劉 穎,祁 蔚2,張立群,張玉峰

(1.中國核電工程有限公司,北京 100840;2.中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司,湖北 武漢 430223)

核電設(shè)計的驗證方式目前主要包含設(shè)計評審、替換計算、試驗(實驗)方式等。在以往核電廠設(shè)計中,一般采取的方式是設(shè)計評審,設(shè)計驗證主要依靠評審人員的經(jīng)驗進(jìn)行。近年來,各大核電設(shè)計研究院的儀控系統(tǒng)設(shè)計均開始采用成熟的商用工程設(shè)計平臺或者定制開發(fā)的專用繪圖軟件,儀控設(shè)計圖紙采用標(biāo)準(zhǔn)模板并以數(shù)據(jù)庫的方式存儲,甚至可以用計算機(jī)代碼解析和計算,因而采用替換計算、試驗方式進(jìn)行儀控設(shè)計驗證變?yōu)榭赡躘1-3]。同時,核安全局對核電廠設(shè)計驗證的要求也在逐漸提高,核電設(shè)計工作的仿真驗證已經(jīng)逐漸成為核電設(shè)計中不可或缺的內(nèi)容。由于計算機(jī)設(shè)計仿真分析的時效性和經(jīng)濟(jì)型,先進(jìn)核電研發(fā)設(shè)計中,大量的方案研究、設(shè)計開發(fā)都采用了計算仿真分析[4-5]。

方家山和福清核電項目的設(shè)計驗證平臺中,由于儀控出圖未采用標(biāo)準(zhǔn)圖塊,計算機(jī)無法解析。因而儀控系統(tǒng)建模采用仿真工程師手動建模的方式,這種須進(jìn)行二次人工組態(tài)建模的方式工作效率低、耗時長且經(jīng)常存在工作反復(fù)。自福清5、6號機(jī)組項目(“華龍一號”堆型)開始,儀控設(shè)計工作使用基于visio開發(fā)的功能圖專用自動化設(shè)計軟件,采用標(biāo)準(zhǔn)圖塊設(shè)計方法,統(tǒng)一使用標(biāo)準(zhǔn)圖框、圖面、圖例符號、統(tǒng)一的字體和線型,儀控設(shè)計成品圖紙使用功能圖替代了邏輯圖/模擬圖。功能圖采用標(biāo)準(zhǔn)圖塊繪圖、使用標(biāo)準(zhǔn)出圖軟件繪制,功能圖可用計算機(jī)代碼進(jìn)行解析,構(gòu)成了功能圖紙自動導(dǎo)入設(shè)計驗證平臺、進(jìn)行儀控系統(tǒng)仿真建模的基礎(chǔ)。

1 功能圖文件轉(zhuǎn)換的基本原理

功能圖中的構(gòu)成元素包含以下幾類：標(biāo)準(zhǔn)圖框、文本塊、基本幾何形狀圖塊(圓形/橢圓/矩形等)、組合框圖塊、標(biāo)準(zhǔn)算法模具塊、標(biāo)準(zhǔn)算法模具塊屬性信息、標(biāo)準(zhǔn)算法模具塊之間的動態(tài)連接關(guān)系等。這些大體可分為靜態(tài)圖塊/文本、動態(tài)圖塊、圖塊參數(shù)信息、連接線。其中,動態(tài)圖塊、圖塊參數(shù)信息均為預(yù)定義模具塊以及預(yù)定義參數(shù)信息。

