CN113311728B - 一种仿真模型与控制器通信的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿真模型与控制器通信的方法和系统，本实施例比较设定发送请求个数和实际完成发送请求个数，根据比较结果来不断调整通信的状态，是继续发送还是中止等待，从而使发送的请求数控制在设定的标准之下，即避免了发送请求队列缓冲区溢出而响应超时，又充分利用了缓冲区资源，提高了通信的效率和可靠性。

Description

一种仿真模型与控制器通信的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种仿真模型与控制器通信的方法，属于电力通信技术领域。

背景技术

随着人工智能时代和工业4.0的来临，电力行业的自动化程度日渐提高，计算及监控问题变的日益复杂，这就需要电站或电厂人员不断提高对机组运行操作的熟知程度及应变事故的能力。仿真系统是智能电厂运行性能、效能、安全等方面进行验证测试和优化升级的必要手段，电力系统仿真软件作为一种重要的分析工具，在电力系统的试验研究和培训中发挥着不可替代的作用。而通信总线作为仿真系统中数据传输的桥梁，其可靠性是整个系统可靠性的重要保障，总线的传输效率也直接影响到整个仿真系统的性能。仿真模型和控制器之间的数据交换又是仿真系统中数据传输的重中之重，因此，一种仿真系统中仿真模型与控制器之间实时、可靠的通信方法是十分必要的。

现有技术方案中仿真模型与真实控制器之间通信方法不能满足对通信实时性要求高的情况。

发明内容

本发明旨在针对现有技术方案中仿真模型与真实控制器之间通信方法不能满足对通信实时性要求高的情况，提供一种仿真模型与控制器通信的方法。

本发明采用以下技术方案，提供一种仿真模型与控制器通信的方法，包括以下步骤：

首先，本发明提供了一种仿真模型与控制器通信的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：接收到一个发送请求，将未完成请求的个数加1，将更新后的未完成请求的个数与设定的发送请求队列长度的第一选定比例数相比，若前者小于后者，则将该发送请求放入发送请求队列；若前者不小于后者，则执行步骤2；

步骤2：将未完成请求的个数与发送请求队列长度的第二选定比例数相比，若前者大于后者，则不把发送请求放入发送请求队列进入循环等待；循环等待时查看发送请求队列中是否有发送请求，如果有，则取出发送请求并将发送请求提交到接收方，并将未完成请求的个数减1，再次循环执行步骤2直至到比较未完成请求的个数不大于发送请求队列长度的第二选定比例数，将该发送请求放入发送请求队列，退出此次循环。

进一步地，在通信开始前加载配置文件，并根据配置文件完成仿真模型和控制器之间的多级映射，所述配置文件包括仿真模型侧类型名、仿真模型侧标签名以及控制器侧标签名，所述仿真模型侧标签名和控制器侧标签名用于标识就地设备名称，并且两者一一对应，仿真侧类型名包括模拟量输入、模拟量输出、数字量输入和数字量输出四种类型；

加载配置文件后，为每个控制器侧标签名创建一个控制器侧虚拟序列号，遍历仿真模型的数据库，找到控制器侧标签名和仿真模型侧标签名的对应关系，创建多级映射，所述多级映射包括模拟量输入与控制器侧虚拟序列号的映射，模拟量输出与控制器侧虚拟序列号的映射，数字量输入与控制器侧虚拟序列号的映射，数字量输出与控制器侧虚拟序列号的映射，控制器侧虚拟序列号与仿真侧标签名的映射，控制器侧虚拟序列号与仿真侧标签名索引序列号的映射。

再进一步地，在上传数据时，采用轮询机制访问仿真模型数据并传输到控制器，具体包括：遍历控制器侧标签名，定位到控制器侧虚拟序列号，通过控制器侧虚拟序列号利用多级映射关系索引到仿真模型侧标签点的仿真模型数据。

再进一步地，在下发指令时，采用订阅机制从控制器获取数据，在通信开始时将目标仿真模型侧标签名都发起订阅请求一次，以后只要数据变化满足设定条件就将指令中的数据主动推送给仿真模型。

