張 旭，陳世勇，劉全東

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213）

0 引言

硬邏輯電氣電路是DCS中的重要組成部分，主要由硬接線和繼電器等元器件搭接而成。作為DCS數(shù)字化系統(tǒng)的后備措施，用來應(yīng)對(duì)因數(shù)字化控制系統(tǒng)軟件共因故障引發(fā)的功能失效，以維持系統(tǒng)的功能[1]。

常見的電氣圖紙繪制軟件包括Eplan、CAD、Microsoft Visio等，這些繪圖軟件繪制的圖紙僅作為表征線路連接的示意圖，不具備邏輯仿真運(yùn)算功能，這給工程設(shè)計(jì)人員帶來了不便，不能高效地驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性?；诜抡婕夹g(shù)中純模擬（Simulation）原理，采用翻譯（Translation）的技術(shù)路線，將電氣圖紙批量自動(dòng)翻譯到仿真平臺(tái)，并利用仿真平臺(tái)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，可實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)計(jì)的仿真。

國內(nèi)外對(duì)于仿真技術(shù)在儀控系統(tǒng)驗(yàn)證方面的研究較多，多數(shù)研究集中于將儀控系統(tǒng)虛擬化為軟件形式實(shí)現(xiàn)，與虛擬化的工藝系統(tǒng)過程模型軟件形成閉環(huán)，驗(yàn)證控制邏輯[2～5]。單純對(duì)于硬邏輯仿真的研究較少。

本文以Eplan作為電氣設(shè)計(jì)軟件，以Simulink作為仿真平臺(tái)為例，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)DCS硬邏輯電氣電路仿真，對(duì)于其他電氣設(shè)計(jì)軟件或仿真平臺(tái)，其原理是一致的，僅在實(shí)現(xiàn)層面略有區(qū)別。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬邏輯仿真系統(tǒng)包括三個(gè)部分，即信息提取模塊、智能數(shù)據(jù)融合模塊、算法塊驅(qū)動(dòng)模塊、應(yīng)用模塊。如圖1所示。

圖1 硬邏輯仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

硬邏輯涉及元器件依特定的格式在電氣設(shè)計(jì)軟件（Eplan）繪制，硬邏輯信息讀取部分有兩種實(shí)現(xiàn)形式：

1）向Eplan軟件嵌入插件程序，由其導(dǎo)出Excel或其他格式的硬邏輯元器件及連接關(guān)系文件；

2）其二為不打開Eplan軟件，由仿真軟件外部讀取Eplan文件內(nèi)容，獲取硬邏輯元器件及連接關(guān)系信息。

本文采用前一種形式進(jìn)行研究。軟件通過硬邏輯元器件與Simulink算法庫中算法塊的映射關(guān)系，將硬邏輯元器件及連接關(guān)系在Simulink中重繪。

2 系統(tǒng)子模塊設(shè)計(jì)

2.1 信息提取模塊

硬邏輯電氣電路的Eplan圖紙應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)電氣電路設(shè)計(jì)。信息提取模塊從Eplan工程圖紙中提取信息，寫入物理文件，供智能數(shù)據(jù)融合模塊讀取。由Eplan導(dǎo)出的文件應(yīng)能夠體現(xiàn)電氣元器件的名稱、連接關(guān)系等信息，以導(dǎo)出*.csv格式的物理文件為例。其格式示例如表1、表2所示。

表1 元器件信息表

表2 連線信息表

Eplan信息提取模塊可通過嵌入式Eplan插件的形式實(shí)現(xiàn)[6]。Eplan信息提取模塊流程如圖2所示，在信息提取功能被觸發(fā)后，獲取當(dāng)前項(xiàng)目，循環(huán)圖紙每一頁并遍歷其中元器件。生成元器件信息表時(shí)，提取每種元器件的信息，并填寫元器件信息表。結(jié)合Eplan軟件的特性，其線圈和觸點(diǎn)作為兩個(gè)元器件（Function）被存儲(chǔ)，因而，此時(shí)篩選只記錄線圈（Coil），而不記錄常開觸點(diǎn)（NoContact）或常閉觸點(diǎn)（NcContact）的信息。生成連線信息表時(shí)，循環(huán)每個(gè)元器件的Connections屬性，獲取每個(gè)連線（Connection）的信息，包括源端和目標(biāo)端的元器件名、端口號(hào)等。

