牛松森，楚子林，楊建新，厲成元，單凌寒

（1.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300301；2.中交一航局安裝工程有限公司，天津 300457）

智能化控制系統(tǒng)圖形化編程平臺(tái)搭建與應(yīng)用

牛松森1，楚子林1，楊建新1，厲成元1，單凌寒2

（1.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300301；2.中交一航局安裝工程有限公司，天津 300457）

控制器是各類(lèi)大型、復(fù)雜電控裝置的控制核心，它的性能直接影響著整個(gè)控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。介紹了一種智能化控制系統(tǒng)圖形化編程平臺(tái)ΤGCS，此編程平臺(tái)創(chuàng)新性地采用“運(yùn)行前調(diào)度策略”，具有豐富的功能模塊庫(kù)、友好的人機(jī)界面和強(qiáng)大的組態(tài)功能。使用此編程平臺(tái)，用戶(hù)可以快速高效地開(kāi)發(fā)出各種復(fù)雜的、高性能的、專(zhuān)用的控制系統(tǒng)。

通用控制系統(tǒng)；運(yùn)行前調(diào)度策略；圖形化編程；模塊化編程

數(shù)字化、智能化技術(shù)是產(chǎn)品創(chuàng)新和制造技術(shù)創(chuàng)新的共性使能技術(shù)，將會(huì)深刻改革制造業(yè)的生產(chǎn)模式和產(chǎn)業(yè)形態(tài)，是新的工業(yè)革命的核心技術(shù)［1］。

近年來(lái)，其自主研發(fā)的通用控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)得到了廣泛應(yīng)用。該通用控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，適用于大型自動(dòng)化系統(tǒng)及復(fù)雜電控設(shè)備的智能化控制，也可利用該通用控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)具有特定功能的專(zhuān)用控制系統(tǒng)。本文主要介紹該通用控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的圖形化編程平臺(tái)的特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用情況。

1 通用控制系統(tǒng)圖形化編程平臺(tái)

天津電氣院通用控制系統(tǒng)圖形化編程平臺(tái)，簡(jiǎn)稱(chēng)ΤGCS（tried general controller software），是基于圖形化編程的微處理器集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，其創(chuàng)新采用“運(yùn)行前調(diào)度策略”，具有豐富的功能模塊庫(kù)、方便易用的人機(jī)界面和強(qiáng)大的組態(tài)功能。

ΤGCS集成了豐富的用于實(shí)現(xiàn)各類(lèi)系統(tǒng)控制和算法的功能模塊，支持嵌入式程序代碼的建立、編譯鏈接、下載、運(yùn)行監(jiān)控、代碼調(diào)試以及加密上傳保護(hù)。使用ΤGCS，用戶(hù)不需要編寫(xiě)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)代碼，只需要通過(guò)修改功能模塊的運(yùn)行參數(shù)、創(chuàng)建功能模塊端子間的連線關(guān)系和設(shè)置功能模塊運(yùn)行的先后次序等操作，即可完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

1.1 TGCS的架構(gòu)

ΤGCS作為上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，主要包含圖形化編程界面、模塊化抽象數(shù)據(jù)定義、編譯下載模塊、命令解析模塊、運(yùn)行監(jiān)控模塊、COMM通訊模塊等部分。圖形化編程界面提供直觀簡(jiǎn)潔的操作界面，包括工程管理、功能頁(yè)編輯、功能模塊庫(kù)管理、實(shí)時(shí)跟蹤、屬性管理、運(yùn)行日志管理等頁(yè)面。模塊化抽象數(shù)據(jù)定義是將各種控制裝置、站點(diǎn)、機(jī)箱、CPU等定義為抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可通過(guò)簡(jiǎn)潔的命令進(jìn)行增加和刪除。編譯下載模塊將ΤGCS工程編譯成目標(biāo)代碼然后下載到控制單元中去執(zhí)行。命令解析模塊用于建立上位機(jī)和控制單元之間的通信協(xié)議。運(yùn)行監(jiān)控模塊可以實(shí)時(shí)進(jìn)行控制單元運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)參數(shù)修改控制被控對(duì)象的運(yùn)行。COMM通訊模塊用于上位機(jī)和控制單元之間的通信。

模塊間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 TGCS架構(gòu)Fig.1 TGCS′s architecture

