目前國內(nèi)許多新建的核電廠一般都采用數(shù)字化儀控系統(tǒng)，而數(shù)字化儀控系統(tǒng)的重要特征就是采用分布式控制系統(tǒng)（DCS），DCS系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到核電廠的安全性與經(jīng)濟(jì)性，因此，DCS系統(tǒng)的功能與驗(yàn)證就成為一項(xiàng)重要的工作。目前的DCS的驗(yàn)證工作一般由DCS廠家完成，業(yè)主只能跟蹤過程，并不能直觀的了解DCS的工作狀態(tài)和性能。而傳統(tǒng)的核電廠仿真機(jī)（通常稱為模擬機(jī)）分為原形機(jī)、工程模擬機(jī)、培訓(xùn)模擬機(jī)，但不管是那種仿真機(jī)功能完備，但體積巨大不方便作為DCS調(diào)試機(jī)使用，因此客戶需要我們提供一種便攜式的DCS驗(yàn)證機(jī)用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和功能、性能驗(yàn)證。
 

二、系統(tǒng)背景與設(shè)計(jì)原則

核電站通常都設(shè)計(jì)在靠近水域地帶，常是偏遠(yuǎn)的臨海地，DCS工作地點(diǎn)條件差，缺乏完備的調(diào)試設(shè)備，只能使用便攜式的設(shè)備完成功能調(diào)試；使用傳統(tǒng)的儀器儀表，比如萬用表、示波器等需要多人協(xié)同才能完成某一功能的調(diào)試，一般工況的模擬調(diào)試基本靠人工操作完成，效率低、易出錯(cuò)；特定工況，比如變化速率在200ms的信號(hào)，靠手動(dòng)去按鈕觸發(fā)開關(guān)，基本實(shí)現(xiàn)不了。

系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目如下：

1） 與核電站仿真模型的接口

解析輸出信號(hào)的值，并輸出，包括模擬輸出、數(shù)字輸出、RTD輸出、TC輸出；

打包輸入信號(hào)的值上次給仿真機(jī)，包括模擬輸入、數(shù)字輸入。

2） 提供用戶操作界面

讀取配置文件；更新數(shù)據(jù)庫；顯示通道篩選；實(shí)際物理量和電信號(hào)的換算。

3） 多通道時(shí)間間隔測(cè)量

針對(duì)開關(guān)量，測(cè)量設(shè)置信號(hào)與隨變信號(hào)之間的時(shí)間間隔（可從毫秒級(jí)到分鐘級(jí)）

三、 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求本系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：

1）數(shù)據(jù)采集和輸出：

輸出包括模擬輸出（電流）、繼電器輸出、24V IO輸出、RTD輸出、TC輸出；

輸入包括模擬輸入（電流）、24V IO輸入。

2）信號(hào)調(diào)理：

將24V IO輸出調(diào)理成繼電器輸出；

將24V IO輸入調(diào)理成繼電器輸入；

將模擬電壓輸出調(diào)理成TC輸出。

3）下位機(jī)程序：

提供顯示界面，顯示系統(tǒng)當(dāng)前的溫度、文件大小、通訊過程等。

4）上位機(jī)程序：

提供用戶的各種操作。

設(shè)備中的各個(gè)機(jī)箱和功能模塊都固定在加固機(jī)箱內(nèi)部，加固機(jī)箱采用標(biāo)準(zhǔn)19英寸的設(shè)計(jì)，便于攜帶和使用。加固機(jī)箱前部用于設(shè)計(jì)測(cè)試使用的香蕉插頭；后部提供電源通信的接插件，系統(tǒng)供電、LAN通信都由后部接入。上位機(jī)是另外一臺(tái)電腦，其中安裝了上位機(jī)的操作程序，核電廠的仿真模型也運(yùn)行在其中。其結(jié)構(gòu)如圖 1所示：