圖2 Eplan信息提取模塊流程圖

元器件名取自元器件的Visible Name 字段，元器件類型和連接端口信號(hào)取自元器件Connection字段的Properties.CONNECTION_DESTINATION或Properties.CONNECTION_SOURCE屬性，其格式為“=+CHS011AR-UM001：2”，用字符串的Split方法截取連接元器件名與端口號(hào)。

以C#語言實(shí)現(xiàn)為例，遍歷本頁元器件及其連接關(guān)系獲取連線關(guān)系集合的部分代碼示意如下。其中，每條連線的連線信息存儲(chǔ)在Line格式的結(jié)構(gòu)體中，具體形式如下。

2.2 智能數(shù)據(jù)融合模塊

智能數(shù)據(jù)融合模塊實(shí)現(xiàn)將硬邏輯信息映射填充至適應(yīng)Simulink平臺(tái)組態(tài)文件的鏈表結(jié)構(gòu)。Simulink算法庫應(yīng)包括所有涉及到的算法塊，每種Simulink算法塊分別與Eplan的各種算法塊對(duì)應(yīng)，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系是從Eplan平臺(tái)向Simulink平臺(tái)翻譯的基礎(chǔ)。算法庫包括RS觸發(fā)器、繼電器、延時(shí)繼電器、輸入/輸出模塊等。算法庫示例如圖3所示。

圖3 算法庫示例

算法塊內(nèi)部由MATLAB的MATLAB-Function函數(shù)塊與Simulink基本模塊搭接構(gòu)成。算法塊內(nèi)部示意圖如圖4所示。

圖4 算法塊內(nèi)部示意圖

以圖4所示為繼電器模塊為例，左側(cè)的MATLABFunction函數(shù)塊實(shí)現(xiàn)了繼電器模塊的基本功能，其輸入分別為外部輸入信號(hào)、是否供電、第一組與第二組輸出端口的常開常閉模式，右側(cè)Simulink基本模塊實(shí)現(xiàn)了元器件故障模擬，可在正常仿真模式與模擬繼電器故障模式之間切換，為設(shè)計(jì)人員提供參考。MATLAB-Function函數(shù)塊與Simulink基本模塊算法塊的結(jié)合，既可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法邏輯，又使該過程簡單直觀。

2.3 算法塊驅(qū)動(dòng)模塊

算法塊驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)智能數(shù)據(jù)融合模塊生成的元器件信息鏈表和連接關(guān)系鏈表，驅(qū)動(dòng)Simulink軟件繪制組態(tài)圖形文件。其具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。算法塊驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)了該過程的高度自動(dòng)化[7，8]。

圖5 算法塊驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)流程圖

采用發(fā)送命令行的方式，驅(qū)動(dòng)Simulink繪制算法塊與連線。繪制連線并發(fā)送命令的代碼示例如下：

2.4 應(yīng)用模塊

應(yīng)用模塊以Simulink平臺(tái)為基礎(chǔ)，應(yīng)用Simulink軟件的運(yùn)算、保存等功能，封裝為仿真邏輯運(yùn)算與工況保存與裝入功能，用于邏輯仿真。

3 實(shí)例分析

以核電廠反應(yīng)堆保護(hù)控制系統(tǒng)中常用的帶手動(dòng)復(fù)位的鎖存器（FFM）邏輯功能為例，驗(yàn)證仿真系統(tǒng)。該邏輯功能廣泛用于反應(yīng)堆安注、安全殼隔離等專設(shè)功能邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)各專設(shè)功能就地設(shè)備（泵，閥等）的手動(dòng)復(fù)位，保障反應(yīng)堆專設(shè)功能的執(zhí)行。FFM的功能示意圖和輸入輸出說明如圖6和表3所示：