1.2 TGCS的特點(diǎn)

ΤGCS創(chuàng)新采用“運(yùn)行前調(diào)度策略”和成熟的圖形化、模塊化編程技術(shù)，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了完備的在線監(jiān)控和調(diào)試功能。這些技術(shù)的使用大大提高了通用控制系統(tǒng)的可靠性，顯著縮短了通用控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，提高了軟件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，充分利用了軟件開(kāi)發(fā)中積累的軟件資產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了軟件的工業(yè)化批量生產(chǎn)。

1.2.1 運(yùn)行前調(diào)度策略

運(yùn)行前調(diào)度策略由調(diào)度的離線計(jì)算和調(diào)度運(yùn)行兩部分組成，即離線計(jì)算周期值等于給定進(jìn)程集周期的最小公倍數(shù)的全部周期進(jìn)程的調(diào)度，并根據(jù)先前計(jì)算的調(diào)度策略執(zhí)行周期性進(jìn)程［2］。采用運(yùn)行前調(diào)度策略要求能夠預(yù)先了解系統(tǒng)中進(jìn)程的主要特性。

ΤGCS編程平臺(tái)采用運(yùn)行前調(diào)度策略來(lái)對(duì)通用控制器系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行管理。在主程序中，設(shè)置每個(gè)處理器的定周期基本采樣時(shí)間T0，采樣時(shí)間T1是T0的2的指數(shù)（0和正整數(shù)）倍，T2～T5依次是上一個(gè)采樣時(shí)間的2的指數(shù)倍，例如：T0=1 ms，T1=1 ms，T2=4 ms，T3=8 ms，T4=32 ms，T5=128 ms。系統(tǒng)中的每個(gè)功能塊需要按主程序中的設(shè)置，在T1～T5采樣時(shí)間中選擇1個(gè)。根據(jù)需要，1個(gè)功能包中可能有1～5種采樣時(shí)間。在程序編譯中，根據(jù)所設(shè)置的平均采樣時(shí)間并考慮特殊情況評(píng)估任務(wù)占用的資源情況，判斷可行性。

實(shí)踐表明，運(yùn)行前調(diào)度策略比傳統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略更適合通用控制系統(tǒng)應(yīng)用。以“運(yùn)行前調(diào)度策略”為基礎(chǔ)，可以以相對(duì)較小的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，實(shí)現(xiàn)微處理器在多線程運(yùn)行環(huán)境中，各項(xiàng)任務(wù)執(zhí)行的順序與時(shí)間確切、可控，提高了微處理器硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)任務(wù)的執(zhí)行能力。通過(guò)在系統(tǒng)運(yùn)行前精確評(píng)估程序運(yùn)行時(shí)間，用戶(hù)根據(jù)處理器資源與性能的限制，合理安排功能塊的任務(wù)組合，可以確保處理器按時(shí)完成預(yù)先配置的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)處理器資源和性能的高效利用。下載運(yùn)行的程序經(jīng)在線調(diào)試修改，變更后處理器實(shí)際運(yùn)行的程序可以上載備份，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)的完美復(fù)現(xiàn)。

1.2.2 豐富的功能模塊庫(kù)

ΤGCS以功能模塊的形式保留前期的開(kāi)發(fā)成果。通用功能模塊包含算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、控制、輸入輸出、通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等；專(zhuān)用功能模塊主要包括變流器控制、矢量控制等。通用功能塊主要供用戶(hù)解決應(yīng)用中的工藝控制、故障綜合、邏輯連鎖和速度環(huán)控制等任務(wù)；專(zhuān)用功能塊主要用于變流器電流閉環(huán)控制及相關(guān)任務(wù)，其結(jié)構(gòu)和部分參數(shù)不能由用戶(hù)改動(dòng)。另外還可以將工作中使用頻繁、結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定的基本功能模塊及功能模塊間的連線信息封裝在一起，搭建出一種新型的功能模塊，即“宏功能模塊”。宏功能模塊具有普通功能模塊的屬性和行為，和普通功能模塊一起使用。而且通過(guò)宏功能模塊的導(dǎo)入導(dǎo)出操作可以使宏功能模塊在其他相同類(lèi)型的項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)復(fù)用。

1.2.3 強(qiáng)大的界面顯示及組態(tài)功能

ΤGCS采用組態(tài)概念的圖形化編程方式。ΤGCS界面是容易操作的windows風(fēng)格，并可根據(jù)個(gè)人喜好對(duì)子功能窗口進(jìn)行隱藏和?？?，支持通用快捷鍵功能。在ΤGCS工程中，算法功能模塊可以在功能頁(yè)面上自由拖動(dòng)，方便排列調(diào)整。

