一种水利水电仿真测试系统及其测试方法与流程

1.本发明属于仿真测试技术领域，具体涉及一种水利水电仿真测试系统及其测试方法。


背景技术：

2.传统水利水电监控系统的下位机系统(通常为plc)在厂内调试过程中，由于不具备与现场实际设备环境联动测试的条件，为达到整体闭环调试目的，一般会在plc的采集信号通道外接信号发生器，模拟现场信号动作的情况，或通过plc编程软件自带的信号强制软件，手动强制模拟现场信号进行plc功能测试。通过手动强制或信号发生器模拟现场信号的方式，仅能测试到plc的部分控制功能，无法对plc程序的整个流程进行动态完整测试；而且测试结果的有效性，很大程度上取决于测试经验和对实际设备特性的了解程度。因而原有的测试系统及方法的通用性较差。


技术实现要素：

3.本发明为了解决上述问题，提出了一种水利水电仿真测试系统及其测试方法。
4.本发明的技术方案是：一种水利水电仿真测试系统包括水利水电可视化建模工具、水利水电模型、水利水电模型交叉编译工具、硬件装置、后台模型计算引擎和系统管理工具；
5.水利水电可视化建模工具用于搭建水利水电模型；
6.水利水电模型用于进行机组各种运行工况的模拟，包括启停操作、正常运行、工况转换和故障运行工况的模拟；
7.水利水电交叉编译工具用于对水利水电模型进行交叉编译；
8.硬件装置用于存储信号数据；
9.后台模型计算引擎用于对交叉变异后的水利水电模型进行模型运算；
10.系统管理工具用于进行测试环境配置、设置仿真工况和通信点表映射。
11.进一步地，水利水电交叉编译工具由编译器、连接器和解释器组成。
12.进一步地，水利水电可视化建模工具搭建水利水电模型的具体方法为：将水利水电可视化建模工具分为服务端和数据端；
13.数据端用于获取硬件装置中的水利水电数据；
14.服务端用于与数据端进行数据交互，并获取数据端中的水利水电数据；服务端将水利水电数据以树形结构显示，并通过树形结构对水利水电数据进行添加、删除、更新、导入导出和持久化，利用服务端设定的多维数据模板对水利水电数据进行建模，并在多维数据模板上进行配置，生成水利水电模型。
15.进一步地，系统管理工具进行测试环境配置包括硬件装置的模拟量配置、数字量输入端口数量配置、数字量输出端口数量配置、数字量输入端口脉冲计数配置和数字量输出端口脉冲输出参数配置；
16.系统管理工具设置仿真工况的具体方法为：选择工况文件并装载工况文件的模拟现场环境设备运行工况数据至内存中，利用后台模型计算引擎对模拟现场环境设备运行工况数据进行模型运算，并将模型运算的结果与外部plc进行数据交互；
17.系统管理工具用于进行通信点表映射的具体方法为：将硬件装置的输入存储器和输出存储器的内存地址与水利水电模型的设备变量进行配对，完成数据的双向交换。
18.本发明的有益效果是：本发明的水利水电仿真测试系统尤其针对水利水电行业监控系统plc程序功能，进行模拟真实现场环境下被控、被调、被测设备对象及系统的闭环测试。通过水利水电设备及系统完整的仿真模型，可以真实有效模拟现场实际设备特性及系统运行工况数据，为监控系统plc程序的数据输入、逻辑执行、流程判断及数据输出提供了全面、真实、动态、通用的测试环境。
19.基于以上系统，本发明还提出一种水利水电仿真测试方法，包括以下步骤：
20.s1：利用水利水电可视化建模工具搭建水利水电模型，并利用水利水电模型交叉编译工具对其进行交叉编译；
21.s2：利用后台模型计算引擎对交叉编译后的水利水电模型进行模型运算，得到模拟现场环境设备运行工况数据；
22.s3：根据模拟现场环境设备运行工况数据，利用系统管理工具进行运行测试。
23.进一步地，步骤s1中，利用水利水电可视化建模工具搭建水利水电模型，生成的模型文件包括系统模型定义mdl文件、设备算法库定义so文件和工况数据dat文件。
24.进一步地，步骤s2包括以下子步骤：
25.s21：读取系统模型定义mdl文件，并根据系统模型定义mdl文件生成设备模块的内存链表；
26.s22：将设备算法库定义so文件记载至内存链表中，并生成各类设备算法函数的签名和各类设备算法函数的首地址；
27.s23：根据各类设备模块的抽象算法名称，匹配内存链表中各类设备算法函数的签名，并定位至各类设备算法函数的首地址；
28.s24：将设备模块实例化定义的各类参数作为各类设备算法函数实参传递，调用各类设备算法函数执行，并根据设备模块的输入参数和常系数参数，计算设备模块的输出参数，完成水利水电模型的模型运算。
