智能化控制系统图形化编程平台搭建与应用

牛松森，楚子林，杨建新，厉成元，单凌寒

（1.天津电气科学研究院有限公司，天津 300301；2.中交一航局安装工程有限公司，天津 300457）

智能化控制系统图形化编程平台搭建与应用

牛松森1，楚子林1，杨建新1，厉成元1，单凌寒2

（1.天津电气科学研究院有限公司，天津 300301；2.中交一航局安装工程有限公司，天津 300457）

控制器是各类大型、复杂电控装置的控制核心，它的性能直接影响着整个控制系统的技术指标。介绍了一种智能化控制系统图形化编程平台ΤGCS，此编程平台创新性地采用“运行前调度策略”，具有丰富的功能模块库、友好的人机界面和强大的组态功能。使用此编程平台，用户可以快速高效地开发出各种复杂的、高性能的、专用的控制系统。

通用控制系统；运行前调度策略；图形化编程；模块化编程

数字化、智能化技术是产品创新和制造技术创新的共性使能技术，将会深刻改革制造业的生产模式和产业形态，是新的工业革命的核心技术［1］。

近年来，其自主研发的通用控制系统开发平台得到了广泛应用。该通用控制系统开发平台具有完全自主知识产权，适用于大型自动化系统及复杂电控设备的智能化控制，也可利用该通用控制系统开发平台开发具有特定功能的专用控制系统。本文主要介绍该通用控制系统开发平台的图形化编程平台的特点和实际应用情况。

1 通用控制系统图形化编程平台

天津电气院通用控制系统图形化编程平台，简称ΤGCS（tried general controller software），是基于图形化编程的微处理器集成开发环境，其创新采用“运行前调度策略”，具有丰富的功能模块库、方便易用的人机界面和强大的组态功能。

ΤGCS集成了丰富的用于实现各类系统控制和算法的功能模块，支持嵌入式程序代码的建立、编译链接、下载、运行监控、代码调试以及加密上传保护。使用ΤGCS，用户不需要编写系统实现代码，只需要通过修改功能模块的运行参数、创建功能模块端子间的连线关系和设置功能模块运行的先后次序等操作，即可完成控制系统的软件设计。

1.1 TGCS的架构

ΤGCS作为上位机软件开发平台，主要包含图形化编程界面、模块化抽象数据定义、编译下载模块、命令解析模块、运行监控模块、COMM通讯模块等部分。图形化编程界面提供直观简洁的操作界面，包括工程管理、功能页编辑、功能模块库管理、实时跟踪、属性管理、运行日志管理等页面。模块化抽象数据定义是将各种控制装置、站点、机箱、CPU等定义为抽象的数据结构，可通过简洁的命令进行增加和删除。编译下载模块将ΤGCS工程编译成目标代码然后下载到控制单元中去执行。命令解析模块用于建立上位机和控制单元之间的通信协议。运行监控模块可以实时进行控制单元运行状态监测，并通过参数修改控制被控对象的运行。COMM通讯模块用于上位机和控制单元之间的通信。

模块间的关系如图1所示。

图1 TGCS架构Fig.1 TGCS′s architecture

1.2 TGCS的特点

ΤGCS创新采用“运行前调度策略”和成熟的图形化、模块化编程技术，并设计实现了完备的在线监控和调试功能。这些技术的使用大大提高了通用控制系统的可靠性，显著缩短了通用控制系统的开发周期，提高了软件的质量和生产效率，充分利用了软件开发中积累的软件资产，实现了软件的工业化批量生产。

1.2.1 运行前调度策略

运行前调度策略由调度的离线计算和调度运行两部分组成，即离线计算周期值等于给定进程集周期的最小公倍数的全部周期进程的调度，并根据先前计算的调度策略执行周期性进程［2］。采用运行前调度策略要求能够预先了解系统中进程的主要特性。

