西门子开发动态涡轮仿真器用于蒸气涡轮控制器测试

现质量保障测试

在自动蒸汽涡轮控制器交付用户之前，我们对涡轮校准仪的软硬件进行了测试。FAT 是产品质量保障体系的一部分。我们在不同操作环境下运行自动控制器以检查系统扰动。用户代表通常会关注自己设立的测试指标。我们只有在测试结果令用户满意后才交付涡轮控制器。

进行FAT 测试时，首先必须用仿真控制系统闭合涡轮控制器自动控制回路。我们开发了实时涡轮仿真器，它与涡轮控制器的I/O 信号相连。仿真器根据涡轮控制器计算出合适的过程参数，作为反馈来调整信号。我们专门为计算提供了一个动态的处理模型，它包括一台蒸汽发生器和涡轮、重新配置站、冷凝器、信号发生器和电路网络。利用这个模型，我们能够测试不同的运行模式，比如涡轮机以特定的转速启动，在负载或压力控制状况下运行，空转时减少负载、去除负载以及关闭涡轮机等。除了实际的功能性测试，涡轮机仿真器有助于在实际运转前，进行参数调节及优化。我们提供了简单的涡轮机控制器模型，用户能够在没有测试涡轮机的情况下，运行涡轮机仿真器。

为了测试不同类型的蒸汽涡轮控制器，仿真器提供了以下接口：

 16 位模拟输入

 16 位模拟输出

 24 位模拟输入

 24 位模拟输出

此外，仿真器还具有：

 2 ms 循环时间

 确定的实时特性

 便携性及现场连接性

 模块化编程

我们将涡轮仿真器的开发分为三个阶段：

选择仿真器系统（第一阶段）

我们对于多种实时系统的软硬件开发能力进行了评估，我们的标准包括性能、编程难易度、可视化界面、输入输出的硬件接口（驱动函数）及机动性。同时还要能够重用由MathWorks 公司的MATLAB® 及Simulink®软件所编写的涡轮模型。我们决定采用以下软硬件来实现系统：

 NI PXI-1042 机箱带NI PXI-8176 实时控制器

 NI PXI-6527 (24 位数字输入/输出板卡)

 NI PXI-6733 (两块8 通道模拟输出板卡，16 位分辨率)

 NI PXI-6052E (两块多功能板卡，8 位模拟输入)

 NI LabVIEW

 NI LabVIEW 实时模块

 NI LabVIEW 仿真接口工具包

搭建信号调理层的结构（第二阶段）

由于蒸汽涡轮自动控制器和仿真器之间传输的模拟信号电平范围存在差异，首先要对其进行转换。蒸汽涡轮自动控制器提供+/- 20 mA 输出信号，但需要4~20 mA 的输入信号。同时考虑到测量速度，需要三种个频率在0~ 3.6 kHz 之间的信号。PXI 模块的电压范围为+/- 10 V。所以在做信号调理时，我们在ATR IndustrialElectronics 的基础上开发了19 in.的机架，能够快速，简单地与预制的PXI 电缆连接。

进行环境开发实现硬件通道（第三阶段）

我们才用PXI 硬件模块上的时钟来保证仿真器的实时性能。一块多功能数据采集模块（PXI-6052E）提供了连续的时钟脉冲，通过背板总线（RTSI）来同步触发另一模块。计算仿真模块的循环也通过同样的时钟脉冲触发。我们在程序中指定了时钟脉冲（如：500 脉冲/s = 2 ms），如果实时测试产生误差时还可进行调整。

循环的执行分为两步。第一步，系统读取输入信号并将上一循环的计算结果输出；第二步，系统通过上一时刻读取的数据来计算模型，并将计算结果送入移位寄存器供下一循环中使用。

我们通过LabVIEW 将控制模块及I/O 循环设置为临界时间级(time-critical priority)。这样就避免了其它循环引起的中断或冲突，也确保了仿真循环的实时确定性。

仿真器由两个独立运行的程序和计算机系统组成，第一个系统是PXI 实时系统，在NI PXI-8176 控制器上运行实时操作系统完成模块计算工作；第二个系统是笔记本（主机），运行Windows 2000 及 LabVIEW，它包含了用户界面及完成模块参数的计算。我们通过标准TCP/IP 协议连接主机和实时系统。将仿真程序从主机笔记本上下载到实时系统，然后在主机上运行基于Windows 的用户界面。

在仿真器测试时，主机与实时系统的临界时间程序间必须能够无障碍地完成数据交换，所以系统通过实时FIFO 传输数据。通过实时FIFO，系统在模型、用户界面、及硬件接口间传输信号。主机系统通过计算几何学及涡轮热力学的局部观测数据为模型提供参数。

操作人员能够设置不同的工作环境，并在用户界面上显示出来，同时还将显示如涡轮转数、涡轮压力、涡轮控制阀开口等重要过程变量。此外，系统能够以图表的形式显示以上过程变量，并在控制界面中以时间为坐标显示涡轮机控制器的输出变量。为保证清晰的模型结构及主机功能，并能够适用于各类涡轮，我们遵循严格的模块化结构。这一点尤其重要，这样即使用户没不是非常熟悉LabVIEW 知识，也能进行简单的改变和调节。

我们以严格等级方式设计过程模型。我们采用了数据阵列（数组），并将其转换成簇的形式，为不同模型模块提供参数，同时保证硬件与用户界面间必需的数据交换。簇能够同时用于命名独立元素（数据）和结构。它能够分等级，并且簇的嵌套深度和与之连接的模块的深度对应。簇在整个模型中以数据管道形式使用。子模块通过“按名称解除捆绑”函数来解压数据。但是，系统必须将数据和数组之间进行相互转换，因为只有数组形式才能通过实时FIFO 传输。所以仿真器能够适用于各类涡轮，在采用不同涡轮，如双压力级涡轮时，我们只需要修改或调整涡轮模块。

满足性能要求

我们第一个仿真器测试能够满足性能要求（整个处理过程在2ms 内）及操作要求（改变方案及操作流程）。系统的开发完全由LabVIEW 程序员完成，尽管执行环境的开发非常困难我们还是成功采用NI 产品完成了项目。

由于动态涡轮仿真器系统的高性能需求，我们决定开发另一个仿真系统，能够实现同时测试不同的涡轮控制器。新系统同样采用PXI 系统及实时控制器（PXI-1042 及PXI-8176）。为提高控制循环率，我们将第一个系统的I/O 硬件换成三块FPGA I/O 卡（PXI-7831R），这款FPGA 卡能够更有效完成信号输入输出的并行处理。此外，FPGA 卡的驱动与传统DAQ 驱动或NI-DAQmx 驱动相比，CPU 占用率更小，从而我们能够采用计算量更大的模块。

我们还采用了新的LabVIEW 仿真模块，取代了LabVIEW 的一般算法来设计模型。这个工具包专门为了仿真而设计，简化了仿真模型的实现，特别是在使用到某些已经在MATLAB 及Simulink 中实现过的模型时，可以通过Simulink Translator 工具将它们直接转化为LabVIEW 程序。