圖 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

主控機(jī)箱NI cRIO-9082整個(gè)設(shè)備的核心，主控機(jī)箱中預(yù)先安裝了Windows7 Embedded系統(tǒng)，應(yīng)用程序使用LabVIEW開發(fā)，調(diào)試完成的下位機(jī)程序固化在主控機(jī)箱NI cRIO-9082中。各個(gè)功能模塊和主控機(jī)箱中的FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，F(xiàn)PGA通過DMA雙向通道實(shí)現(xiàn)設(shè)置數(shù)據(jù)交換，包括用戶的設(shè)置數(shù)據(jù)和測(cè)量模塊的采集數(shù)據(jù)。

由于本設(shè)備中使用的功能模塊比較多，采用MXI技術(shù)擴(kuò)展了另外一個(gè)機(jī)箱，兩個(gè)機(jī)箱之間實(shí)現(xiàn)透明化管理，在程序上不區(qū)分功能模塊在哪個(gè)機(jī)箱。系統(tǒng)框架見圖 2。

圖 2系統(tǒng)框架

其中：

DC_I: 9475輸入電壓，zui大輸入60V

48V_O: 直流48V電輸出，用戶客戶選擇不同的電平輸出；

24V_O: 直流24V電輸出，用戶客戶選擇不同的電平輸出。

針對(duì)數(shù)字輸入，區(qū)分兩種類型，一種是交流輸入，另外一種是直流輸入。

交流輸入：檢測(cè)220VAC電源掉、電上電情況，安裝在后面板上，使用NI 9435 模塊直接輸入；

直流輸入：檢測(cè)干接點(diǎn)（24VDC）、24VDC、48VDC電源掉、電上電情況，使用調(diào)理電路在檢測(cè)干接點(diǎn)時(shí)通斷狀態(tài)，將電壓拉低與否來實(shí)現(xiàn)。

3.1   下位機(jī)程序

下位機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)四個(gè)功能：

• 狀態(tài)檢測(cè)：實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)箱溫度、TCP連接狀態(tài)、上傳/下載的報(bào)數(shù)、文件存儲(chǔ)狀態(tài)等；
• 上位機(jī)下傳數(shù)據(jù)解析：根據(jù)約定協(xié)議將上位機(jī)下傳的數(shù)據(jù)解析后通過輸出板塊輸出；
• 下位機(jī)上傳數(shù)據(jù)打包：根據(jù)約定協(xié)議將采集模塊采集到的數(shù)據(jù)打包上傳；

上傳的數(shù)據(jù)除了定時(shí)采集的工況外，還有一種是事件發(fā)生的時(shí)間測(cè)量：

針對(duì)數(shù)字輸入量，當(dāng)數(shù)字輸入量當(dāng)前拍與上一拍的數(shù)據(jù)不一樣時(shí)，判定為事件發(fā)生；

針對(duì)模擬輸入量，當(dāng)模擬輸入量的值在設(shè)定值之內(nèi)（AI1≤X≤AI2,其中X：讀取值；AI1，AI2為預(yù)設(shè)值），則判定為事件發(fā)送。下位機(jī)的數(shù)據(jù)流見圖 3。

圖 3數(shù)據(jù)流框架

• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：數(shù)據(jù)根據(jù)不同的采樣速度分為模擬采集、數(shù)字采集（高速）、數(shù)字采集（低速）。運(yùn)行過程中將這個(gè)三種類型的數(shù)據(jù)存放在不同文件夾中，主程序中提供單獨(dú)的子線程完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，各個(gè)子線程和主線程之間通過隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，主線程實(shí)時(shí)判斷存放文件夾的大小，如果超過總?cè)萘康?0%，會(huì)提示用于刪除或歷史數(shù)據(jù)。

          數(shù)據(jù)格式類似波形文件，每個(gè)通道包括t0、dt、Y[]等信息，每個(gè)文件約10M大小。數(shù)據(jù)流見圖 4。

圖 4下位機(jī)文件存儲(chǔ)

