抽水蓄能机组控制程序全工况动态仿真测试系统及方法与流程

本发明涉及抽水蓄能机组控制技术领域，尤其是涉及一种抽水蓄能机组控制程序全工况动态仿真测试系统及方法。

背景技术：

抽水蓄能机组控制程序是整台机组的控制核心，在机组启动运行时必须保证控制程序的正确、安全和可靠。因此，在机组控制程序开发编写完成后，必须仿真现场设备条件，进行控制程序的动态运转测试，以验证相关控制功能是否满足生产工艺及设计要求。

目前，针对水电机组控制程序的测试，通常都需要开发专门用于程序测试的仿真设备来进行。程序测试时，将仿真设备与机组可编程控制器(PLC)相连接，通过对设备中仿真测试软件进行必要的设置，根据需要向PLC发送相应的信息，以支持PLC程序的动态运转，从而达到验证相关控制功能的目的。这种方法是采用一台仿真设备对应一台机组PLC进行点对点程序仿真测试。该方法能满足常规水电机组控制程序的动态仿真测试工作，也能进行单一抽水蓄能机组发电工况相关控制程序的动态仿真测试工作。但由于抽水蓄能机组并不是独立作业，例如除了发电工况外还有抽水工况，而抽水工况有静止变频器(SFC)启动和机组背靠背拖动启动两种方式，需要机组与静止变频启动装置、机组与机组之间控制程序进行大量信息交互与操作配合。因此，对于需要机组间或机组与公用设备之间配合的抽水相关控制程序，这种点对点程序仿真测试方法很难完成动态仿真测试及功能验证工作。另外，开发一套功能相对完善的程序动态测试仿真专用设备也是一项很复杂艰巨的工作，需要投入很多人力、物力、财力。

通常，针对机组间或机组与公用设备配合的抽水相关控制程序的调试，都是在具体的机组和公用设备安装搭建完成后再进行现场测试，这不仅会拖延现场调试时间，而且一旦出现测试错误，还很可能导致现场设备的损坏。

因此，需要提供一种无需借助额外的专用仿真设备，无需连接现场设备，实现抽水蓄能机组控制程序全工况动态仿真测试的系统及方法。

技术实现要素：

本发明的一个发明目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种无需借助额外的专用仿真设备，无需连接现场设备，利用待测试监控系统已有软硬件资源，实现抽水蓄能机组控制程序全工况动态仿真测试的系统。

本发明的另一个发明目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种无需借助额外的专用仿真设备，无需连接现场设备，利用待测试监控系统已有软硬件资源，实现抽水蓄能机组控制程序全工况动态仿真测试的方法。

为了实现上述第一发明目的，本发明采用的技术方案如下：

抽水蓄能机组控制程序全工况动态仿真测试系统，包括：

PLC编程终端设备，用于进行待测控制程序及设备响应仿真程序的编写、修改、状态监视和变量强制设置；

PLC CPU模块，包括若干个机组PLC CPU模块和一个机组公用PLC CPU模块，每个CPU模块均断开与对应PLC输入/输出模块之间的通信连接，CPU模块中存储有待测控制程序模块和设备响应仿真程序模块，在测试时，待测控制程序模块发出的设备操作命令输出给设备响应仿真程序模块，设备响应仿真程序模块经仿真计算产生现场设备状态仿真信号反馈至待测控制程序模块中，所述设备响应仿真程序模块依据现场设备性能特点和生产工艺要求编程得到；

现场显示控制终端，用于显示当前CPU模块内待测控制程序运算处理后发送的设备状态和参数，以及根据操作人员指令发送命令给待测控制程序执行相应功能操作；

监控计算机，用于显示整个测试系统内各个CPU模块内待测控制程序运算处理后发送的设备状态和参数，以及根据操作人员指令发送命令给相应的待测控制程序执行相应功能操作；

上述CPU模块、监控计算机和PLC编程终端设备之间采用工业以太网络通信连接，CPU模块与对应的现场显示控制终端之间采用现场总线通信连接。

为了实现上述第二个发明目的，本发明采用的技术方案如下：

抽水蓄能机组控制程序全工况动态仿真测试方法，包括以下步骤：在各个CPU模块中加载待测控制程序模块和设备响应仿真程序模块；在测试时，待测控制程序模块向设备响应仿真程序模块发出设备操作命令，设备响应仿真程序模块经仿真计算产生现场设备状态仿真信号反馈至待测控制程序模块中，待测控制程序模块根据反馈信号继续执行后续流程及设备控制；在测试过程中，一直进行状态监视，一旦发现工作异常，则中止测试，执行程序检查步骤。