29.进一步地，步骤s3包括以下子步骤：
30.s31：利用后台模型计算引擎定时读取硬件装置的输入存储器的信号数据，并将其作为设备模块实例定义的各类参数，写回至硬件装置的输出存储器中；
31.s32：利用外部plc进行中断检测，直至将新的信号数据写入至输入存储器中，利用后台模型计算引擎进行再次读取，完成水利水电系统的闭环运行；
32.s33：将硬件装置的输入存储器和输出存储器的内存地址与水利水电模型的设备变量进行配对，完成运行测试。
33.本发明的有益效果是：通过本发明的水利水电仿真测试方法，plc程序的各种设计功能得到了充分验证，各种存在的缺陷也得到了及时发现并优化完善，有效保证了plc程序的正确性、安全性及设计的合理性，为现场安全顺利完整安装调试投运plc程序提供了坚实基础。
附图说明
34.图1为水利水电仿真测试系统的结构图；
35.图2为水利水电仿真测试方法的流程图；
36.图3为后台模型计算引擎的示意图。
具体实施方式
37.下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
38.如图1所示，本发明提供了一种水利水电仿真测试系统，包括水利水电可视化建模工具、水利水电模型、水利水电模型交叉编译工具、硬件装置、后台模型计算引擎和系统管理工具；
39.水利水电可视化建模工具用于搭建水利水电模型；
40.水利水电模型用于进行机组各种运行工况的模拟，包括启停操作、正常运行、工况转换和故障运行工况的模拟；
41.水利水电交叉编译工具用于对水利水电模型进行交叉编译；
42.硬件装置用于存储信号数据；
43.后台模型计算引擎用于对交叉变异后的水利水电模型进行模型运算；
44.系统管理工具用于进行测试环境配置、设置仿真工况和通信点表映射。
45.在本发明实施例中，水利水电交叉编译工具由编译器、连接器和解释器组成。
46.在本发明实施例中，水利水电可视化建模工具搭建水利水电模型的具体方法为：将水利水电可视化建模工具分为服务端和数据端；
47.数据端用于获取硬件装置中的水利水电数据；
48.服务端用于与数据端进行数据交互，并获取数据端中的水利水电数据；服务端将水利水电数据以树形结构显示，并通过树形结构对水利水电数据进行添加、删除、更新、导入导出和持久化，利用服务端设定的多维数据模板对水利水电数据进行建模，并在多维数据模板上进行配置，生成水利水电模型。
49.在实际水利水电监控系统plc控制流程的正常闭环执行过程中，离不开与现场运行设备的联动：监控系统rtu终端实时采集现场设备运行数据并传输到plc控制程序，plc控制程序根据采集的数据进行逻辑执行、数据分析、流程判断；并可根据条件下达指令到现场设备，以便完成对闸门、机组及辅助设备的监视及控制。在监控系统plc程序厂内功能测试中，硬件设备只有监控系统自身的设备，没有与监控系统进行信息交互的现场实际设备。为了能够进行动态、有效、全面的测试，迫切需要能模拟出现场实际设备功能特性及系统运行工况的测试环境，一方面作为plc程序的输入数据，另一方面接收plc程序输出指令。
50.在本发明实施例中，通过开发水利水电设备及系统仿真模型软件，并将该软件内嵌到硬件装置中，该硬件装置具有ai，ao，di，do等接口，将plc需要测试的信号与该硬件装置的对应端子连接，从而构成了plc下达指令、仿真模型运算并输出、plc再接收反馈状态的闭环操作，仿真模型可以根据实际需求任意组态，并且模拟现场出现的各种情况甚至是极端的情况，实现了水利水电监控系统plc控制流程的全面有效动态测试，极大的提高了监控系统的测试水平，同时也可验证整个系统的反应能力。
51.在本发明实施例中，系统管理工具进行测试环境配置包括硬件装置的模拟量配
置、数字量输入端口数量配置、数字量输出端口数量配置、数字量输入端口脉冲计数配置和数字量输出端口脉冲输出参数配置；
52.系统管理工具设置仿真工况的具体方法为：选择工况文件并装载工况文件的模拟现场环境设备运行工况数据至内存中，利用后台模型计算引擎对模拟现场环境设备运行工况数据进行模型运算，并将模型运算的结果与外部plc进行数据交互；
53.系统管理工具用于进行通信点表映射的具体方法为：将硬件装置的输入存储器和输出存储器的内存地址与水利水电模型的设备变量进行配对，完成数据的双向交换。
