DCS設(shè)計清單標準化生成系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張 旭，姚 璋

（中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，成都 610213）

0 引言

在DCS控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計過程中，設(shè)計人員主要通過圖和表的方式來描述整個系統(tǒng)，用以對生產(chǎn)、裝配、測試等作業(yè)進行指導(dǎo)[1，2]。硬件設(shè)計圖紙通常會包括IO模塊配置、供電接線信息、網(wǎng)絡(luò)配置、IO信號信息等內(nèi)容。在詳細設(shè)計階段，需通過IO分配清單、柜間電纜清單、端接清單、網(wǎng)絡(luò)連接清單、設(shè)備清單等清單類文件來具體描述機柜內(nèi)的信號、供電等接線關(guān)系。這部分清單文件包含豐富的信息，在編制過程中如通過手工編制的方式，則需投入大量的人力和時間，且難以避免人因失誤，如能采用自動生成清單文件的方式，可有效地提高工程效率和質(zhì)量。

Eplan是一款成熟的電氣工程輔助軟件，具有強大的設(shè)計功能和豐富的標準化數(shù)據(jù)庫，目前已廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計中[3]。Eplan中提供了按照標簽內(nèi)容進行設(shè)置的基礎(chǔ)報表，其內(nèi)容雖然支持個性化定制，但覆蓋性不足，只能實現(xiàn)標簽信息的導(dǎo)出，不能處理復(fù)雜邏輯[4]。在工程應(yīng)用中需要先從Eplan導(dǎo)出清單到Excel格式文件，再對Excel進行二次處理。本文利用Eplan軟件的API接口，根據(jù)IO分配清單和線纜清冊等清單類文件的特定格式進行定制化開發(fā)，設(shè)計并實現(xiàn)了一套DCS設(shè)計清單標準化生成系統(tǒng)。

1 功能分析

DCS系統(tǒng)設(shè)計從初始的系統(tǒng)需求、技術(shù)要求出發(fā)，在總體方案形成之后，經(jīng)過軟硬件需求分析、軟硬件初步設(shè)計、軟硬件詳細設(shè)計、軟硬件實現(xiàn)一系列階段后，得到集成的可應(yīng)用系統(tǒng)。DCS設(shè)計清單的編制主要發(fā)生在硬件詳細設(shè)計階段，其上游輸入為DCS技術(shù)方案、軟件算法組態(tài)、初步IO清單等。DCS設(shè)計清單主要包括了IO分配清單、端接清單、網(wǎng)絡(luò)連接清單、柜間電纜清單、設(shè)備清單等。

1.1 IO分配清單

IO分配清單是標明了IO點名稱、信號說明和各類參數(shù)的表格，主要定義了IO點的名稱、數(shù)據(jù)類型、信號描述、量程、來源/去向、接線設(shè)備、調(diào)理分配和隔離信息等，為機柜接線原理圖提供設(shè)計輸入，同時也可以為生產(chǎn)制造、工程測試及后續(xù)維護提供參考。

IO分配清單的編制需要結(jié)合DCS系統(tǒng)設(shè)計要求及平臺特點，參照基本設(shè)計階段的初步IO清單、儀控功能圖、產(chǎn)品基線和機柜布置圖等相關(guān)信息，為各IO點配置相應(yīng)的IO模塊，將DCS的硬接線信號進行合理地分配布局，將初步IO清單中各信號點的順序進行對應(yīng)調(diào)整并填入IO模塊硬件信息。

IO分配清單包含AI（模擬量輸入）清單、AO（模擬量輸出）清單、DI（數(shù)字量輸入）清單、DO（數(shù)字量輸出）清單四種，每種清單均由兩部分組成：信號輸入信息部分和信號調(diào)理分配信息部分。信號輸入信息部分內(nèi)容包括變量名、類型、量程范圍、安全行為、說明、信號通道、模塊型號、端子號和供電來源等，用以指導(dǎo)模塊的配置和接線設(shè)計；信號調(diào)理分配信息部分內(nèi)容包括信號來源、端子號、供電類型和調(diào)理模塊型號等。