再进一步地，所述配置文件还包括模拟量最小变化量阈值，将从控制器获取数据的变化量与最小变化量阈值比较，只有大于或者大于等于最小变化量阈值，才将指令中的数据推送给仿真模型。

再进一步地，设定条件包括条件参数最小时间、最大时间和最小变化量阈值，在最小时间和最大时间之间只要变化量超过了最小变化量就推送数据，大于最大时间时无论是否变化都将数据推送给仿真模型。

本发明还提供了一种仿真模型与控制器通信的系统，所述系统包括通信模块，所述通信模块设置于仿真模型与控制器之间，所述通信模块用于实现仿真模型与控制器通过数据总线通信；所述通信模块，用于执行以上技术方案任意一种可能的实施例所述的一种仿真模型与控制器通信的方法。

本发明所取得的有益技术效果：本实施例比较设定发送请求个数和实际完成发送请求个数，根据比较结果来不断调整通信的状态，是继续发送还是中止等待，从而使发送的请求数控制在设定的标准之下，即避免了发送请求队列缓冲区溢出而响应超时，又充分利用了缓冲区资源，提高了通信的效率和可靠性，能够满足仿真模型与真实控制器之间通信对实时性要求高的情况；同时既能最大化利用网络和缓冲区资源，又不使通信负荷过大。

附图说明

图1为本发明具体实施例的通信流程图；

图2为本发明具体实施例控制器侧与仿真模型侧的多级映射关系；

图3为本发明具体实施例通信量自动控制框图；

图4为本发明具体实施例比较判断器的流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

仿真模型是根据就地设备中压力、流量、温度传等模拟量和开关、阀门等开关量建模，使用计算机技术模拟出温度表和各种阀门的变化，例如用0~100表示0度~100度，当输出量是50时就表示温度表的温度值为50度，也可以用0~10000表示0~10000转/分钟，当输出量为1000时表示转速为1000转/分钟等等，

可以用标签名和属性来表示具体的就地设备，也就是监测点。

控制器（DPU，Data Process Unit）是一个过程控制单元，它包括控制器CPU模件、冗余热备切换模件、电源模件、第三方通信接口模件、控制器总线板。控制器是直接执行对象的数据管理、传输和设备的控制，在控制器中完成控制逻辑的运算，对下与IO总线交互数据，对上与操作员站交互数据。

一个完整的数据流程是双向的，分上传数据和下发指令，上传数据的流程是这样的，仿真模型作为数据源，模拟就地设备数据的变化，通信模块通过调用API从仿真模型获取设备数据，通信模块通过总线将数据写入控制器，如果有人机界面，则控制器收到数据后会通知人机界面(HMI,Human Machine Interface) ，HMI收到数据后在画面上展示；

下发指令的是流程是这样的，控制器会收到一个0或1的信号信息，然后控制器通知通信模块某个测点的值发生了变化，通信模块再将此信号值写入仿真模型，如果设置了人机界面HMI，则在HMI上操作一个开关，开关的0或1的信号信息发送到控制器，如图1所示。

实施例1：从仿真模型中获取数据后，发送到局域网内的真实控制器中，由于网络带宽和发送缓冲区的限制，每次发送的报文帧数不易过多，否则会请求响应超时，进而造成数据发送失败。但是，如果每次发送的报文帧数太少，不能充分利用网络带宽和发送缓冲区的资源，造成通信效率低下，数据传输的性能交差。本实施例提供的仿真模型与控制器通信的方法，采用了一种带反馈机制的通信量自动控制算法，通信量自动控制框图如图3所示。对于控制系统，所谓的自动化就是使用反馈机制对系统进行不断的优化，从而实现自动化的效果。反馈是自然界长期客观存在的一种机制，进行对系统的调节，实现最优化的系统。同时采用负反馈原理来设计反馈控制系统的主要动机来源是人类的主观能动性，即就是人类对客观对象和人造对象进行改造和控制的需要，这才是自动控制原理设计的本质来源。反馈控制系统的工作原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。