這些存儲在.vsd文件中圖元素數(shù)據(jù)有一定的規(guī)范格式,同時 visio軟件提供了可以訪問這些數(shù)據(jù)的接口,xml格式存儲信息為visio所提供的數(shù)據(jù)接口方式的一種。xml文件提供了幾個主要的接口,包含Document,節(jié)點相關(guān)的Nodelist,Node,NameNodeMap等,其中Document是整個xml文檔屬性結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的入口,通過Document可以訪問整個文檔的數(shù)據(jù)。xml文件以文檔樹形結(jié)構(gòu)(如圖1所示)的形式提供了有效的、準(zhǔn)確的、規(guī)范格式的繪圖信息,是一種優(yōu)秀的描述結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)語言,開放性與可擴(kuò)展性強(qiáng),代碼效率高,可讀性強(qiáng),能夠很好實現(xiàn)visio文檔數(shù)據(jù)的批量化處理。

圖1 xml文件結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of xmldocument

Rinsim仿真平臺可以通過xml文件提供的數(shù)據(jù)入口,解析功能圖中的圖元素以及參數(shù)、圖元素位置信息,并在圖形化建模軟件SimGen中將xml文件還原為.gmd格式的繪圖仿真文件。其中,源圖中的靜態(tài)圖塊/文本塊、模具圖塊參數(shù)直接還原為圖片/文本格式,無須在仿真平臺中預(yù)先定義；而源圖中預(yù)定義模具塊都需要在Rinsim仿真平臺預(yù)先開發(fā)一比一的仿真算法模具塊,通過名稱對應(yīng)的方式還原圖信息。

綜上,功能圖文件轉(zhuǎn)換為Rinsim仿真平臺可識別文件的基本轉(zhuǎn)換原理如圖2所示,源文件為使用功能圖專用制圖軟件按照制圖規(guī)范、使用標(biāo)準(zhǔn)模具圖塊繪制的.vsd文件；第二步,通過功能圖專用制圖軟件功能,將.vsd文件轉(zhuǎn)換為xml文件；第三步,功能圖導(dǎo)入軟件對xml文件進(jìn)行查錯流程,查錯無誤再經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后,將xml轉(zhuǎn)換為目標(biāo)xml文件；最后,目標(biāo)xml文件被Rinsim仿真平臺直接識別,還原為.gmd格式的仿真圖文件,經(jīng)編譯、下裝后可進(jìn)行仿真運算。

圖2 Vsio格式數(shù)據(jù)解析流程圖Fig.2 Data analysis flow of the visio document

2 功能圖導(dǎo)入軟件的功能

功能圖導(dǎo)入軟件的功能主要包含兩個,其一是通過預(yù)定義功能圖專用制圖軟件和Rinsim仿真平臺模具圖塊開發(fā)的技術(shù)規(guī)則與書寫格式,使用預(yù)先定義的錯誤類型和錯誤條件判據(jù)糾正功能圖繪圖的規(guī)范性偏差檢查源功能圖錯誤。另外一個是將xml文件進(jìn)行格式處理、信息補(bǔ)充以及格式檢查,以及部分算法塊的連接關(guān)系判斷處理,將其批量轉(zhuǎn)換為目標(biāo)xml文件。

2.1 查錯功能

仿真計算對于控制邏輯組態(tài)圖中算法圖塊的連接點類型、算法塊輸入針腳的初始值、算法塊參數(shù)的初值、算法塊命名有著嚴(yán)格的要求。用功能圖導(dǎo)入的方式建立控制系統(tǒng)模型,是一種在繪圖完成后直接進(jìn)行建模的方式,這就要求功能圖繪制也必須符合圖形化仿真建模工具軟件的制圖規(guī)范。然而,功能圖專用制圖軟件對繪圖的限制規(guī)范遠(yuǎn)不及Rinsim仿真平臺嚴(yán)格,功能圖專用制圖軟件目的是出版儀控成品文件,軟件首要功能是保證設(shè)計者有一定的發(fā)揮空間以及圖面的規(guī)整度,而不是保證出圖可直接用于平臺建模下裝。因此,若不能在功能圖導(dǎo)入前對功能圖進(jìn)行診斷以及錯誤分析,則會在導(dǎo)入后經(jīng)常出現(xiàn)圖紙導(dǎo)入不成功、導(dǎo)入組態(tài)圖編譯出錯、發(fā)生計算溢出等情形,這樣就需要仿真建模工程師耗費大量時間去分析問題,找出問題原因并向功能圖設(shè)計者反饋繪圖規(guī)范的問題,使得整個功能圖導(dǎo)入流程不停的反復(fù)在“繪圖完成——導(dǎo)入為組態(tài)圖編譯下裝——編譯出錯——修改繪圖”流程中,嚴(yán)重影響工作效率。

