基于Simulink的S-DCSFSS翻譯模擬方案設(shè)計(jì)

張旭，彭韜，彭浩，鄧志光

（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

核電廠全范圍模擬機(jī)（FSS，F(xiàn)ull Scope Simulator）是對(duì)核電廠的工藝系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面等方面的全面的仿真，主要用于實(shí)現(xiàn)操縱人員培訓(xùn)、工況模擬、故障演練、科學(xué)研究的目的。

核電廠FSS主要組成部分如圖1所示。FSS主要包括Level 0、Level 1、Level 2三個(gè)層級(jí)。Level 0是模型與設(shè)備層，主要包括核電廠過程模型、教練員站軟件、傳感器與開關(guān)柜模型等部分[1]。Level 1是控制層，主要包括安全級(jí)DCS（S-DCS）與非安全級(jí)DCS（NCDCS）等幾部分。Level 2是主控室HMI（人機(jī)界面）層，包括安全級(jí)顯示單元 SVDU（Safety Video Display Unit）、盤臺(tái)儀表、操縱員站畫面等部分。

圖1 FSS主要組成部分

對(duì)于Level 1的仿真主要包括三種技術(shù)路線，即純模擬（Simulation）、虛擬實(shí)物（Emulation）和實(shí)物模擬（Stimulation）[2]。其中，純模擬方法是指在新的軟硬件平臺(tái)下重新實(shí)現(xiàn)被仿真對(duì)象的控制邏輯，達(dá)到功能一致的效果。原控制器平臺(tái)的算法與畫面遷移到仿真平臺(tái)的方式通常是由翻譯軟件實(shí)現(xiàn)的[3-4]。翻譯型仿真使仿真機(jī)脫離DCS軟硬件系統(tǒng)，能夠在通用計(jì)算機(jī)環(huán)境使用[5]，該過程稱為翻譯式模擬（Translation）。再由Level 0過程模型與虛擬化的Level 1通過軟激勵(lì)的方式進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)FSS的集成。

本文主要針對(duì)S-DCSFSS的翻譯方案進(jìn)行研究。

1 S-DCSFSS翻譯模擬方案

1.1 翻譯內(nèi)容與翻譯平臺(tái)

通常情況下，Level 1的仿真主要包括邏輯和畫面兩部分。考慮到對(duì)某個(gè)板卡或某個(gè)信號(hào)通路所在Level 1的控制器板卡通道好壞的仿真，應(yīng)增加硬件部分的仿真功能。另外，由于安全級(jí)DCS（S-DCS）的畫面由位于Level 2的SVDU實(shí)現(xiàn)，因此，S-DCS的翻譯內(nèi)容包括邏輯和硬件兩部分。

邏輯部分的翻譯平臺(tái)選擇MathWorks公司MATLAB軟件的子軟件Simulink。Simulink廣泛用于科學(xué)研究、工程仿真等環(huán)境，普及范圍廣、可靠性強(qiáng)、仿真結(jié)果認(rèn)可度高。

硬件部分的翻譯需要將Level 1控制器各通道與邏輯部分的各個(gè)輸入輸出信號(hào)綁定，通過設(shè)置控制器各通道的故障狀態(tài)，影響相應(yīng)的輸入輸出信號(hào)的質(zhì)量位好壞。

1.2 邏輯翻譯

實(shí)體Level 1平臺(tái)的算法邏輯通常以“控制站”-“算法頁”的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。每張算法頁包括圖符（變量、算法塊、靜態(tài)圖符、備注標(biāo)簽）及其連接關(guān)系。具體化為圖符塊與連接線兩種，其中靜態(tài)圖符與備注標(biāo)簽僅作為顯示用，因而不需要進(jìn)行邏輯翻譯。

實(shí)體Level 1平臺(tái)算法由兩部分組成，一部分是根據(jù)上游設(shè)計(jì)而繪制的執(zhí)行控制、保護(hù)、調(diào)節(jié)功能的算法邏輯，另一個(gè)部分是根據(jù)平臺(tái)自身特性設(shè)計(jì)的算法邏輯，如自診斷邏輯、CPU負(fù)荷監(jiān)測等。后者對(duì)翻譯后的平臺(tái)沒有意義，應(yīng)在翻譯的過程中識(shí)別并略過。文中不再贅述該過程。

實(shí)體Level 1平臺(tái)上的控制算法與Simulink平臺(tái)算法是映射關(guān)系。即實(shí)體Level 1平臺(tái)的每個(gè)控制站上每張算法圖頁的每個(gè)算法圖符、圖符之間的連接關(guān)系都應(yīng)以一定的規(guī)律映射到Sinulink平臺(tái)上。