具体的，包括步骤：

(1)初始化阶段：构建各个CPU模块中的设备响应仿真程序模块，将上述设备响应仿真程序模块下载至各自对应的CPU模块，在各个CPU模块中加载各自对应的待测控制程序模块；断开CPU模块与对应PLC输入/输出模块之间的通信连接；

(2)启动准备：PLC编程终端设备通过变量强制方式使得各相关设备处于机组启动所需的状态，包括以下两种情况：

(2-1)对于机组启停时需要动作的设备，由PLC编程终端设备向各个设备响应仿真程序模块强制发送机组启动所需状态相对应的设备操作命令，各个设备响应仿真程序模块接收操作命令后经仿真计算输出设备状态仿真信号给待测控制程序模块，在设备状态仿真信号满足机组启动条件后由PLC编程终端设备取消被强制发送的设备操作命令；

(2-2)对于机组启停时状态一直保持不变的设备，由PLC编程终端设备强制相应设备状态变量一直处于机组启停时所要求的状态；

待测控制程序模块根据反馈的仿真信号判断机组启动状态条件是否满足，如果满足，则进行启动，并进行后续测试，否则，通过PLC编程终端或监控计算机或现场显示控制终端进行状态监视，执行程序检查步骤；

(3)工作测试：当前待测控制程序模块根据测试人员从监控计算机或现场显示控制终端输入的机组启动命令发出各种设备操作命令，包括以下三种情况：

(3-1)如果设备操作命令发送给本机组的设备响应仿真程序模块，则本机组设备响应仿真程序模块根据设备操作指令，经过仿真运算处理，输出设备状态仿真信号给相关待测控制程序模块；

(3-2)如果设备操作命令发送给其他机组PLC CPU模块中的待测控制程序模块，则其他机组中的待测控制程序模块根据接收到的设备操作命令，执行相应工况转换流程或设备控制程序，产生新的设备操作命令，该命令发送给相对应的设备响应仿真程序模块，经仿真运算处理后，输出设备状态仿真信号给相关待测控制程序模块；

(3-3)如果设备操作命令发送给机组公用PLC CPU模块中的待测控制程序模块，机组公用PLC CPU模块中的待测控制程序模块根据接收到的设备操作命令，执行相应设备控制程序，产生新的设备操作命令，该命令发送给与其对应的设备响应仿真程序模块，经仿真运算处理后，输出设备状态仿真信号给相关待测控制程序模块；

在相关待测控制程序模块接收到反馈信号后，继续执行后续流程及设备控制程序；在测试过程中，一直进行状态监视，一旦发现工作异常，则中止测试，执行程序检查步骤。

具体的，在步骤(1)中，设备响应仿真程序模块是依据现场设备性能特点和生产工艺要求进行编程构建，构建时将设备响应仿真程序模块分为若干个设备响应仿真子程序模块，每个设备响应仿真子程序模块分别用于一个现场设备的仿真，在测试时，接收到对应现场设备操作命令后，输出对应现场设备状态仿真信号。这样分块构建，可以降低构建的难度，提高准确性。

优选的，在步骤(2)中，待测控制程序模块根据反馈的仿真信号判断启动状态条件满足后，向监控计算机和现场显示控制终端发出允许机组启动信号；监控计算机和现场显示控制终端接收到允许机组启动信号后，激活机组启动命令按钮；测试人员在监控计算机或现场显示控制终端点击机组启动命令按钮，自动开启步骤(3)。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明无需借助额外的专用仿真设备，无需连接现场设备，仅利用待测试监控系统已有软硬件资源，实现了大型抽水蓄能机组控制程序全工况动态仿真测试。