功能圖導(dǎo)入軟件的查錯功能,利用預(yù)先定義的錯誤類型和錯誤條件判據(jù)糾正功能圖繪圖的規(guī)范性偏差,使得功能圖的驗證偏差項的修正次序更科學(xué),從而減少了后續(xù)邏輯驗證工作的偏差問題分析的工作量。導(dǎo)入軟件診斷結(jié)果可作為圖紙能否直接導(dǎo)入驗證仿真平臺的輔助判斷依據(jù)；若功能圖文件未通過軟件診斷,診斷分析結(jié)果文件將繪圖偏差逐一分類并逐條羅列,結(jié)果分析文件(如圖3所示)清晰易懂,可作為繪圖者修正繪圖的依據(jù)。

圖3 功能圖診斷分析結(jié)果Fig.3 Diagnosis results for the function diagram analysis

2.2 導(dǎo)入功能

如本文第1章所述,功能圖導(dǎo)出為xml文件格式后,需要對xml文件進(jìn)行格式處理、信息補(bǔ)充以及格式檢查轉(zhuǎn)換為目標(biāo)xml文件后,才能夠正常導(dǎo)入進(jìn)Rinsim平臺的圖形化建模軟件SimGen,顯示為與原圖一致的組態(tài)圖,并且直接編譯下裝和運行。功能圖導(dǎo)入軟件對xml文件進(jìn)行的處理主要包含以下6個方面：

(1)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

功能圖專用制圖軟件的坐標(biāo)原點在畫面的左下角,而SimGen組態(tài)圖的原點坐標(biāo)在畫面的左上角；功能圖中各圖元素的坐標(biāo)信息對應(yīng)的是圖塊的居中位置,而SimGen中庫部件定位使用的是庫部件的左上角坐標(biāo)。所以xml文件在導(dǎo)入SimGen軟件時,需要根據(jù)功能圖的尺寸和SimGen組態(tài)圖的尺寸,以及模具圖塊的尺寸進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)值的轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后目標(biāo)xml文件中的發(fā)生了變化。

(2)懸空針腳的處理

某些特殊算法塊(平均值塊、表決塊等)需要統(tǒng)計懸空陣腳的數(shù)量,并將這個值增加至該算法塊的參數(shù)中,這就需要判斷算法塊的連接關(guān)系,對于有連接的針腳,在parameterlist結(jié)構(gòu)里增加insel屬性,并賦值為1；對于沒有連接的點,賦值為0。

(3)補(bǔ)充信號呼應(yīng)符變量信息

功能圖中填寫的信號呼應(yīng)圖塊的參數(shù)不能作為直接SimGen軟件直接生成變量的依據(jù),導(dǎo)入軟件需要根據(jù)信號符寫的參數(shù)和變量生成原則,重新處理得到變量名,保證相互匹配的一對信號呼應(yīng)在模型中產(chǎn)生的是同一個變量名稱。

另外,功能圖中信號呼應(yīng)符的連接點只區(qū)分IN/OUT類型,而不區(qū)分變量類型,信號類型(bool/float)需要根據(jù)該圖塊的參數(shù)確定,導(dǎo)入軟件需要根據(jù)所填的參數(shù)判斷該變量為bool/float型。

