某型汽轮给水机组监控软件一体化测试平台

　　信息技术的迅猛发展，使得软件无处不在，绝杂、耦合度越来越高，质量问题也日益突出[1-2]。大多数工业产品的功能和性能都由软件决定，其尤其是基于控制部件硬件开发的嵌入式监控软应用越来越广泛、规模越来越庞大、结构越来越复件，由于无法提取其软件源代码，不能按照标准化的方法[3^4]，在经过授权、具有权威性的软件测试环境中开展测试，只能采取随被控设备一同运行检验的方式，而被控设备试验又受到安全性、经济性等方面的限制，不能遍历所有可能的状态，因而存在测试不完整、在关键时刻可能失常的风险。

　　针对上述问题，本文以某船用汽轮给水机组数字化监控装置的嵌入式软件为对象，开展基于仿真机的监控软件一体化测试平台研究，给出了平台的结构组成、功能原理、研制方案、关键技术及解决方案等，为平台研制奠定了基础。

　　1需求分析

　　1.1嵌入式监控软件的特点

　　某型船舶蒸汽动力装置汽轮给水机组的监控系统以传感器、通讯设备、控制器、人机接口站、监控台屏、执行器为工具，对汽轮给水机组及凝给水系统的运行状态进行集中监测管理，帮助船员了解系统的运行状态，为装备的使用与决策提供依据。与此同时，监控系统还在参数监测的基础上，根据设备当前运行状态，采用_定算法实现给水机组的自动调节、控制和安保功能，提高设备自动化程度和应急效率，降低了操作人员的劳动强度。

　　汽轮给水机组作为舰船蒸汽动力装置的重要部件，其监控软件具有以下几个方面的特点。

　　1)安全等级比较高由于蒸汽动力装置具有高参数、强耦合、非线性、大滞后和分散布置等特点[]，其监控系统的安全性和可靠性非常重要，—旦监控系统出现了问题，基本上动力系统将瘫痪，甚至引发事故，造成设备损坏和人员伤亡。

　　2)研制周期短、成本控制严监控系统一般与设备同时研制，但是在设备硬件的生产加工完成前，对于监控系统软件的验证会出现_个真空期。在这一段真空期内，开发人员只能对软件代码进行查错和优化，无法进一步测试软件性能。此外，出于研制成本、安全性和实验条件的限制，在设备装船使用前的陆上联调实验中，也不可能进行监控系统的全性能包线实验，不能保证软件完全达到设计性能要求。

　　3)缺乏专业测试工具当前，流行的各种软件运行和测评工具只能提供软件功能流程和接口方面的测评，运行状态和数据需要手工修改而且无法输出非法数据、错误流程和异常命令，不能完全满足监控系统软件测评的技术能力要求，测试深度和广度均受到限制。

　　1.2—体化测试平台的要求

　　鉴于上述嵌入式监控系统软件的特点，需要设计_款专门的软件测试平台，对汽轮给水机组的监控系统进行一体化测试，其要求如下。

　　1.2.1总体要求

　　1)采用模型代替实装作为监控系统的负载，进行各种模拟运行实验，以检测监控系统的控制、调节和保护功能。

　　2)能够进行_些在实装上无法或不允许进行的实验，例如给水机组设计边界运行实验、大扰动实验、手自动速关实验、故障仿真实验等，目的是对监控系统进行技术摸底。

　　3)能够记录、分析仿真数据，对监控系统软件的控制参数进行整定。

　　1.2.2范围和深度要求

　　测试范围涵盖汽轮给水机组在凝给水系统中运行的全性能包线，测试深度达到能够根据测试数据评判监控系统性能好坏，并对其功能完善和控制参数整定提供实验数据支持的程度。

　　1.2.3可信度要求

　　1)以系统热平衡计算书、汽轮给水机组和凝给水系统的技术规格书为参照，重要参数(输入参数1〜8分别为锅炉水位调节阀开度、汽轮机进汽压力、汽轮机进汽温度、废汽压力、锅炉汽筒压力、除氧器蒸汽流量、冷凝器压力、冷凝器水位，输出参数1〜8分别为给水机组转速、给水压差调节阀阀位、凝水泵出口压力、增压泵出口压力、给水泵出口压力、给水总管压力、除氧器压力、除氧器水位)在稳定工况运行的模拟误差小于1务，其他参数小于3务。