图3中R表示向控制器发送的设定的请求个数，作为输入信号；C表示实际完成请求的个数，作为输出信号；H表示未完成的请求个数，作为反馈信号；D是比较器，用于R和H进行比较，根据比较结果做出判断；Z是控制器，根据D的结果执行某些操作，M是执行器，类似一个阀门，有开和关两种状态，Q是被控对象，这里是发送请求队列。在从仿真模型获取数据后，通过自定义数据总线将数据发送到控制器，自定义总线设计时为发送请求创建了一个缓冲区，称为发送请求队列，发送请求(如读数据请求或写数据请求等)发出后，先进入发送请求队列，然后再异步将请求提交到接收方，假如发送请求队列的长度为qSize，当没有被处理的发送请求的个数超过qSize时，就会发生请求超时，造成发送数据失败；这里采用反馈控制算法避免这种情的发生，如果把发送请求队列看做一个水箱，队列的长度就是水箱的水位，如果实际水位超过水箱设定的水位，就会发生溢出，通过反馈控制算法使水位控制在给定水位以下，对照图3，R就是水箱的设定水位，C是水箱的实际水位，H就是检测装置浮球，M是进水阀门，Q是水箱；自动控制器通过比较设定希望水位和实际水位来调整阀门的开关状态，不断对误差进行修正，从而达到保持水位在设定范围的目的。反馈控制是指将系统的输出信息返送到输入端，与输入信息进行比较，并利用二者的偏差进行控制的过程。反馈控制其实是用过去的情况来指导现在和将来。在控制系统中，如果返回的信息的作用是抵消输入信息，称为负反馈，负反馈可以使系统趋于稳定。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。同样的道理，通信模块利用比较判断算法来比较设定发送请求个数和实际完成发送请求个数，根据比较结果来不断调整通信的状态，是继续发送还是中止等待，从而使发送的请求数控制在设定的标准之下，即避免了发送缓冲区溢出，又充分利用了缓冲区资源，提高了通信的效率和可靠性；其中，比较判断器的内部流程图如图4所示。

本实施例提供的仿真模型与控制器通信的方法，数据总线通信过程中为发送请求创建缓冲区用于存储发送请求队列；接收到发送请求后，先进入发送请求创建了一个缓冲区，再采用异步方式将请求提交到接收方，所述方法包括以下步骤：

步骤1：接收到一个发送请求，将未完成请求的个数加1，将更新后的未完成请求的个数与设定的发送请求队列长度的第一选定比例数相比，若前者小于后者，则将该发送请求放入发送请求队列；若前者不小于后者，则执行步骤2；

步骤2：将未完成请求的个数与发送请求队列长度的第二选定比例数相比，若前者大于后者，则不把发送请求放入发送请求队列进入循环等待；循环等待时查看发送请求队列中是否有发送请求，如果有，则取出发送请求并将发送请求提交到接收方，并将未完成请求的个数减1，再次循环执行步骤2直至到比较未完成请求的个数不大于发送请求队列长度的第二选定比例数，将该发送请求放入发送请求队列，退出此次循环。

图4中，Un表示未完成请求的个数，每发送一个请求，Un增加1，然后Un和1/2*qSize进行比较，如果结果小于0，则将发送请求放入发送请求队列，继续发送下一个请求；如果结果大于0，然后再用接收到Un和1/4*qSize比较，首次比较结果一定是大于0，进入消息循环动态等待，查看系统消息队列中有无请求事件，如果有请求事件，则取出消息并分发消息处理，Un减少1，再次循环比较Un和1/4*qSize，直到比较结果小于0，退出此次循环，开始下一次通信； 如果没有请求事件，则继续等待。

本实施例比较设定发送请求个数和实际完成发送请求个数，根据比较结果来不断调整通信的状态，是继续发送还是中止等待，从而使发送的请求数控制在设定的标准之下，即避免了发送请求队列缓冲区溢出而响应超时，又充分利用了缓冲区资源，提高了通信的效率和可靠性。