ΤGCS编程平台采用运行前调度策略来对通用控制器系统进行任务执行管理。在主程序中，设置每个处理器的定周期基本采样时间T0，采样时间T1是T0的2的指数（0和正整数）倍，T2～T5依次是上一个采样时间的2的指数倍，例如：T0=1 ms，T1=1 ms，T2=4 ms，T3=8 ms，T4=32 ms，T5=128 ms。系统中的每个功能块需要按主程序中的设置，在T1～T5采样时间中选择1个。根据需要，1个功能包中可能有1～5种采样时间。在程序编译中，根据所设置的平均采样时间并考虑特殊情况评估任务占用的资源情况，判断可行性。

实践表明，运行前调度策略比传统的优先级调度策略更适合通用控制系统应用。以“运行前调度策略”为基础，可以以相对较小的系统开销，实现微处理器在多线程运行环境中，各项任务执行的顺序与时间确切、可控，提高了微处理器硬实时系统任务的执行能力。通过在系统运行前精确评估程序运行时间，用户根据处理器资源与性能的限制，合理安排功能块的任务组合，可以确保处理器按时完成预先配置的任务，实现处理器资源和性能的高效利用。下载运行的程序经在线调试修改，变更后处理器实际运行的程序可以上载备份，实现控制系统结构与参数的完美复现。

1.2.2 丰富的功能模块库

ΤGCS以功能模块的形式保留前期的开发成果。通用功能模块包含算术运算、逻辑运算、控制、输入输出、通信、数据转换等；专用功能模块主要包括变流器控制、矢量控制等。通用功能块主要供用户解决应用中的工艺控制、故障综合、逻辑连锁和速度环控制等任务；专用功能块主要用于变流器电流闭环控制及相关任务，其结构和部分参数不能由用户改动。另外还可以将工作中使用频繁、结构和功能稳定的基本功能模块及功能模块间的连线信息封装在一起，搭建出一种新型的功能模块，即“宏功能模块”。宏功能模块具有普通功能模块的属性和行为，和普通功能模块一起使用。而且通过宏功能模块的导入导出操作可以使宏功能模块在其他相同类型的项目中实现复用。

1.2.3 强大的界面显示及组态功能

ΤGCS采用组态概念的图形化编程方式。ΤGCS界面是容易操作的windows风格，并可根据个人喜好对子功能窗口进行隐藏和停靠，支持通用快捷键功能。在ΤGCS工程中，算法功能模块可以在功能页面上自由拖动，方便排列调整。

ΤGCS支持页内和页间功能模块端子之间创建连线。对页内的多个同源连线的公共部分，以共享点区分，连接关系简洁明确；对不同功能页面之间的功能模块端子间的连线，页外连接信息显示于页边特定区域，支持点击快速跳转跟踪连线的另半部分。对于不存在可用路径的情况，采用标号的方式表明连接关系。功能模块端子间的连线采用合理高效的自动布线算法，此算法为优化的A星搜索算法，这是一种图形平面上的启发式搜索算法。算法的基本思想是：在状态空间中的搜索对每一个搜索的位置进行评估（股价函数为曼哈顿距离），得到最好的位置，再从这个位置进行搜索直到目标。找出可行路线，最后对连线结果进行优化，优化方案的基本原则是连线数据点最少。

编辑完成的页面以有向图表示，节点功能模块代表数据处理函数，数据通过功能模块节点间的连线传入传出。

ΤGCS界面如图2所示。

图2 TGCS界面Fig.2 TGCS′s interface

1.2.4 完备的在线监控和调试功能

ΤGCS工程支持PC端和小键盘、触摸屏等辅助设备端的在线监控和调试。主要监控和调试内容有：功能模块端子值实时跟踪查看和输入值在线修改，端子连线在线修改，端子数据动态显示，参数化端子的跟踪和改值，波形记录和自诊断。