　　2)变工况运行时参数变化趋势合理，重要参数的动态误差与实验数据相比，不超过5务，其他参数不超过10务。

　　3)稳态运行时重要参数的漂移在60min内小于1务。

　　2平台组成和功能原理

　　2.1结构组成

　　本平台由某型汽轮给水机组和凝给水系统仿真机与仿真机和实装监控系统的数据接口两大部分组成。仿真机是整个测试平台的技术核心，其功用是替代汽轮给水机组实装作为监控系统软件的激励和负载，模拟动力系统的运行环境并响应监控系统的控制指令和安保信号。仿真机由汽轮给水机组本体仿真模型软件、凝给水系统仿真模型软件、仿真实验时的人机交互界面软件和仿真数据库四部分组成。

　　数据接口是测试平台的必备部件，其功用是实现仿真机与实装监控系统之间参数和指令的双向数据交互。双向数据交互包括两方面内容：一是监控系统控制指令与仿真机计算输入之间模数转换;二是仿真机输出的设备运行参数与实装监控装置监测信号之间的数模转换。

　　2.2功能原理

　　本平台有软件功能测试和监控参数整定两大功能，功能测试包括：参数监测和报警功能、给水压差自动调节功能、给水压差遥控调节功能、给水压差设定功能、机组联锁保护功能、机组手自动速关功能、机组自动启动和停止功能;参数整定包括：环境变量扰动实验、模型参数扰动实验、给水机组故障防真实验、凝给水系统故障仿真实验、机组设计边界运行实验、控制参数对比运行实验、仿真结果和实验数据分析。

　　在软件功能测试时，仿真机首先通过数据接口接收实装监控系统发送的控制指令，然后根据控制指令和运行环境设置模拟汽轮给水机组和凝给水系统的运行，并计算监控软件所需的运行参数;监控系统首先通过数据接口接收仿真机输出

　　的设备运行参数，然后依据当前状态参数和控制目标的差异计算新的控制指令，并通过接口发送给仿真计算机，形成闭环。

　　在控制参数整定时，通过仿真机进行不同控制参数下的环境扰动和故障仿真实验，分析不同环境变量输入和模型参数设定时的仿真结果和实验数据，在一定控制指标要求下实现控制参数的整定。

　　3平台研制

　　3.1对象模型设计

　　采用面向对象的模块化思想[6]，按照设备组成和工质流程对某型汽轮给水机组及凝给水系统进行模块化分解，具体如下。

　　1)汽轮给水机组仿真模型包括：汽轮机本体模块模型、汽轮机进汽调节阀(给水压差调节阀)模块模型、给水机组速关阀模块模型、汽轮机喷嘴模块模型、凝水泵模型模块、增压泵模块模型、给水泵模块模型、给水机组转子模块模型、给水机组轴承模块模型等。

　　2)凝给水系统仿真模型包括：除氧器模块模型、锅炉水位调节阀模块模型、凝水再循环调节阀模块模型、凝水节流调节阀模块模型、各管路的流量模块模型、各管路的阻力模块模型、各节点压力模块模型等。

　　.2仿真支撑平台

　　随着仿真理论和计算机技术的发展，复杂系统仿真必须基于一定软件平台的观点已经得到了仿真学界的共识[7]。实践表明：使用恰当的仿真支撑平台可以极大地缩短模型开发周期、降低开发成本、提高代码重用率以及模型软件的可维护性。

　　综合考虑本平台的功能需求和规模后，确立的仿真支撑平台的技术要求如下：①提供仿真开发环境，实现仿真数据库和模型数据库管理、源程序生成、程序编辑、代码编译、模块搭接等功能;②提供模型运行环境，实现模型调试、运行管理、进程控制等功能;③可以离线或在线编辑模型和算法库;④提供开放的通讯端□，通讯方式灵活、操作方便;⑤有数据备份和恢复功能;⑥能够自动或手动进行初始条件设置和故障注入;⑦能够检验模型输入和输出的合法性，对检测到的错误应给出恰当提示信息，当输入错误时仿真进程不能中断。

　　3.3测试项目规划

　　在模型设计完成后，进一步分解出具体的测试项目，实施策略如下：①以模块划分和拓扑关系为主导逐层规划;②一个硬件设备对应一个接口测试项;③_个性能指标对应一个性能测试项。

　　针对本文的研究对象，测试项目规划如下。

　　1)汽轮机进汽阀(给水压差调节阀)自动调节功能测试;

　　2)汽轮机进汽阀(给水压差调节阀)遥控调节功能测试;

　　3)汽轮给水机组手动和自动速关功能测试;

　　4)汽轮给水机组联锁保护功能测试;

　　5)汽轮给水机组自动启动和停止功能测试;

　　6)给水压差设定功能测试;

　　7)锅炉水位调节阀、凝水再循环调节阀、凝水节流调节阀、汽轮机进汽参数、废汽压力、锅炉汽筒压力、除氧蒸汽流量、冷凝器压力和冷凝器水位扰动实验;

　　8)汽轮给水机组设计边界运行实验;