54.水利水电可视化建模工具：具有设备原理算法编写、设备模块库创建及维护、系统模型开发构建、系统模型调试、模型编译下装到arm系统及数据在线监视功能。该可视化建模工具内置了丰富的设备模块库与模型资源库，采用了面向对象的图形可视化技术，和所见即所得的图模库一体化技术。通过该可视化建模工具，可在一体化的建模环境中，直观、高效的完成算法代码编写及编译、模块创建及参数填写、模型搭建连接、系统集成调试、模型编译下装工作，并可通过网络和嵌入式装置进行数据通信，在线实时监视模型运行情况。
55.水利水电模型：包括泄洪闸、船闸、水轮发电机组、开关站、主变、厂用电、辅机设备和公用设备等模型，对其功能、运行特性以及彼此间的动/暂态过程进行了仿真建模，既包括水电站水-机-电主设备系统，又包括油、水、气等辅助设备系统，及其相关联的控制、保护、测量、监视、信号等二次系统。该模型能实现机组各种运行工况的模拟，包括各种启停操作、正常运行、工况转换和故障运行工况的模拟。水利水电设备及系统模型是按照物理机理建立，以模拟对象原型的结构、特性、参数及生成工艺流程为依据，严格遵守工质的能量、质量和动量守恒定律；各调节阀门的模拟以现场提供的特性曲线为依据，能真实再现执行机构的调节特性。水利水电设备及系统模型作为通用模型，其模拟对象和范围可根据需要自定义，小到阀门、开关的设备模型，大到调速器系统、机组系统或全厂、全流域的系统模型。
56.水利水电模型交叉编译工具：通常水利水电设备及系统模型的制作，是在普通x86架构计算机上，通过水利水电可视化建模工具搭建。而最终形成的模型库文件需要在arm架构的嵌入式系统中，被加载、解析并对其中的模块库进行调用、运算。
57.为此提供了在可视化建模执行机上可以进行交叉编译的工具，使得在x86架构计算机上编译出在能arm架构的嵌入式系统中运行的程序。
58.该交叉编译工具是一个由编译器、连接器和解释器组成的综合开发工具。使得既可以借助x86架构计算机强大高效的桌面环境进行高效的建模开发，又可以在精简、低耗arm架构的嵌入式系统中运行模型。
59.如图3所示，后台模型计算引擎：通过可视化建模工具建模后，最终生成的模型库文件包括：设备或系统模型定义mdl文件、设备算法库定义so文件及工况数据dat文件。后台模型计算引擎启动执行后，首先读取模型定义mdl文件，并据此生成设备模块的内存链表；然后加载设备算法库定义so文件到内存中，并记录各类设备算法函数的签名和首地址。后台模型计算引擎在周期运算过程中，再根据整体模型中所属各个设备模块对应的抽象算法名称，匹配内存中设备算法库的函数签名，并定位到具体算法函数地址，并将该设备模块实例化定义的各类参数作为设备算法函数实参传递，进而调用该设备算法函数执行，从而根据设备模块的输入参数、常系数参数，计算出设备模块输出参数。这样遍历整个模型的所有设备模块迭代计算完成，则完成了一次完整的模型运算。后台模型计算引擎负责周而复始
的进行模型运算，从而源源不断的给plc程序提供实时模型运行数据，实现了模拟现场环境设备运行工况数据。
60.嵌入式硬件装置：基于arm的嵌入式硬件装置采用高性能工业级龙芯处理器为核心cpu，主频高达1ghz，内嵌2g sdram，支持固态硬盘，具有4个100/1000m自适应工业以太网接口，4路ai接口支持0-5v或4-20ma信号，32路di接口，各路采用光耦隔离，4路a0接口，输出4-20ma标准信号，32路do接口，继电器输出，2个rs232/rs485串行通讯接口；支持modbus，iec104等常规协议。可以无缝的和plc系统对接，进行数据交互通信。装置内部移植linux操作系统，系统具有很好的兼容性，支持各种实时库，可以提供强大的运算能力，数据采集与控制能力，非常适合应于需要较高运算能力的数据采集与控制系统。完全可以满足水利水电设备及系统模型的计算引擎的运算工作需要。采用1u机架式铝合金机箱，电磁兼容性好，高可靠开关电源双电源热备，可靠性强。主机体积小，重量小，适宜搬运及恶劣环境下使用。从而保证可以近距离和plc系统联动测试。
61.系统管理工具：功能包括：测试环境的配置、仿真工况设置、通信点表映射等功能。
62.测试环境配置方面，包括对硬件装置的模拟量、数字量输入及输出端口数量的配置，数字量输入端口脉冲计数的配置，数字量输出端口脉冲输出参数的配置等；以及网络通信的ip地址、端口号配置，串口通信的波特率、校验位等参数配置。