1.2 線纜清冊

線纜清冊是DCS系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的所有接口端接信息的總稱。線纜清冊中包含了電纜信息、電纜起點信息、電纜終點信息及其他信息等內(nèi)容，其中電纜信息包含電纜編號、電纜類型、線芯數(shù)、電壓等級（僅適用于電力電纜）、列、顏色、長度等內(nèi)容；電纜起點信息和終端信息包含信號名稱、信號類型、房間號、機柜號，端子排號，端子號，端子屬性、參考圖紙、接地等內(nèi)容；其他信息為線纜的輔助信息，用于版本控制及輸入追溯等，主要包含信號描述、敷設(shè)路徑、版本等。

為便于工程實施和維護，線纜清冊按接口、系統(tǒng)、敷設(shè)路徑等不同的劃分原則，分為端接清單、柜間電纜清單、網(wǎng)絡(luò)連接清單三種文件[5～7]。

1.3 示例說明

1.3.1 典型DCS系統(tǒng)組成

以某DCS系統(tǒng)為例，其結(jié)構(gòu)由預(yù)處理站、現(xiàn)場控制站、調(diào)理分配站組成，如圖1所示。

圖1 DCS平臺結(jié)構(gòu)圖

預(yù)處理站將控制站與現(xiàn)場儀表與傳感器連接起來，通過預(yù)處理站將模擬量、開關(guān)量、熱電偶以及熱電阻信號與AI以及DI能夠采集、識別的模擬量及開關(guān)量信號相互轉(zhuǎn)換。控制站是完成控制功能的核心站，由主控模塊、通信模塊、擴展模塊、輸入模塊、輸出模塊和電源模塊等組成，具有輸入輸出、網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)邏輯處理功能。經(jīng)過控制站處理后的信號需要再通過調(diào)理分配站，經(jīng)過必要的信號轉(zhuǎn)換后通過輸出模塊輸出到現(xiàn)場執(zhí)行器。

1.3.2 清單內(nèi)容描述

IO分配清單一般以控制站為單位進行編制，預(yù)處理站的相關(guān)信息放在控制站信號的調(diào)理分配部分進行表示。

端接清單主要為DCS系統(tǒng)與外部系統(tǒng)間的接線關(guān)系，分為供電端接清單、接地端接清單和信號端接清單。

柜間電纜清單主要為DCS內(nèi)部機柜間信號連接信息，包含大量信號分配的情況，在編制清單時需要根據(jù)實際情況在電纜信息中顯示出信號通過隔離分配模塊進行信號分配的內(nèi)容。

網(wǎng)絡(luò)連接清單主要描述機柜內(nèi)部主控機箱與擴展機箱之間、不同機柜間的光纖網(wǎng)絡(luò)連接等信息。

2 功能設(shè)計

對清單文件進行標準化生成時，按照如圖2的流程進行。根據(jù)DCS技術(shù)方案、軟件算法組態(tài)、初步IO清單等輸入文件依次生成網(wǎng)絡(luò)連接清單、IO分配清單、端接清單、柜間電纜清單和設(shè)備清單各文件[6，7]。

圖2 清單標準化生成流程

具體步驟如下：

1）根據(jù)軟件算法組態(tài)確定網(wǎng)絡(luò)信號的數(shù)量、來源去向、傳輸路徑等以得到網(wǎng)絡(luò)連接清單；

2）將初步IO清單的信號根據(jù)來源去向以及不同的級別進行信號分配及模塊配置以得到IO分配清單；

3）根據(jù)DCS技術(shù)方案和IO分配清單進行接線原理圖、布置圖的設(shè)計；

4）根據(jù)信號接線原理圖完成端接清單、柜間電纜清單的編制；

5）根據(jù)布置圖完成設(shè)備清單的編制。

2.1 IO分配清單

圖3 IO分配清單

IO分配清單的信息整合自初步IO清單、控制站的硬件設(shè)計圖紙、信號預(yù)處理站的硬件設(shè)計圖紙。標準化生成內(nèi)容包括三步：控制站圖紙信息提取、預(yù)處理站信息提取、信息匯總整合。