ΤGCS支持頁(yè)內(nèi)和頁(yè)間功能模塊端子之間創(chuàng)建連線。對(duì)頁(yè)內(nèi)的多個(gè)同源連線的公共部分，以共享點(diǎn)區(qū)分，連接關(guān)系簡(jiǎn)潔明確；對(duì)不同功能頁(yè)面之間的功能模塊端子間的連線，頁(yè)外連接信息顯示于頁(yè)邊特定區(qū)域，支持點(diǎn)擊快速跳轉(zhuǎn)跟蹤連線的另半部分。對(duì)于不存在可用路徑的情況，采用標(biāo)號(hào)的方式表明連接關(guān)系。功能模塊端子間的連線采用合理高效的自動(dòng)布線算法，此算法為優(yōu)化的A星搜索算法，這是一種圖形平面上的啟發(fā)式搜索算法。算法的基本思想是：在狀態(tài)空間中的搜索對(duì)每一個(gè)搜索的位置進(jìn)行評(píng)估（股價(jià)函數(shù)為曼哈頓距離），得到最好的位置，再?gòu)倪@個(gè)位置進(jìn)行搜索直到目標(biāo)。找出可行路線，最后對(duì)連線結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方案的基本原則是連線數(shù)據(jù)點(diǎn)最少。

編輯完成的頁(yè)面以有向圖表示，節(jié)點(diǎn)功能模塊代表數(shù)據(jù)處理函數(shù)，數(shù)據(jù)通過(guò)功能模塊節(jié)點(diǎn)間的連線傳入傳出。

ΤGCS界面如圖2所示。

圖2 TGCS界面Fig.2 TGCS′s interface

1.2.4 完備的在線監(jiān)控和調(diào)試功能

ΤGCS工程支持PC端和小鍵盤(pán)、觸摸屏等輔助設(shè)備端的在線監(jiān)控和調(diào)試。主要監(jiān)控和調(diào)試內(nèi)容有：功能模塊端子值實(shí)時(shí)跟蹤查看和輸入值在線修改，端子連線在線修改，端子數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示，參數(shù)化端子的跟蹤和改值，波形記錄和自診斷。

ΤGCS提供了端子參數(shù)化功能。參數(shù)化是指用約定的一串?dāng)?shù)字來(lái)代表功能模塊端子，通過(guò)對(duì)參數(shù)的操作可以實(shí)現(xiàn)對(duì)端子的操作，多見(jiàn)于用小鍵盤(pán)、觸摸屏等輔助設(shè)備調(diào)試操作單元。參數(shù)化參數(shù)分為主參數(shù)和輔參數(shù)兩部分。參數(shù)化除了可以修改端子值和連線外，還可以輸出故障字和故障屏蔽字、顯示運(yùn)行時(shí)間、CPU使用率等信息，便于監(jiān)控和調(diào)試。

ΤGCS波形顯示包括模擬量波形顯示、數(shù)字量波形顯示和端子值波形顯示。在上位機(jī)中觀測(cè)波形，是以某一時(shí)刻為觸發(fā)點(diǎn)，F(xiàn)PGA將保留觸發(fā)點(diǎn)前的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，同時(shí)再采集一段時(shí)間的數(shù)據(jù)，然后將全部數(shù)據(jù)送ΤGCS顯示。ΤGCS波形記錄并不是一種波形實(shí)時(shí)顯示的功能，而是還原在某一觸發(fā)點(diǎn)前后這些觀測(cè)量的運(yùn)行曲線，這為系統(tǒng)用戶(hù)供了一種故障分析的手段。

采用合適的監(jiān)控和調(diào)試方式，通過(guò)COMM通信模塊實(shí)時(shí)讀取控制單元中端子值數(shù)據(jù)并顯示于ΤGCS頁(yè)面和小鍵盤(pán)、觸摸屏等輔助設(shè)備，用戶(hù)能及時(shí)了解控制單元的運(yùn)行情況，配合在線端子數(shù)據(jù)修改（改值/改連線），便于快速做出合理的調(diào)整，設(shè)計(jì)出優(yōu)化的控制系統(tǒng)［3］。

圖3為功能模塊端子值實(shí)時(shí)跟蹤查看界面。

圖3 端子值實(shí)時(shí)跟蹤查看Fig.3 Port value real-time tracking

1.3 使用TGCS編程平臺(tái)進(jìn)行通用控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

在確定了通用控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案之后，軟件使用者就可以使用ΤGCS進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)了。

開(kāi)發(fā)流程如圖4所示。

圖4 使用TGCS開(kāi)發(fā)通用控制系統(tǒng)流程Fig.4 Development process for general control system using TGCS