2、本发明实现了多台机组同时及联合全工况动态仿真测试，可以进行多台机组同时启动发电工况功能测试，也可进行多台机组同时启动抽水工况功能测试，例如可以进行1号机或2号机由静止变频器(SFC)拖动、3号机由4号机背靠背拖动同时启动抽水工况功能测试等。测试方法具有系统性强、仿真度高、功能测试完整的优点。

3、本发明实现了对整个抽水蓄能机组监控系统的动态仿真测试，除了对待测控制程序的功能测试外，整个监控系统的通信传输功能、监控计算机及现场显示控制终端的显示及控制功能均能在动态仿真测试中得到有效的检查验证。同时，该仿真测试系统和方法同样适用于其他领域多机组协同工作程序的仿真测试，具有很高的推广应用价值。

附图说明

图1为本实施例动态仿真测试系统结构示意图；

图2为本实施例动态仿真测试系统各部分之间工作原理示意图；

图3为本实施例中设备响应仿真程序模块组成示意图；

图4为本实施例动态仿真测试方法流程图；

图5(a)为#1机由#3机背靠背拖动抽水启动电气一次回路连接示意图；

图5(b)为基于图5(a)所示电路，#1机由#3机背靠背拖动抽水启动时各PLC CPU模块控制程序信息流转示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例一种抽水蓄能机组控制程序全工况动态仿真测试系统，包括：

一台PLC编程终端设备，用于待测控制程序及设备响应仿真程序编写、修改、状态监视和变量强制设置；

多个可编程控制器(PLC)CPU模块，具体是设置在4个抽水蓄能机组PLC内的CPU模块，以及一个机组公用PLC内的CPU模块，CPU模块中存储有待测控制程序模块和设备响应仿真程序模块；

若干个现场显示控制终端，用于显示对应CPU模块内待测控制程序运算处理后发送的设备状态和参数，以及根据操作人员指令发送命令给待测控制程序执行相应功能操作；

至少一台监控计算机，用于显示整个测试系统内各个CPU模块内待测控制程序运算处理后发送的设备状态和参数，以及根据操作人员指令发送命令给相应的待测控制程序执行相应功能操作。

上述PLC CPU模块、监控计算机和PLC编程终端设备之间采用工业以太网络通信连接，CPU模块与对应的现场显示控制终端之间采用现场总线通信连接。

本实施例中，针对单一机组的工作原理参见图2，在测试时，每个CPU模块均断开与对应PLC输入/输出模块之间的通信连接，待测控制程序模块向设备响应仿真程序模块发送设备操作命令，设备响应仿真程序模块经仿真计算产生现场设备状态仿真信号反馈至待测控制程序模块中。在测试过程中，通过PLC编程终端或监控计算机或现场显示控制终端进行状态监视，一旦出现错误，则执行程序检查步骤。

如图3所示，所述设备响应仿真程序模块是依据现场设备性能特点和生产工艺要求进行编程构建。构建时，将设备响应仿真程序模块分为若干个设备响应仿真子程序模块，每个设备响应仿真子程序模块分别用于一个现场设备的仿真，在测试时，接收到对应现场设备操作命令后，输出对应现场设备状态仿真信号。

本实施例动态仿真测试方法，包括步骤：在各个CPU模块中加载待测控制程序模块和设备响应仿真程序模块；在测试时，待测控制程序模块向设备响应仿真程序模块发出设备操作命令，设备响应仿真程序模块经仿真计算产生现场设备状态仿真信号反馈至待测控制程序模块中，待测控制程序模块根据反馈信号继续执行后续流程及设备控制；在测试过程中，一直进行状态监视，一旦发现工作异常，则中止测试，执行程序检查步骤。下面结合图4，对方法进行具体说明，包括步骤：