圖6 FFM功能塊示意圖

表3 輸入輸出關(guān)系說明

當(dāng)R端輸入為0時(shí)，L端輸入為1時(shí)，輸出端為1，此時(shí)無論L端輸入為何值，輸出將保持為1直至R端輸入為1。

當(dāng)R端輸入為1時(shí)，輸出將無條件置0。在置位之后，只有L端輸入由0變?yōu)?時(shí)，輸出變?yōu)?。

詳細(xì)真值表如表4所示。

表4 真值表

在Eplan中實(shí)現(xiàn)該功能模塊，用繼電器等元件搭建的電氣原理圖如圖7所示。

圖7 FFM硬邏輯原理圖

以上述硬邏輯電路仿真為例，對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

通過在Eplan平臺(tái)加載dll動(dòng)態(tài)鏈接庫，形成功能入口[4]。如圖8所示。

圖8 Eplan插件形式的功能入口

執(zhí)行“導(dǎo)出硬件信息”功能，將元器件信息與連線信息分別導(dǎo)出至csv文件，如表5、表6所示。

表5 元器件信息表

表6 連線信息表

在導(dǎo)出連接線的過程中，因只需要讀出設(shè)備之間的邏輯關(guān)系即可，故應(yīng)刪除設(shè)備與電源或地之間的連線，篩選出設(shè)備之間的連線，由設(shè)備之間的連線傳遞邏輯。

智能數(shù)據(jù)融合模塊讀取元器件信息表和連接關(guān)系表，向元器件鏈表和連線鏈表填充信息，然后按照先元器件后連線的順序在Simulink重繪圖紙。實(shí)際硬件物理設(shè)備中的“與”“或”邏輯由硬接線的連接表示，因而在重繪的過程中，應(yīng)通過分析元器件的連接關(guān)系，在Simulink平臺(tái)增加“與”“或”邏輯塊。翻譯重繪結(jié)果如圖9所示。

圖9 Simulink平臺(tái)算法圖

考慮到Simulink與Eplan軟件機(jī)制的不同，設(shè)計(jì)Simulink的算法塊與Eplan中算法塊的一個(gè)區(qū)別是，Eplan中繼電器線圈和觸點(diǎn)可作為不同元器件分別使用多個(gè)圖符，而Simulink的算法塊中，每個(gè)元器件作為一個(gè)獨(dú)立的整體，線圈和觸點(diǎn)分別作為算法塊的輸入和輸出。

然后通過設(shè)計(jì)不同組合與時(shí)序的輸入值，記錄輸出端仿真結(jié)果，驗(yàn)證仿真結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)如圖10所示。圖中，Input1與Input2分別代表兩個(gè)輸入端的輸入值，Output代表輸出端的輸出值。

圖10 仿真結(jié)果示意圖

仿真計(jì)算結(jié)果符合預(yù)期值，證明基于Simulink的DCS硬邏輯翻譯式仿真方法的正確性。

仿真系統(tǒng)的故障模擬功能以繼電器觸頭故障（粘連）、RS觸發(fā)器兩端輸入線圈故障為例進(jìn)行驗(yàn)證。如圖11～圖13分別為電氣電路中2號(hào)繼電器觸頭故障、RS觸發(fā)器的S與R端故障的仿真結(jié)果。

圖11 2號(hào)繼電器觸頭故障仿真結(jié)果

圖12 RS觸發(fā)器S端輸入線圈故障仿真結(jié)果

圖13 RS觸發(fā)器R端輸入線圈故障仿真結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，證明仿真系統(tǒng)故障模擬功能的正確性。

4 結(jié)語

基于Simulink的DCS硬邏輯電氣電路仿真能夠補(bǔ)充電氣設(shè)計(jì)軟件在仿真運(yùn)算功能方面的不足，高效的驗(yàn)證硬邏輯設(shè)計(jì)能否滿足預(yù)期功能，降低設(shè)計(jì)錯(cuò)誤率。以Simulink作為仿真平臺(tái)，將電氣設(shè)計(jì)軟件文件翻譯為Simulink平臺(tái)算法文件，實(shí)現(xiàn)仿真功能。該過程采用翻譯的技術(shù)路線，自動(dòng)化程度高。

進(jìn)一步的研究可從Eplan與Simulink的交互方面進(jìn)行。仿真計(jì)算結(jié)果在Eplan軟件上顯示，仿真軟件與Eplan的交互方法有多種，包括共享內(nèi)存和共同讀寫物理文件等。以共同讀寫文件的方式為例，仿真軟件將計(jì)算結(jié)果寫入物理文件，在Eplan軟件中嵌入插件。觸發(fā)插件功能函數(shù)時(shí)Eplan軟件獲取仿真結(jié)果，顯示在界面上，達(dá)到更好的使用效果。