3.2   上位機(jī)程序

上位機(jī)分兩部分，一部分是調(diào)試應(yīng)用程序，另外一部分是核電廠的仿真模型，兩部分獨(dú)立運(yùn)行，相互之間沒有和數(shù)據(jù)交互，也不會(huì)同時(shí)運(yùn)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套通訊策略，保證了模擬機(jī)即可和調(diào)試應(yīng)用程序配合，也可和核電廠的仿真模型進(jìn)行配合。

程序流程如圖 5所示：

圖 5上位機(jī)流程圖

核電廠的仿真模型由客戶提供，我們主要實(shí)現(xiàn)調(diào)試應(yīng)用程序。

調(diào)試應(yīng)用程序主要完成下面三部分功能

• 配置文件讀?。菏褂肦eport Generation Toolkit for Microsoft Office工具包可將用戶的Excel格式的配置文件讀入到系統(tǒng)中。
• 數(shù)據(jù)庫操作：使用Database Connectivity Toolkit工具包可更新數(shù)據(jù)庫，查詢數(shù)據(jù)庫，配合SQL語句，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫查詢，提供用戶數(shù)據(jù)的篩選顯示。
• 界面更新：實(shí)現(xiàn)查詢下位機(jī)通過TCP/IP上傳的數(shù)據(jù)，更新主界面；用戶更新輸出的值后，實(shí)現(xiàn)實(shí)際物理量和電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

四、  軟件實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)成果

4.1   下位機(jī)程序

RT端的主控是NI CRIO-9082，安裝的是Windows 7 Embedded操作系統(tǒng)，使用NI CRIO-9082自帶的VGA輸出，在系統(tǒng)的后端提供一個(gè)狀態(tài)檢測(cè)的界面，提供TCP/IP連接信息，本次通訊簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)，以及本地存儲(chǔ)狀態(tài)等信息。下位機(jī)界面入圖 6所示。

圖 6 RT端界面

4.2   上位機(jī)程序

上位機(jī)端應(yīng)用程序主要分為三部分組成，分別是：

• 設(shè)置、導(dǎo)入部分：用于導(dǎo)入數(shù)據(jù)，配置數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；
• 顯示篩選部分：用于設(shè)定特定條件，篩選關(guān)注的數(shù)據(jù)，可篩選列和特定條件的行數(shù)據(jù)；
• 事件顯示部分：針對(duì)DI，顯示設(shè)定值和隨動(dòng)值之間的時(shí)間差；
• 上位機(jī)程序界面入圖 7所示。

圖 7 上位機(jī)端主界面

4.3   現(xiàn)場(chǎng)成果

NI CRIO-9082和NI 9155固定在機(jī)箱內(nèi)部，面對(duì)用戶接線端，箱體后部是狀態(tài)檢測(cè)屏和其他人機(jī)交互接口，包括電源輸入、USB、網(wǎng)口等。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖見圖 8。

圖 8 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

為了現(xiàn)場(chǎng)使用方便，接口面使用的4mm的香蕉插頭，選用普通的香蕉插頭即可完成現(xiàn)場(chǎng)電信號(hào)的連接。用戶接口面實(shí)物圖見圖 9。

圖 9用戶接口面

狀態(tài)檢測(cè)面提供了一塊5寸的液晶顯示屏，內(nèi)部通過VGA接口和NI cRIO-9082主機(jī)進(jìn)行對(duì)接，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)。整個(gè)箱體堅(jiān)固耐用，提供拉手和滾輪，可由單人拖拉運(yùn)輸，實(shí)物圖見圖 10。

圖 10狀態(tài)檢測(cè)面

五、結(jié)論

利用CRIO平臺(tái)，我們迅速為客戶開發(fā)出一個(gè)體積小，易于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，又易于擴(kuò)展的硬件平臺(tái)，利用LabVIEW FPGA技術(shù)，方便開發(fā)出數(shù)字信號(hào)的事件間隙測(cè)量功能，目前設(shè)備替代部分傳統(tǒng)儀器，投入使用。