一、程序动态仿真测试准备阶段

1、根据设备性能特点和生产工艺要求，一一确定现场设备响应仿真策略。

2、根据确定好的现场设备响应仿真策略，编写形成现场设备响应仿真子程序模块(分为机组附属设备响应仿真子程序模块和机组公用设备响应仿真子程序模块)。

3、将所有机组附属设备响应仿真子程序模块汇总组成机组附属设备响应仿真程序模块，将所有机组公用设备响应仿真子程序模块汇总组成机组公用设备响应仿真程序模块。

4、通过PLC编程终端设备将机组附属设备响应仿真程序模块分别下载至各台机组PLC中的CPU模块中，将机组公用设备响应仿真程序模块下载至机组公用PLC中的CPU模块中，与待测控制程序模块在同一CPU运行。

5、断开各个CPU模块与PLC输入/输出模块之间的通信连接。从而CPU模块中待测控制程序模块发出的设备操作命令由原来输出给PLC输出模块改为输出给设备响应仿真程序模块，CPU模块中待测控制程序需要的现场设备状态信号从原来由PLC输入模块提供改为由设备仿真程序模块经运算处理后提供。

6、根据机组启动所需的各种设备状态条件要求，由PLC编程终端设备通过变量强制的方式使得各种设备(包括机组附属设备和机组公用设备)处于机组启动所需的状态。其中：

对于机组启停时需要动作的设备如进水阀、换相刀闸、启动刀闸、拖动刀闸、发动机出口开关等设备，对照这些设备在机组启动前应处于的状态要求，由PLC编程终端设备强制输出得到该状态信号所需的设备操作命令，设备操作命令输入设备响应仿真程序模块中，由对应的设备响应仿真子程序模块运算处理后，输出设备状态仿真信号给待测控制程序模块。在机组启动相关设备状态信号条件已具备后，由PLC编程终端设备取消前述被强制的设备操作命令(比如要得到“进水阀在关闭位置”状态信号，由PLC编程终端设备强制输出进水阀关闭命令，该命令输入至进水阀响应仿真子程序模块中运算处理后，得到“进水阀在关闭位置”状态仿真信号输出给待测控制程序模块，然后由PLC编程终端设备取消对进水阀关闭命令的强制输出)；

对于机组正常启停时状态一直保持不变的设备信号如上下库闸门位置信号、尾水事故闸门位置信号、进水阀检修密封位置信号等，由PLC编程终端设备强制这些信号变量使得相应设备一直处于机组正常启停时所要求的状态(比如机组正常启停时均要求尾水事故闸门在全开位置，由PLC编程终端设备一直强制“尾水事故闸门在全开位置”信号为1)。

7、在第6步执行完后，机组待测控制程序模块判断机组启动条件是否均已满足，如果满足，则进行启动，并执行后续测试，否则，通过PLC编程终端或监控计算机或现场显示控制终端进行状态监视，执行程序检查步骤。

二、程序动态仿真测试执行阶段

8、待测控制程序模块根据反馈的仿真信号判断机组启动状态条件满足后，向监控计算机和现场显示控制终端发出允许机组启动信号。

9、监控计算机和现场显示控制终端接收到允许机组启动信号后，激活机组启动命令按钮。

10、测试人员在监控计算机或现场显示控制终端界面上点击机组启动按钮，向待测控制程序模块发出机组启动命令。

11、待测控制程序模块接收到机组启动命令后，判断所执行的工况类型(如发电或抽水工况)，根据判断结果执行相应的工况转换流程及设备控制程序，根据流程及相关设备控制程序要求发出各种设备操作命令，包括以下三种情况：

A、如果设备操作命令发送给本机组的设备响应仿真程序模块，则本机组设备响应仿真程序模块根据设备操作指令，经过仿真运算处理，输出设备状态仿真信号给相关待测控制程序模块；

B、如果设备操作命令发送给其他机组PLC CPU模块中的待测控制程序模块，则其他机组中的待测控制程序模块根据接收到的设备操作命令，执行相应工况转换流程或设备控制程序，产生新的设备操作命令，该命令发送给相对应的设备响应仿真程序模块，经仿真运算处理后，输出设备状态仿真信号给相关待测控制程序模块；