ΤGCS提供了端子参数化功能。参数化是指用约定的一串数字来代表功能模块端子，通过对参数的操作可以实现对端子的操作，多见于用小键盘、触摸屏等辅助设备调试操作单元。参数化参数分为主参数和辅参数两部分。参数化除了可以修改端子值和连线外，还可以输出故障字和故障屏蔽字、显示运行时间、CPU使用率等信息，便于监控和调试。

ΤGCS波形显示包括模拟量波形显示、数字量波形显示和端子值波形显示。在上位机中观测波形，是以某一时刻为触发点，FPGA将保留触发点前的一部分数据，同时再采集一段时间的数据，然后将全部数据送ΤGCS显示。ΤGCS波形记录并不是一种波形实时显示的功能，而是还原在某一触发点前后这些观测量的运行曲线，这为系统用户供了一种故障分析的手段。

采用合适的监控和调试方式，通过COMM通信模块实时读取控制单元中端子值数据并显示于ΤGCS页面和小键盘、触摸屏等辅助设备，用户能及时了解控制单元的运行情况，配合在线端子数据修改（改值/改连线），便于快速做出合理的调整，设计出优化的控制系统［3］。

图3为功能模块端子值实时跟踪查看界面。

图3 端子值实时跟踪查看Fig.3 Port value real-time tracking

1.3 使用TGCS编程平台进行通用控制系统开发

在确定了通用控制系统设计方案之后，软件使用者就可以使用ΤGCS进行程序开发了。

开发流程如图4所示。

图4 使用TGCS开发通用控制系统流程Fig.4 Development process for general control system using TGCS

首先，建立工程。ΤGCS提供有工程创建向导。工程创建向导指导用户选择ΤGCS工程的保存位置、设置机箱、站点、CPU的属性、采用的功能模块库版本、采样时间、图纸打印信息等。通过向导，可以快速建立起具有基本元素的ΤGCS工程。其次，编辑ΤGCS工程的CPU项目。拖拽功能模块到CPU项目的功能页中，调整到适当位置，根据设计方案在功能模块的端子间建立连线，并设置功能模块的初始参数。最后，对搭建完成的ΤGCS工程进行编译，并将程序下载到控制单元。

后面就是调试部分，通过在线监控和调试功能，使用控制单元对被控对象进行控制，在线观测功能算法模块的输入输出数据，根据输出结果，进行参数调整。如果需要修改算法或者增删功能模块，需要重新修改、编译、下载ΤGCS工程。

1.4 TGCS的实际应用情况

作为软件自动化技术集成开发平台，ΤGCS在天津电气院的系列光伏逆变器产品开发、系列变频器国产化研发中得到了广泛的应用，显著提高了开发效率及代码的可靠性。

采用此平台之前，中等项目的项目周期动辄1 a以上，有的项目甚至多年才能完成，其中固然有很多其他因素，但是缺少适合的开发平台是最关键的一个因素，在ΤGCS平台下，项目周期大大缩短，据不完全统计，能缩小2倍以上。

例如，以此为平台开发的7.2 kW光伏储能逆变器、500 kW光伏并网逆变器、ΤAC1系列整流器等，均在短期内迅速开发完成，已有数百台设备在国内外的应用现场可靠运行，效果良好。

2 结论

本文描述了一种智能化控制系统图形化编程平台ΤGCS，ΤGCS创新性地采用“运行前调度策略”，具有丰富的功能模块库、方便易用的界面显示和强大的组态功能，应用面宽、实用性强，可广泛应用于节能环保、新能源、高端装备及新能源汽车等战略性新兴产品的开发。该开发平台特别适合于创新研发具有复杂控制功能要求的新型电控设备。可有效地缩短并简化基于微处理器的新产品研发过程，有效提高国产大型高性能电控设备的适用性、技术性能指标及可靠性。

［1］周济.制造业数字化智能化［J］.中国机械工程，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］马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统［M］.北京：机械工业出版社，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，硕士，工程师，Email：niusongsen@tried.com.cn