每個(gè)控制站的翻譯過程總體如圖2所示。共分為三個(gè)階段：解析算法組態(tài)階段、啟動(dòng)Simulink階段、繪制Simulink階段。

圖2翻譯過程總體流程

（1）解析組態(tài)算法階段

以C#語言開發(fā)翻譯軟件為例，定義結(jié)構(gòu)體Item、Line分別表示一個(gè)圖符和一條連接線。兩種結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)格式與Level 1平臺(tái)定義的該類型結(jié)構(gòu)體一一對(duì)應(yīng)。定義鏈表型全局變量：

public static Listitems=new List（）;

public static ListLines=new List（）;

分別表示該控制站中所有算法塊與連接線。通過對(duì)實(shí)體Level 1組態(tài)文件的讀取或解析，可填充兩個(gè)全局變量。

（2）啟動(dòng)Simulink階段

引用MATLAB軟件自帶動(dòng)態(tài)鏈接庫：

using MLApp;

使用C#綁定方式System.Type.GetTypeFromProgID（）靜態(tài)調(diào)用COM組件對(duì)象，通過調(diào)用System.Activator.CreateInstance（）函數(shù)啟動(dòng) Matlab進(jìn)程，進(jìn)而通過向Matlab發(fā)送命令行的方式啟動(dòng)Simuink，打開算法庫，如圖3所示。Simulink算法庫中的算法圖符應(yīng)包含被翻譯Level 1平臺(tái)的算法庫，保證翻譯過程不出現(xiàn)找不到對(duì)應(yīng)算法圖符的情況。

圖3 Simulink平臺(tái)算法庫

算法塊內(nèi)部包含Simulink自帶圖符與自定義圖符（User-Defined Functions）兩種，其中自定義圖符由m語言編寫函數(shù)實(shí)現(xiàn)，如AND4算法塊，其函數(shù)聲明為function[y,s]=fcn（x1,s1,x2,s2,x3,s3,x4,s4），即輸入為四個(gè)值與其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量位，輸出為一個(gè)值與其質(zhì)量位，通過m語言實(shí)現(xiàn)四個(gè)變量“與”邏輯的過程，邏輯中包含變量質(zhì)量位為壞的情況。

（3）繪制Simulink階段

繪制Simulink的過程主要包括繪制圖符與繪制連接線兩部分。由于連線是在圖符的接口端口上面進(jìn)行連接的，因而應(yīng)先繪制圖符。

繪制圖符的過程如圖4所示。遍歷代表圖符的全局變量items，對(duì)其中每個(gè)圖符首先計(jì)算其坐標(biāo)，然后繪制圖符。由于邏輯圖的作用僅在于仿真計(jì)算，首要目的并不是人工讀圖，因而對(duì)指定圖符坐標(biāo)的過程簡化為設(shè)置每個(gè)圖符大小固定，圖符之間向右向下移動(dòng)圖符寬度或高度的距離，避免圖符重疊。

圖4圖符繪制過程

繪制連接線的過程如圖5所示。連接線的繪制過程中，通過遍歷代表連接線的全局變量Lines，讀取每根連接線的起點(diǎn)和終點(diǎn)的圖符結(jié)構(gòu)體及具體連接的接口。如果連接線Line結(jié)構(gòu)體中關(guān)于線的起點(diǎn)和終點(diǎn)的記錄是名字而非Item結(jié)構(gòu)體，則需要編寫函數(shù)（如Get-ItemFromLine（））由圖符名反推得到圖符結(jié)構(gòu)體。再調(diào)用接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)連接線的繪制。

圖5連接線繪制過程

考慮到通常實(shí)體Level 1平臺(tái)的變量值格式為Analog或Binary，由值和質(zhì)量位共同組成，而Simulink平臺(tái)本身沒有這種值與質(zhì)量位組合的數(shù)據(jù)格式，因而對(duì)于這種情況，可將實(shí)體Level 1平臺(tái)的一根連接線對(duì)應(yīng)到Simulink平臺(tái)的兩根連接線，分別代表值和質(zhì)量位。

1.3 硬件翻譯

硬件翻譯應(yīng)實(shí)現(xiàn)能夠模擬Level 1平臺(tái)某個(gè)板卡或某個(gè)信號(hào)通路故障導(dǎo)致其對(duì)應(yīng)的輸入輸出信號(hào)質(zhì)量位為壞的情況。