C、如果设备操作命令发送给机组公用PLC CPU模块中的待测控制程序模块，机组公用PLC CPU模块中的待测控制程序模块根据接收到的设备操作命令，执行相应设备控制程序，产生新的设备操作命令，该命令发送给与其对应的设备响应仿真程序模块，经仿真运算处理后，输出设备状态仿真信号给相关待测控制程序模块。

12、在相关待测控制程序模块接收到反馈信号后，继续执行后续流程及设备控制程序；在测试过程中，测试人员通过监控计算机、现场显示控制终端及PLC编程终端设备同时对所有机组PLC及机组公用PLC待测控制程序的执行情况及效果进行实时监视，进行各种控制、显示功能的检查验证，实现待测控制程序动态仿真测试。

图5(a)、图5(b)给出了一个具体应用实例，这里需说明的是，示意图仅作原理说明之用。下面结合上面的方法对该实例说明如下：

首先，本领域技术人员知道，#1机由#3机背靠背拖动抽水启动时，实际合闸顺序是：启动母线联络刀闸(由机组公用PLC程序控制)→#1机启动刀闸(由#1机组PLC程序控制)→#3机拖动刀闸(由#3机组PLC程序控制)→#3机GCB(由#3机组PLC程序控制)。

基于上述工况，根据上述程序动态仿真测试准备阶段的步骤，构建机组公用PLC CPU模块、#1机组PLC CPU模块、#3机组PLC CPU模块中的待测控制程序模块和设备响应仿真程序模块。具体每个模块中包含的内容详见附图5(b)，这里不再详述。下面对#1机由#3机背靠背拖动抽水启动时各PLC CPU模块控制程序信息流转过程具体说明如下：

S1、测试人员在监控计算机或现场显示控制终端输入#1机由#3机背靠背拖动抽水启动的命令，则相应的将“由#3机拖动抽水启动命令”发送到#1机组待测控制程序模块，将“拖动#1机抽水启动命令”发送到#3机组待测控制程序模块。

S2、#1机组待测控制程序模块根据流程及相关设备控制程序发出合上启动母线联络刀闸命令，该合闸命令通过通信传输到机组公用待测控制程序模块。

S3、机组公用待测控制程序模块执行启动母线联络刀闸合闸控制程序，产生合闸命令，发送给其对应的设备响应仿真程序模块，启动母线联络刀闸响应仿真子程序模块经仿真运算处理后，输出联络刀闸已合闸的设备状态仿真信号给#1机组待测控制程序模块。

S4、#1机组待测控制程序模块继续执行后续“发出合上启动刀闸命令”，将该合闸命令发送到本机组中的“启动刀闸响应仿真子程序模块”，该子模块根据设备操作指令，经过仿真运算处理，输出“#1机启动刀闸已合闸”的设备状态仿真信号给#1机组待测控制程序模块以及#3机组待测控制程序模块。

S5、#3机组待测控制程序模块收到“#1机启动刀闸已合闸”的命令后，发出合上拖动刀闸命令给拖动刀闸响应仿真子程序模块，经过仿真运算处理，该子模块输出“拖动刀闸已合闸”的设备状态仿真信号到#3机组待测控制程序模块，#3机组待测控制程序模块继续执行“发出合上GCB命令”到GCB响应仿真子程序模块，该子模块经过仿真运算处理，输出“GCB已合闸”的设备状态仿真信号到#3机组待测控制程序模块以及#1机组待测控制程序模块。#1机组和#3机组收到反馈信号后继续执行后续设备操作，从而实现整个启动程序的动态仿真测试。

在测试过程中，测试人员通过监控计算机、现场显示控制终端及PLC编程终端设备同时对所有机组PLC及机组公用PLC待测控制程序的执行情况及效果进行实时监视，进行各种控制、显示功能的检查验证，实现待测控制程序动态仿真测试。通过上述实例可知，本发明可实现多台机组同时及联合全工况动态仿真测试，除了能对待测控制程序的功能测试外，整个监控系统的通信传输功能、监控计算机及现场显示控制终端的显示及控制功能均能在动态仿真测试中得到有效的检查验证，具有很高的推广应用价值。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。