63.仿真工况设置方面,对于系统模型如水轮机组模型，通常有不同的运行工况：空载、空转、发电、停机等，不同的运行工况条件有对应的工况数据dat文件。plc控制程序测试时，可以根据需要在仿真工况设置界面，选择不同工况文件并装载工况数据到内存，后台模型计算引擎在此断面数据基础上继续运算，从而测试各个不同工况下plc流程逻辑功能。位于嵌入式arm系统内的后台模型计算引擎运算产生的内存数据，最终需要和外部plc控制程序进行数据交互，以便于plc控制程序接收水利水电模型计算结果并发送控制指令到模型。
64.嵌入式系统的硬件装置作为中间层，介于arm系统和外部plc之间，承担了通信中间件的角色。故在硬件装置中设置了中断输入存储器和输出存储器，用于存储ai、di、ao、do硬接线端子的信号数据。
65.后台模型计算引擎定时读取输入存储器的数据，并将其作为设备模块实例的输入参数参与模块运算，然后将计算结果数据写回到输出存储器中。硬件装置的中断检测程序，发现其输出存储器内容变化后，会发送信号数据到输出端子，从而外部plc程序通过连接到硬件装置的ao、do硬接线端子来获取到了模型反馈的数据；同样地对于plc指令的下达，是通过将plc指令信号发送到连接的硬件装置ai、di硬接线端子，硬件装置的中断检测程序，发现新输入信号后，将其写入到输入存储器，从而供后台模型计算引擎定时读取，并判断条件满足后执行相应的动作，实现了整个系统动态闭环运行。
66.通过通信点表映射功能，可以将硬件装置的输入、输出存储器的特定内存地址和水利水电模型中的设备变量相对应，最终实现了外部plc信号《-》硬件端子《-》输入输出存储器《-》模型变量数据的双向交换。
67.基于以上系统，本发明还提出一种水利水电仿真测试方法，如图2所示，包括以下步骤：
68.s1：利用水利水电可视化建模工具搭建水利水电模型，并利用水利水电模型交叉编译工具对其进行交叉编译；
69.s2：利用后台模型计算引擎对交叉编译后的水利水电模型进行模型运算，得到模拟现场环境设备运行工况数据；
70.s3：根据模拟现场环境设备运行工况数据，利用系统管理工具进行运行测试。
71.在本发明实施例中，步骤s1中，利用水利水电可视化建模工具搭建水利水电模型，生成的模型文件包括系统模型定义mdl文件、设备算法库定义so文件和工况数据dat文件。
72.在本发明实施例中，步骤s2包括以下子步骤：
73.s21：读取系统模型定义mdl文件，并根据系统模型定义mdl文件生成设备模块的内存链表；
74.s22：将设备算法库定义so文件记载至内存链表中，并生成各类设备算法函数的签名和各类设备算法函数的首地址；
75.s23：根据各类设备模块的抽象算法名称，匹配内存链表中各类设备算法函数的签名，并定位至各类设备算法函数的首地址；
76.s24：将设备模块实例化定义的各类参数作为各类设备算法函数实参传递，调用各类设备算法函数执行，并根据设备模块的输入参数和常系数参数，计算设备模块的输出参数，完成水利水电模型的模型运算。
77.在本发明实施例中，步骤s3包括以下子步骤：
78.s31：利用后台模型计算引擎定时读取硬件装置的输入存储器的信号数据，并将其作为设备模块实例定义的各类参数，写回至硬件装置的输出存储器中；
79.s32：利用外部plc进行中断检测，直至将新的信号数据写入至输入存储器中，利用后台模型计算引擎进行再次读取，完成水利水电系统的闭环运行；
80.s33：将硬件装置的输入存储器和输出存储器的内存地址与水利水电模型的设备变量进行配对，完成运行测试。
81.本发明的有益效果为：
82.(1)本发明的水利水电仿真测试系统尤其针对水利水电行业监控系统plc程序功能，进行模拟真实现场环境下被控、被调、被测设备对象及系统的闭环测试。通过水利水电设备及系统完整的仿真模型，可以真实有效模拟现场实际设备特性及系统运行工况数据，为监控系统plc程序的数据输入、逻辑执行、流程判断及数据输出提供了全面、真实、动态、通用的测试环境。
83.(2)通过本发明的水利水电仿真测试方法，plc程序的各种设计功能得到了充分验证，各种存在的缺陷也得到了及时发现并优化完善，有效保证了plc程序的正确性、安全性及设计的合理性，为现场安全顺利完整安装调试投运plc程序提供了坚实基础。
84.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。