　　9)汽轮给水机组超负荷输入运行实验;

　　10)汽轮给水机组故障仿真实验;

　　11)凝给水系统故障仿真实验;

　　12)不同控制参数下的机组模拟运行实验;

　　13)监控系统A/D、D/A接口信号转换实验。

　　3.4人机交互界面

　　为实现监控软件的功能测试和参数整定，需要提供仿真实验时的人机交互界面，包括：环境变量输入页面、给水机组运行参数输出界面、监控系统状态及控制指令输出界面、仿真模型参数设定和数据配置页面、故障和扰动注入界面、仿真数据查询和管理界面等。

　　3.5测试环境构建

　　“汽轮给水机组嵌入式监控系统一体化测试平台”构建的是一种全数字仿真运行和分析环境，因为这一环境与传统采用硬件模拟的测试环境相比，更容易与监控系统软件相兼容，同时也方便组成环境的重用和平台功能的拓展。构建这种测试环境的具体形式为LIB静态函数库和DLL动态链接库，具体包括;模型算法库、模型变量库、故障数据库、工质(水和水蒸气)热力学函数库、仿真结果数据库、人机交互界面控件库等。

　　4关键技术

　　4.1汽轮给水机组和凝给水系统全工况数学模型

　　“汽轮给水机组嵌入式监控系统一体化测试平台”的核心是某型汽轮给水机组和凝给水系统的全工况数学模型，包括汽轮机本体、汽轮机进汽阀(给水压差调节阀)、给水机组速关阀、汽轮机喷嘴、凝水泵、增压泵、给水泵、给水机组转子、除氧器、锅炉水位调节阀、凝水再循环调节阀、凝水节流调节阀、凝给水系统管路等。在实际运行过程中，这些设备和系统按照各自规律并行工作，并相互作用、相互依赖，如果使用传统方法建模，工作量大而且存在以下技术风险：①模型不能全面正确对象特性;②模型计算的实时性和精度达不到监控系统的匹配要求;③计算效率达不到预期要求。

　　以上问题很可能会导致最终建立的模型无法满足功能要求。本文将复杂动力设备和系统模型拆解为若干个简单的模块模型，并采用模块搭接的方式构建整体数学模型，提高了建模效率、保证了模型的通用性、精确性和实时性，避免“仿真不真”。

　　4.2平台与实装监控系统的数据接口

　　监控系统的正常运行对数据量和通讯速率都有相应的要求，本文在设计数据接口时采用了标准的TCP/IP通讯协议，保证通信速率不小于10Mbit/s。采用开放的通讯点表进行数据配置，方便灵活，满足了仿真实验对数据量的要求。

　　4.3实装监控系统联调实验中涉及的技术问题

　　平台开发完成后，要与实装监控系统进行联调，其中可能涉及到一系列技术问题，包括系统搭建、实验组织、实验设计和结果分析等，具体问题要根据实验现场情况和已有工程经验予以解决。

　　4.4仿真数据分析和控制参数整定

　　对各种环境输入下的仿真结果和模拟运行数据进行分析，采用基于最优控制理论的解析法，结合已有研究成果和相关工程经验，在理论分析基础上对监控系统的控制参数进行了整定，达到了测试软件功能、优化控制效果的目的。

　　4.5图形化的人机交互界面

　　在监控系统的软件测试和参数整定中，需要频繁地改变模型运行环境、注入各种模拟故障和不同程度的扰动因素，为方便实验过程的参数记录、数据修改和结果分析，需要一个功能强大、界面友好的人机交互界面。本文采用工业组态软件制作所需的人机界面，并采用棒图、动态数字、实时曲线、交互式文本框等，实现了环境变量输入、运行状态和参数显示、模型参数设定和数据配置、故障和扰动注入、数据查询和管理等功能。

　　5结束语

　　本文设计了_种基于数学模型的汽轮给水机组嵌入式监控系统一体化测试平台。该平台利用数学模型模拟汽轮给水机组及凝给水系统在不同控制参数和环境输入下的运行，为监控系统提供所需的参数和状态信息，同时响应监控系统的控制、调节和安保信号输出，经实际工程应用证明：该平台能够在不依赖实际装备的情况下，通过友好的人机交互界面，实现了运行环境设置和模拟故障注入;通过反复进行不同控制参数和环境设置下的模拟运行实验，得到了给水机组在正常运行工况、设计边界运行工况、超负荷运行工况、应急运行工况和常见故障下的运行数据，为监控系统的性能优化提供实验数据支持。本文的研究成果一方面满足了某型汽轮给水机组监控系统测试的现实需要，另一方面也为其他同类舰船装备的软件测试提供了参考，具有广阔的工程应用前景。