实施例2：在实施1的基础上，本实施例提供的仿真模型与控制器通信的方法包括还如下步骤：仿真模型与控制器之间设置通信模块，所述通信模块用于实现仿真模型与控制器通过数据总线通信；通信模块运行后，在通信开始前会加载一个配置文件，配置文件中有下列内容，分别是仿真模型侧类型名、仿真模型侧标签名和控制器侧标签名，可选地还把包括中文描述、英文描述、最小变化量阈值；其中，仿真侧类型名包括模拟量输入、模拟量输出、数字量输入和数字量输出四种类型，用以标识该标签名是模拟量还是数字量，是输入还是输出类型，在仿真模型中根据不同的类型构建不同类型的数据，阈值表示数据变化的临界值，当前值和上次值的变化量超过最小变化量阈值代表发生了变化，否则视作不变。

中文描述和英文描述用于对仿真模型侧类型名、仿真模型侧标签名和控制器侧标签名进行描述。

配置文件的内容被加载到内存中，首先为每个控制器侧标签名创建一个虚拟序列号，称为控制器侧虚拟序列号，然后遍历仿真模型的数据库，找到控制器侧标签名和仿真模型侧标签名的对应关系，创建多级映射，包括模拟量输入与控制器侧虚拟序列号的映射，模拟量输出与控制器侧虚拟序列号的映射，数字量输入与控制器侧虚拟序列号的映射，数字量输出与控制器侧虚拟序列号的映射，控制器侧虚拟序列号与仿真侧标签名的映射，控制器侧虚拟序列号与仿真侧标签名索引序列号的映射，仿真模型侧标签名索引序列号与仿真模型侧实时值的映射，如图2所示。

本发明在访问仿真模型侧标签点数据时，采用了多级映射索引机制，首先通过控制器侧标签点快速定位到控制器侧虚拟序列号，然后通过控制器侧虚拟序列号快速定位到仿真侧标签名索引序列号，再通过仿真侧标签名索引序列号快速定位到仿真侧实时值；即通过控制器侧标签点可以快速定位到仿真侧实时值，提高了数据访问的效率。

在上传数据时，采用轮询机制访问仿真模型数据并传输到控制器，首先需要遍历控制器侧标签名，依次从仿真模型获取数据，由于通信模块启动时已经建立了多级映射机制，可以通过控制器侧标签名快速索引到仿真模型侧标签点的值，首先通过控制器侧标签点快速定位到控制器侧虚拟序列号，然后通过控制器侧虚拟序列号快速定位到仿真侧标签名索引序列号，再通过仿真侧标签名索引序列号快速定位到仿真侧实时值，从而提高了数据访问的效率，为数据传输节省了大量时间。

在下发指令时，通信模块采用订阅机制从控制器获取数据，只需要在开始时将目标标签名都发起订阅请求一次，以后只要数据变化满足注册时的条件就会将数据主动推送给仿真模块，条件参数有最小时间、最大时间和最小变化量阈值，在最小时间和最大时间之间只要变化量超过了最小变化量阈值就会推送数据，大于最大时间时无论是否变化都会推送数据。

本发明提供的方法在通信过程中双向均采用变位传送或变化传输，每个标签名的变化阈值均在配置文件中可配置；采用轮询和订阅机制相结合的方式访问数据，上传数据时采用轮询机制访问仿真模型数据并传输到控制器，下发指令时采用订阅机制从控制器获取最新数据并发送给仿真模型，采用轮询和订阅机制相结合的方式访问数据，充分利用了仿真模型和控制器各自数据存储的特点，提高了数据传输的效率；采用通信过程中双向均采用变位传送或变化传输，避免了上送不变的数据，减少了数据传输的频率，提高了网络带宽的利用率，变相提高了有效数据的传输效率；每个标签名的变化阈值均可在配置文件中配置，配置颗粒度细，灵活性好；

可选地，设置人机界面，所述人机界面与所述控制器相连，在人机界面上有一个启停按钮和刷新周期下拉菜单供选择，在启动状态时，按钮上显示“Stop”，此时点击按钮会停止通信，按钮上显示变为“Start”；在停止状态时，按钮上显示“Start”，此时点击按钮会开始通信，按钮上显示变为“Stop”；在通信为停止状态时，即按钮显示“Start”时，可以通过下拉菜单选择刷新周期，重新设置一个新的数据刷新时间。具备一键启停功能，以及刷新周期动态调整功能，只需要简单操作即可启停通信和改变刷新周期，操作简单，动态灵活。且程序采用Qt开发，具备跨平台特性，安全性好。