首先，建立工程。ΤGCS提供有工程創(chuàng)建向?qū)?。工程?chuàng)建向?qū)е笇?dǎo)用戶(hù)選擇ΤGCS工程的保存位置、設(shè)置機(jī)箱、站點(diǎn)、CPU的屬性、采用的功能模塊庫(kù)版本、采樣時(shí)間、圖紙打印信息等。通過(guò)向?qū)?，可以快速建立起具有基本元素的ΤGCS工程。其次，編輯ΤGCS工程的CPU項(xiàng)目。拖拽功能模塊到CPU項(xiàng)目的功能頁(yè)中，調(diào)整到適當(dāng)位置，根據(jù)設(shè)計(jì)方案在功能模塊的端子間建立連線，并設(shè)置功能模塊的初始參數(shù)。最后，對(duì)搭建完成的ΤGCS工程進(jìn)行編譯，并將程序下載到控制單元。

后面就是調(diào)試部分，通過(guò)在線監(jiān)控和調(diào)試功能，使用控制單元對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，在線觀測(cè)功能算法模塊的輸入輸出數(shù)據(jù)，根據(jù)輸出結(jié)果，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。如果需要修改算法或者增刪功能模塊，需要重新修改、編譯、下載ΤGCS工程。

1.4 TGCS的實(shí)際應(yīng)用情況

作為軟件自動(dòng)化技術(shù)集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)，ΤGCS在天津電氣院的系列光伏逆變器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、系列變頻器國(guó)產(chǎn)化研發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用，顯著提高了開(kāi)發(fā)效率及代碼的可靠性。

采用此平臺(tái)之前，中等項(xiàng)目的項(xiàng)目周期動(dòng)輒1 a以上，有的項(xiàng)目甚至多年才能完成，其中固然有很多其他因素，但是缺少適合的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是最關(guān)鍵的一個(gè)因素，在ΤGCS平臺(tái)下，項(xiàng)目周期大大縮短，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，能縮小2倍以上。

例如，以此為平臺(tái)開(kāi)發(fā)的7.2 kW光伏儲(chǔ)能逆變器、500 kW光伏并網(wǎng)逆變器、ΤAC1系列整流器等，均在短期內(nèi)迅速開(kāi)發(fā)完成，已有數(shù)百臺(tái)設(shè)備在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)可靠運(yùn)行，效果良好。

2 結(jié)論

本文描述了一種智能化控制系統(tǒng)圖形化編程平臺(tái)ΤGCS，ΤGCS創(chuàng)新性地采用“運(yùn)行前調(diào)度策略”，具有豐富的功能模塊庫(kù)、方便易用的界面顯示和強(qiáng)大的組態(tài)功能，應(yīng)用面寬、實(shí)用性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于節(jié)能環(huán)保、新能源、高端裝備及新能源汽車(chē)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。該開(kāi)發(fā)平臺(tái)特別適合于創(chuàng)新研發(fā)具有復(fù)雜控制功能要求的新型電控設(shè)備。可有效地縮短并簡(jiǎn)化基于微處理器的新產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程，有效提高國(guó)產(chǎn)大型高性能電控設(shè)備的適用性、技術(shù)性能指標(biāo)及可靠性。

［1］周濟(jì).制造業(yè)數(shù)字化智能化［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2012，23（20）：2395-2400.

［2］Xu Jia，David Lorge Parnas.Priority Scheduling Versus Pre-run-time Scheduling［J］.The International Journal of Time-critical Computing Systems，2000，18（1）：7-23.

［3］馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Construction and Application of Graphics Programming Platform for Intelligent Control System

NIU Songsen1，CHU Zilin1，YANG Jianxin1，LI Chengyuan1，SHAN Linghan2
（1.Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China；2.Installation Engineering Co.，Ltd.，of CCCC First Harbor Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300457，China）

Controller is the core of all kinds of large and complex electronic control device，which performance directly affects the performance of the whole control system.A graphical programming platform for intelligent control system，TGCS，was described.TGCS used the“pre-run-time scheduling”innovatively，and TGCS had distinguishing features such as rich module library，a pleasant interface display and powerful configuration function.Using TGCS，user can develop control system of complex function，high performance and dedicated application，quickly and efficiently.

general control system；pre-run-time scheduling；graphical programming；modular programming

TP273

A

10.19457/j.1001-2095.20170216

2015-09-10

修改稿日期：2016-06-15

牛松森（1977-），男，碩士，工程師，Email：niusongsen@tried.com.cn