象數(shù)學(xué)仿真模型和實(shí)現(xiàn)OPC服務(wù)器功能；電網(wǎng)模擬屏用于提供電網(wǎng)架構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)的圖形化顯示，并具備電氣I/O接口、現(xiàn)場(chǎng)總線接口、以太網(wǎng)接口等，與綜合顯控臺(tái)、電網(wǎng)監(jiān)控箱及仿真數(shù)據(jù)源計(jì)算機(jī)對(duì)接；工程師站計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接口與仿真數(shù)據(jù)源計(jì)算機(jī)連接，用于控制電網(wǎng)仿真模型運(yùn)行以及仿真模型的開(kāi)發(fā)、測(cè)試和維護(hù)。圖2電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)連接圖圖2中的電網(wǎng)模擬屏和仿真數(shù)據(jù)源軟件是半實(shí)物仿真測(cè)試的關(guān)鍵組成部分。其中，電網(wǎng)模擬屏應(yīng)用AB公司Compact-LogixPLC模塊，一方面驅(qū)動(dòng)模擬屏上的數(shù)碼管、指示燈及模擬圖形顯示，另一方面提供電氣I/O接口、DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線接口分別與綜合顯控臺(tái)、電網(wǎng)監(jiān)控箱的硬接線控制通道、總線控制通道連接；同時(shí)ABPLC還提供以太網(wǎng)接口與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接。仿真數(shù)據(jù)源計(jì)算機(jī)需配置Matlab7.0以上版本的軟件，一方面實(shí)現(xiàn)船舶電網(wǎng)數(shù)學(xué)建模和仿真運(yùn)行，另一方面提供OPCClient功能，OPC服務(wù)器軟件同樣安裝于該計(jì)算機(jī)。雖然世界上主流的硬件廠商都針對(duì)各自的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)了專用的OPCServer軟件，如ABPLC的RSLinx、西門(mén)子PLC的SimaticNet等，為實(shí)現(xiàn)通用性，減少專門(mén)定制軟件的種類和相應(yīng)采購(gòu)、運(yùn)維費(fèi)用，本文采用了文獻(xiàn)［9］提供的通用OPCServer技術(shù)方案，應(yīng)用Kepware公司的KEPServer軟件實(shí)現(xiàn)OPC服務(wù)器功能。KEPServer嵌入了100多種通信協(xié)議，涵蓋了當(dāng)今世界上所有主流控制器型號(hào)。不僅如此，它還能通過(guò)下載新的驅(qū)動(dòng)程序插件進(jìn)行功能擴(kuò)展，從而適應(yīng)不斷推陳出新的技術(shù)發(fā)展需求［10-11］。以ABPLC為例，在KEPServer的通道配置中選擇ABPLC的型號(hào)及通信接口類型，并配置變量名一一對(duì)應(yīng)ABPLC的寄存器地址即可實(shí)現(xiàn)KEPServer與ABPLC的聯(lián)通，OPC客戶端只需訪問(wèn)KEPServ-er中的變量名即可實(shí)現(xiàn)對(duì)ABPLC相應(yīng)寄存器的讀寫(xiě)。其它品牌的控制器均能通過(guò)類似的簡(jiǎn)便方法實(shí)現(xiàn)與KEPServer的數(shù)據(jù)交互。另外，Kepware公司還提供了U-CON軟件，能夠支持用戶自定義通信協(xié)議，并提供OPCServer。當(dāng)船舶電網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了非主流品牌控制器或自定義開(kāi)發(fā)的控制器時(shí)，利用U-CON的編輯、組態(tài)功能能夠快速的開(kāi)發(fā)出該控制器的驅(qū)動(dòng)程序，作為插件整體嵌入到KEPServer中，從而方便、容易地的實(shí)現(xiàn)KEPServer與上述控制器的數(shù)據(jù)交互。所以，應(yīng)用KEPServer實(shí)現(xiàn)OPC服務(wù)器功能能夠保證數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)具有較好的開(kāi)放性和通用性。