(4)設(shè)備ID補(bǔ)充

功能圖中某些圖塊帶有ID定義,而某些通用計算塊無ID定義。但是仿真組態(tài)圖中的每一個圖塊均需要ID定義來產(chǎn)生計算變量；另外,功能圖中允許兩種不同類型的圖塊使用同一名稱(最典型的是設(shè)備的控制圖塊和顯示圖塊),這個在仿真軟件中也是需要區(qū)分的。因此,源功能圖中的模具圖塊命名需要經(jīng)導(dǎo)入軟件再次處理,以確保導(dǎo)入驗證平臺后的組態(tài)圖紙所有模塊的名稱不出現(xiàn)ID重名情況。

另外,源功能圖中設(shè)備的驅(qū)動塊是一個復(fù)雜的、重要的算法塊,這個算法塊的變量值嚴(yán)重影響設(shè)備的動態(tài)響應(yīng),但是該圖塊在源圖沒有ID命名。針對這種情況,一次導(dǎo)入圖紙沒有問題,但是若驅(qū)動模塊經(jīng)修改再次導(dǎo)入,由于在Rinsim平臺中找不到前驅(qū)動模塊自動生成的相關(guān)變量,模型修改前的初始條件(IC)則無法使用,因此需要根據(jù)圖塊間的連接關(guān)系為這種類型的驅(qū)動模塊增加ID。

(5)隔離模塊等圖塊的類型增加

功能圖繪圖時,隔離塊(還有其他圖塊)不區(qū)分針腳的變量類型(bool/float),也未在任何參數(shù)中進(jìn)行定義；對于此類圖塊,需要根據(jù)針腳的動態(tài)連接關(guān)系,根據(jù)上游圖塊out型針腳的變量類型來判斷仿真圖塊類型。

2.3 功能圖自動導(dǎo)入實現(xiàn)

功能自動導(dǎo)入主要實現(xiàn)源功能圖中控制算法塊的頁面位置坐標(biāo)、參數(shù)初值、動態(tài)鏈接關(guān)系、注釋文本、標(biāo)準(zhǔn)圖框的轉(zhuǎn)換,該轉(zhuǎn)換過程以在Rinsim仿真平臺手動建立控制算法模塊庫為前提：根據(jù)專用制圖軟件的算法模具庫文件(.vss),在Rinsim平臺上一比一制作控制算法模具塊,保證算法塊與專用制圖軟件模具圖塊的名稱、外觀尺寸、針腳類型、針腳名稱、針腳數(shù)量、算法等完全一致。

圖4 被導(dǎo)入的功能圖Fig.4 The function diagram imported

圖5 導(dǎo)入后的仿真組態(tài)圖Fig.5 The imported simulation configuration diagram

圖4為基于功能圖專用制圖軟件繪制完成的功能圖文件(.vdx),經(jīng)導(dǎo)入軟件自動解析后,導(dǎo)入至Rinsim仿真平臺上,在SimGen軟件中打開顯示的畫面如圖5所示。從圖5中可以看出,導(dǎo)入后的控制邏輯組態(tài)圖與源圖中的圖框、注釋文本、圖塊布局、圖塊間連接關(guān)系等幾乎完全一致。

3 功能圖自動導(dǎo)入工作流程

功能圖自動導(dǎo)入至Rinsim平臺的工作流程如圖6所示。

圖6 功能圖導(dǎo)入工作流程Fig.6 The work flow for function diagrams imported

1)儀控工程師使用功能圖專用制圖軟件,按照繪圖規(guī)范使用標(biāo)準(zhǔn)圖庫繪圖,并填寫圖塊參數(shù)。繪圖完成后,儀控工程師使用軟件自帶的檢查功能,對單張圖紙或者多張圖紙進(jìn)行斷點檢查、命名檢查、參數(shù)完整性檢查、信號呼應(yīng)檢查等操作。