本发明还提供了一种仿真模型与控制器通信的系统，所述系统包括通信模块，所述通信模块设置于仿真模型与控制器之间，所述通信模块用于实现仿真模型与控制器通过数据总线通信；所述通信模块，用于执行权利要求以上实施例所述的一种仿真模型与控制器通信的方法。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，通信模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例中描述的各方法步骤和单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各实施例的步骤及组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域普通技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或步骤可以用硬件、处理器执行的软件程序，或者二者的结合来实施。软件程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内。

Claims (7)

1.一种仿真模型与控制器通信的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：接收到一个发送请求，将未完成请求的个数加1，将更新后的未完成请求的个数与设定的发送请求队列长度的第一选定比例数相比，若前者小于后者，则将该发送请求放入发送请求队列；若前者不小于后者，则执行步骤2；

步骤2：将未完成请求的个数与发送请求队列长度的第二选定比例数相比，若前者大于后者，则不把发送请求放入发送请求队列进入循环等待；循环等待时查看发送请求队列中是否有发送请求，如果有，则取出发送请求并将发送请求提交到接收方，并将未完成请求的个数减1，再次循环执行步骤2直至到比较未完成请求的个数不大于发送请求队列长度的第二选定比例数，将该发送请求放入发送请求队列，退出此次循环；

在通信开始前加载配置文件，所述配置文件包括仿真模型侧类型名、仿真模型侧标签名以及控制器侧标签名，所述仿真模型侧标签名和控制器侧标签名用于标识就地设备名称，并且两者一一对应，仿真侧类型名包括模拟量输入、模拟量输出、数字量输入和数字量输出四种类型；

加载配置文件后，为每个控制器侧标签名创建一个控制器侧虚拟序列号，遍历仿真模型的数据库，找到控制器侧标签名和仿真模型侧标签名的对应关系，创建多级映射关系，所述多级映射包括模拟量输入与控制器侧虚拟序列号的映射，模拟量输出与控制器侧虚拟序列号的映射，数字量输入与控制器侧虚拟序列号的映射，数字量输出与控制器侧虚拟序列号的映射，控制器侧虚拟序列号与仿真侧标签名的映射，控制器侧虚拟序列号与仿真侧标签名索引序列号的映射。

2.根据权利要求 1所述的一种仿真模型与控制器通信的方法，其特征在于，在上传数据时，采用轮询机制访问仿真模型数据并传输到控制器，具体包括：遍历控制器侧标签名，定位到控制器侧虚拟序列号，通过控制器侧虚拟序列号利用多级映射关系索引到仿真模型侧标签点的仿真模型数据。

3.根据权利要求 1所述的一种仿真模型与控制器通信的方法，其特征在于，在下发指令时，采用订阅机制从控制器获取数据，在通信开始时对目标仿真模型侧标签名都发起订阅请求一次，以后只要数据变化量满足设定条件就将指令中的数据主动推送给仿真模型。

4.根据权利要求3所述的一种仿真模型与控制器通信的方法，其特征在于，所述配置文件还包括模拟量最小变化量阈值，将从控制器获取数据变化量与最小变化量阈值比较，只有大于或者大于等于最小变化量阈值，才将指令中的数据推送给仿真模型。

5.根据权利要求3所述的一种仿真模型与控制器通信的方法，其特征在于，设定条件包括条件参数最小时间、最大时间和最小变化量阈值，在最小时间和最大时间之间只要数据变化量超过了最小变化量就推送数据，大于最大时间时无论是否变化都将数据推送给仿真模型。

6.根据权利要求1所述的一种仿真模型与控制器通信的方法，其特征在于，设置人机界面，所述人机界面与所述控制器相连，用于控制通信的开始和停止。

7.一种仿真模型与控制器通信的系统，其特征在于，所述系统包括通信模块，所述通信模块设置于仿真模型与控制器之间，所述通信模块用于实现仿真模型与控制器通过数据总线通信；所述通信模块，用于执行权利要求1~6任意一项权利要求所述的一种仿真模型与控制器通信的方法。

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