3半實(shí)物仿真測(cè)試工作流程

船舶電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)半實(shí)物仿真測(cè)試的信息通道框圖見(jiàn)圖3。結(jié)合圖3所示，半實(shí)物仿真測(cè)試工作流程為：1）在仿真數(shù)據(jù)源計(jì)算機(jī)上，先完成KEPServer軟件中的ABPLC通信接口參數(shù)配置，并啟動(dòng)運(yùn)行；然后完成Matlab電網(wǎng)數(shù)學(xué)仿真模型配置和Matlab/Simulink的OPCClient參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)Matlab仿真模型與KEPServer軟件數(shù)據(jù)接口互聯(lián)；2）在工程師站計(jì)算機(jī)上發(fā)出控制指令，啟動(dòng)Matlab電網(wǎng)仿真模型運(yùn)行，并設(shè)置電網(wǎng)被控對(duì)象數(shù)學(xué)仿真模型的初始運(yùn)行參數(shù)；3）啟動(dòng)電網(wǎng)模擬屏，其上的ABPLC通過(guò)以太網(wǎng)接口與仿真數(shù)據(jù)源計(jì)算機(jī)的KEPServer軟件建立數(shù)據(jù)連接，Matlab電網(wǎng)仿真模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)由MatlabOPCClient、KEPServer軟件傳送給ABPLC，由ABPLC驅(qū)動(dòng)顯示于電網(wǎng)模擬屏之上；同時(shí)，電網(wǎng)模擬屏的ABPLC將接收到的Matlab電網(wǎng)仿真模型運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送給電網(wǎng)監(jiān)控箱、綜合顯控臺(tái)；4）電網(wǎng)監(jiān)控箱、綜合顯控臺(tái)通過(guò)硬接線和總線通道向電網(wǎng)模擬屏發(fā)送電網(wǎng)控制信息，電網(wǎng)模擬屏接收控制信息后，經(jīng)由ABPLC、KEPServer軟件、MatlabOPCClient將控制信息發(fā)送給Matlab電網(wǎng)仿真模型，Matlab電網(wǎng)仿真模型接收控制信息后改變運(yùn)行狀態(tài)，并將運(yùn)行反饋參數(shù)回傳給電網(wǎng)模擬屏，再由電網(wǎng)模擬屏回傳給電網(wǎng)監(jiān)控箱、綜合顯控臺(tái)，從而完成電網(wǎng)監(jiān)控箱、綜合顯控臺(tái)與電網(wǎng)被控對(duì)象仿真模型之間的閉環(huán)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)；5）在仿真數(shù)據(jù)源計(jì)算機(jī)上可模擬電網(wǎng)故障，通過(guò)電網(wǎng)模擬屏將故障狀態(tài)信息傳送給電網(wǎng)監(jiān)控箱、綜合顯控臺(tái)，可校核監(jiān)控設(shè)備的故障報(bào)警功能和故障控制功能；6）在工程師站計(jì)算機(jī)上可對(duì)仿真數(shù)據(jù)源計(jì)算機(jī)的Matlab電網(wǎng)仿真模型進(jìn)行修改，能夠適應(yīng)不同類型電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的半實(shí)物仿真聯(lián)調(diào)試驗(yàn)需求；另一方面，通過(guò)修改電網(wǎng)數(shù)學(xué)仿真模型，也可支持部分電網(wǎng)實(shí)物設(shè)備接入半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)，參與電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文介紹的半實(shí)物仿真測(cè)試技術(shù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)船舶電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備與電網(wǎng)被控對(duì)象數(shù)學(xué)仿真模型的對(duì)接，可在電網(wǎng)被控設(shè)備制造完成之前，提前開(kāi)展電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)半實(shí)物仿真聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，大幅提升船舶電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試工作效率；可實(shí)現(xiàn)船舶電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的邊設(shè)計(jì)、邊測(cè)試、邊驗(yàn)證，明顯降低大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)修改成本、縮短設(shè)計(jì)周期；由于應(yīng)用了Mat-lab/Simulink仿真軟件和通用型OPC技術(shù)，被控對(duì)象的數(shù)學(xué)仿真模型易于搭建和修改，數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)具有較好的開(kāi)放性和通用性，可適應(yīng)不同類型船舶電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、聯(lián)調(diào)試驗(yàn)需求。另一方面，也適用于船舶平臺(tái)監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及石油、化工、冶金、采礦等其他工業(yè)領(lǐng)域監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)應(yīng)用場(chǎng)合。

作者：陽(yáng)世榮 單位：中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心