硬件翻譯部分由控制臺(tái)（Console）程序?qū)崿F(xiàn)，在軟件啟動(dòng)時(shí)讀取設(shè)備組態(tài)文件與變量點(diǎn)表，獲取每個(gè)變量所在板卡和通道。對(duì)于輸入變量，當(dāng)其對(duì)應(yīng)的信號(hào)通道被設(shè)置為故障時(shí)，控制臺(tái)程序改變Simulink平臺(tái)上該變量的質(zhì)量位信息；對(duì)于輸出變量，當(dāng)其對(duì)應(yīng)的信號(hào)通道被設(shè)置為故障時(shí)，控制臺(tái)程序?qū)imulink平臺(tái)上該變量質(zhì)量位的直接修改將被下一周期的質(zhì)量位值覆蓋，因而只在控制臺(tái)程序內(nèi)部記錄該故障設(shè)置信息。當(dāng)?shù)谌杰浖@取變量值時(shí)，通過控制臺(tái)程序與其接口，即可得到該故障信息。

板卡故障是通道故障的上層故障，當(dāng)某張板卡被設(shè)置為故障狀態(tài)時(shí)，該板卡上所有通道的變量都會(huì)被設(shè)置為故障狀態(tài)。其中每個(gè)通道的故障設(shè)置與通道故障相同。

2 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 翻譯模擬實(shí)例

以中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院（NPIC）研制的核安全級(jí)DCS平臺(tái)“龍鱗”（NASPIC）系統(tǒng)作為被翻譯對(duì)象，以某實(shí)際控制算法為例進(jìn)行翻譯模擬方案的實(shí)例分析。該控制算法由四個(gè)開關(guān)量輸入信號(hào)（DI）為輸入，一個(gè)開關(guān)量輸出信號(hào)（DO）為輸出。參與運(yùn)算的算法包括與門、三取二表決邏輯、非門等常見算法邏輯。該算法邏輯在實(shí)體Level 1的工程師站上進(jìn)行繪制，如圖6所示。

圖6實(shí)體Level 1的控制算法

圖7 Simulink平臺(tái)上的模型

圖中的控制邏輯為，兩個(gè)DI信號(hào)經(jīng)過與門的輸出值與另外兩個(gè)DI信號(hào)進(jìn)行三取二表決，再將表決結(jié)果取反得到最終的DO輸出。

按照第2節(jié)所述翻譯模擬方案的仿真策略，對(duì)實(shí)體Level 1進(jìn)行翻譯式仿真，在Simulink平臺(tái)生成的模型如圖7所示。

首先讀取被翻譯平臺(tái)NASPIC的下裝算法文件，獲取其圖符及連接關(guān)系并記錄。然后在Simulink平臺(tái)對(duì)應(yīng)繪制出每種圖符并連接。讀取被翻譯平臺(tái)NASPIC的下裝設(shè)備組態(tài)文件與變量點(diǎn)表，通過解析該文件，獲取每個(gè)變量對(duì)應(yīng)的板卡與通道位置，為設(shè)置某通道故障時(shí)對(duì)應(yīng)到變量做準(zhǔn)備。

2.2 仿閉環(huán)真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以基于Simulink的翻譯模擬式Level 1控制器與“華龍一號(hào)”堆型百萬千瓦壓水堆核電廠過程模型構(gòu)成純模擬仿真環(huán)境，使用實(shí)體DCS與過程模型構(gòu)成實(shí)物模擬仿真環(huán)境，兩種閉環(huán)仿真環(huán)境分別進(jìn)行核功率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)[6-7]。記錄兩組仿真實(shí)驗(yàn)的過程參數(shù)數(shù)據(jù)，以核功率為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。圖中，sp代表核功率設(shè)定值，pv-simulink代表純模擬仿真仿真實(shí)驗(yàn)中的核功率測量值，pv-PDCS代表實(shí)物模擬仿真實(shí)驗(yàn)中的核功率測量值。

通過實(shí)驗(yàn)分析可知，基于Simulink的S-DCSFSS翻譯模擬方案得到的Level 1控制器具有對(duì)實(shí)體Level 1控制器的良好擬真效果。

圖8核功率調(diào)節(jié)仿真實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)語

基于Simulink的S-DCSFSS翻譯模擬方案能夠有效的對(duì)核電廠DCSLevel 1對(duì)應(yīng)的算法邏輯和硬件進(jìn)行仿真。該方案軟件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，因此具有價(jià)格低廉、開發(fā)周期短、與Level 0易于接口等優(yōu)點(diǎn)[8]。在不要求反映實(shí)物DCS相關(guān)特性的場合，基于Simulink的SDCSFSS翻譯模擬方案具有明顯的優(yōu)勢，是對(duì)傳統(tǒng)的以操縱人員培訓(xùn)為首要需求的FSS的重要補(bǔ)充。