2)將功能圖批量轉(zhuǎn)為xml文件。

3)使用功能圖導(dǎo)入軟件對xml文件進(jìn)行格式檢查,確認(rèn)源圖命名合乎規(guī)范、源圖中沒有使用舊版的模具圖塊、系統(tǒng)內(nèi)/系統(tǒng)間的信號呼應(yīng)一一匹配、圖塊ID命名格式正確且無重名、圖塊的屬性參數(shù)格式類型正確、動態(tài)連接線起點/終點的變量類型匹配等事項。若功能圖文件未通過軟件檢查,軟件的診斷分析結(jié)果文件將繪圖偏差逐一分類并逐條羅列,結(jié)果分析文件清晰易懂,可作為繪圖者修正繪圖的依據(jù)。

4)若通過軟件檢查,則可將xml文件批量的轉(zhuǎn)化為目標(biāo)xml文件。

5)在Rinsim平臺上編寫腳本,依據(jù)事先定義的仿真模塊劃分表,自動分配目標(biāo)xml文件的仿真任務(wù)號,并將其轉(zhuǎn)換為.gmd格式的仿真圖文件,并自動保存至平臺服務(wù)器指定路徑下,供在仿真平臺上創(chuàng)建仿真系統(tǒng)使用。

6)打開SimGen軟件,將圖紙文件加載至分配好的仿真模塊節(jié)點下,對仿真模塊進(jìn)行編譯、下裝,生成執(zhí)行程序,導(dǎo)入初值文件即可開始仿真計算。

4 應(yīng) 用

功能圖自動導(dǎo)入建模方法應(yīng)用于福清5、6號(“華龍一號”堆型)核電機(jī)組設(shè)計驗證平臺的儀控系統(tǒng)建模,通過自動導(dǎo)入的方式將80多個電廠系統(tǒng),超過5000頁圖紙,以及這些圖紙的多次升版圖紙自動導(dǎo)入至Rinsim仿真驗證平臺,消除了之前通過人工二次組態(tài)正向建模所帶來的人為錯誤率高、耗費時間長、耗費人力大的缺點。另外,通過一系列事先約定的規(guī)范,使得仿真調(diào)試數(shù)據(jù)在文件升版后仍然有效,完美地解決了設(shè)計輸入迭代的進(jìn)度要求,縮短了調(diào)試周期,大大提高了儀控建模的工作效率,極好地解決了新堆型儀控設(shè)計出圖頻繁升版、設(shè)計驗證平臺對儀控模型快速迭代的需求。

5 結(jié) 論

功能圖導(dǎo)入軟件可將儀控成品出圖文件(功能圖)批量化、自動化、準(zhǔn)確無誤地轉(zhuǎn)為設(shè)計驗證平臺邏輯建模軟件Simgen直接識別的文件,無需進(jìn)行人工二次組態(tài)下裝,導(dǎo)入完成后經(jīng)編譯即可生成儀控模型代碼,生成相關(guān)的儀控仿真模塊,實現(xiàn)儀控設(shè)計功能圖紙在Rinsim平臺上仿真運行,整個過程高效、快捷。功能圖導(dǎo)入Rinsim平臺、生成控制仿真模塊后,與平臺內(nèi)其他仿真模塊,如設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)(氣動/液壓/電磁閥/電氣柜)仿真模塊、工藝仿真模塊、人機(jī)界面仿真模塊等,一同組成了完整的核電廠仿真模型。

從長遠(yuǎn)來看,功能圖自動導(dǎo)入軟件與功能圖自動化制圖軟件、儀控系統(tǒng)設(shè)計驗證平臺以及一整套的驗證流程和驗證程序為一套軟件,可進(jìn)行單系統(tǒng)驗證,也可以在多系統(tǒng)聯(lián)調(diào)環(huán)境下驗證系統(tǒng)間接口的完好對應(yīng),從而為設(shè)計圖紙審查增加了有力的、可靠的設(shè)計驗證工具,順應(yīng)儀控系統(tǒng)設(shè)計通過替換計算或者實驗方式進(jìn)行設(shè)計驗證的趨勢。