每一個IO分配信號包括一條其在控制站中的卡件通道分配信息，以及一條或多條其在預(yù)處理站信號分配的信息，其信息數(shù)與其信號分配個數(shù)有關(guān)。控制站圖紙中包含了該信號的通道分配、量程、單位、描述等信息，控制站圖紙信息提取模塊將上述信息由Eplan圖紙中導(dǎo)出，留待后續(xù)信息整合使用。

預(yù)處理站圖紙中包含了信號的一分多信息，即如何使用分配模塊將一個信號分配為多個信號。考慮到級聯(lián)的情況，信號在預(yù)處理站的信息可能有多個。預(yù)處理站中的信息與控制站中的信息依靠變量名實現(xiàn)對應(yīng)。

最后將初步IO清單中的信息填充至上述信息結(jié)構(gòu)中，IO分配信息的結(jié)構(gòu)體如圖4所示。

圖4 IO分配信息示意圖

2.2 端接清單

端接清單的生成流程如圖5所示，柜間電纜清單、網(wǎng)絡(luò)連接清單的生成過程與端接清單類似。

圖5 端接清單生成流程

在Eplan中，信號的去向信息填寫在PLC端子的“地址”屬性或端子的“用戶定義”屬性中，需要遍歷所有頁面的所有端子，查詢其屬性，針對填充了該屬性的端子，在去向列表中查找，如不存在，則增加記錄。

以C#語言實現(xiàn)為例，其核心代碼如下：

對應(yīng)去向列表，為每種去向建立一個Excel worksheet。再次遍歷圖紙，讀取每一個對外信號，在對應(yīng)去向的worksheet中建立信號線制的框架。框架的選擇取自信號的屬性，如二線制，三線制等，并在該框架中填入信息。當所有信號信息填寫完成后，即完成的端接清單的自動生成。

設(shè)備清單

設(shè)備清單以導(dǎo)出圖紙中的設(shè)備信息為主，其中，需要的邏輯處理包括略過PLC端子（用于表示設(shè)備的連接）、略過一些小型設(shè)備或輔件（如繼電器底座、指示燈底座）、略過機柜自帶輔件（如匯流條、柜體自帶門限開關(guān)）等。設(shè)備清單自動生成流程如圖6所示。

圖6 設(shè)備清單生成流程

3 功能實現(xiàn)

3.1 運行環(huán)境

本系統(tǒng)在可在Windows7環(huán)境下運行，搭載軟件為Visual Studio、Eplan和Office Excel。使用C#語言編寫了動態(tài)鏈接庫格式的函數(shù)庫，可通過Eplan中的API接口加載運行，在Eplan的功能選項卡中增加了清單標準化生成功能按鈕，可以選擇性生成對應(yīng)的清單。

3.2 功能測試

在漳州核電1、2號機組安全級DCS供貨項目應(yīng)用本系統(tǒng)，生成的設(shè)計清單如圖7所示。生成的設(shè)計清單格式與輸出文件要求一致，可直接應(yīng)用于后續(xù)測試階段。經(jīng)統(tǒng)計，清單標準化生成系統(tǒng)可有效提高清單文件編制效率，將人均編制時間縮短至原先的1/5。

圖7 設(shè)計清單生成示例

4 結(jié)語

針對基于Eplan軟件的硬件設(shè)計系統(tǒng)，在Eplan中完備、規(guī)范化填寫信息，在此基礎(chǔ)上利用標準化清單生成系統(tǒng)自動生成清單文件，可有效地提高設(shè)計效率和質(zhì)量。本文所設(shè)計的設(shè)計清單標準化生成工具已在漳州核電1、2號機組安全級DCS供貨項目中得到應(yīng)用，取得了較好的使用效果。