核電站儀控系統(tǒng)設(shè)計研究用軟件工具

郭 林 張瑞萍

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

0 引言

根據(jù)核電工程設(shè)計中儀控設(shè)計與其他專業(yè)設(shè)計之間的相互協(xié)作和聯(lián)合設(shè)計，以及核電工程儀控設(shè)計的需要，采用軟件工具來進行儀控設(shè)計。該設(shè)計具有以下特點。

從設(shè)計主體上看，早期設(shè)計人員在不同方式的協(xié)調(diào)下，各自設(shè)計，傳遞接口參數(shù)，反復討論修改。隨著專業(yè)設(shè)計的發(fā)展，設(shè)計人員通常分工合作，在嚴格的規(guī)范中實現(xiàn)快捷的接口數(shù)據(jù)與成果的交流與共享，極大地提高了人工效率，降低人為因素出錯機率。

從設(shè)計技術(shù)上看，專業(yè)的設(shè)計軟件、管理軟件不斷發(fā)展，通常采用面向共享大型數(shù)據(jù)庫技術(shù)，通過局域網(wǎng)或因特網(wǎng)技術(shù)，形成跨地域的工作平臺;以圖形和數(shù)據(jù)相結(jié)合的技術(shù)，自動生成設(shè)計過程的兩維或三維實體或虛擬實現(xiàn)模型，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流的管理，達到多專業(yè)同步集成的目的。

從設(shè)計理念上看，智能化設(shè)計與管理不斷被采用，核電站設(shè)計與管理一體化正成為統(tǒng)一的設(shè)計理念，涵蓋核電站設(shè)計、建設(shè)、投產(chǎn)及維護管理的全過程。

1 核電站儀控系統(tǒng)設(shè)計軟件

目前，核電站儀控系統(tǒng)設(shè)計中主要有SmartPlant Instrumentation(SPI)、Aveva Instrument以及 LDAD 繪制軟件工具這三種儀控系統(tǒng)設(shè)計工具[1－6]?，F(xiàn)對這三種儀控系統(tǒng)設(shè)計工具介紹如下。

1.1 SmartPlant Instrumentation(SPI)

SPI軟件框架示意圖如圖1所示。

圖1 SPI軟件框架示意圖Fig.1 Schematic diagram of SPI software framework

InterGraph的軟件SPI是為工廠業(yè)主/運營商和工程公司開發(fā)的儀表工程應用軟件，提供儀控系統(tǒng)設(shè)計和儀表管理功能。因為所有的數(shù)據(jù)都來自相同的數(shù)據(jù)庫，SPI在設(shè)計和交付全過程中保持了連貫性，所以SPI管理設(shè)計包括用于工廠運行、建設(shè)和試車階段。SPI軟件包括通過用標準報告工具和用平鋪的電子表格輸入簡易數(shù)據(jù)產(chǎn)生生動的設(shè)計圖形的能力，提供多重的視圖。SPI也通過減少重復數(shù)據(jù)輸入來節(jié)省工作時間。

SPI是工廠設(shè)計生命周期解決方案的組成部分，幾乎涵蓋了儀表應用的整個領(lǐng)域，而且它能在軟件交付時提供用戶化數(shù)據(jù)，例如儀表規(guī)格書、電纜表、儀表接線圖、儀表回路圖、材料清單、安裝圖以及大量的儀表報告。

1.2 Aveva Instrument

Aveva Instrument儀表模塊主要用于輸入和維護儀表專業(yè)設(shè)計和管理信息。Aveva Instrument儀表模塊主要用于輸入和維護儀表專業(yè)設(shè)計和管理信息，其功能包括:輸入和更新儀表數(shù)據(jù);輸入和更新儀表子類型數(shù)據(jù);編輯電纜接線柜;創(chuàng)建I/O地址;接線盒電纜配線;為配線模板分配I/O;查看編輯電纜信息;定義系統(tǒng)I/O數(shù)據(jù);定義控制模式;定義設(shè)備模式;定義系統(tǒng)控制單元。

輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過檢驗、校審周期后，通過PE軟件工具可產(chǎn)生以下可交付文檔:儀表數(shù)據(jù)表或規(guī)格書;I/O示意圖、回路圖;用Business Objects產(chǎn)生的其他報告，例如儀表索引表等。

1.3 LDAD繪制軟件工具

中廣核設(shè)計公司在設(shè)計過程中，為提高設(shè)計效率、保障設(shè)計質(zhì)量、增強圖紙標準化程度并確保仿真驗證的準確性，提出了AD/LD輔助制圖系統(tǒng)軟件的設(shè)計需求，由軟件開發(fā)商進行軟件定制開發(fā)。此軟件工具作為CAD的插件形式外掛到AUTOCAD2004版本及其以上版本使用，具有支持元件庫自定義功能，同時把制圖中的元件及其屬性與確定需要導出的數(shù)據(jù)表進行一一對應。這為實現(xiàn)AD/LD圖元件屬性與I/O清單、整定值手冊和儀表信息進行相互自動導入導出提供了可能。

2 軟件主要功能模塊要求

2.1 管理功能模塊

通常在采用儀控系統(tǒng)設(shè)計軟件工具進行設(shè)計時，首先要通過系統(tǒng)管理功能模塊來完成工程環(huán)境的定義和參數(shù)的配置。

2.1.1 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理配置包括數(shù)據(jù)庫安全管理、定義數(shù)據(jù)庫參數(shù)、系統(tǒng)管理與域管理的切換以及系統(tǒng)管理的操作功能。

2.1.2 域管理

域管理也可稱為業(yè)務(wù)管理，包括域管理與系統(tǒng)管理的切換和域管理的操作功能。

2.2 基本設(shè)計功能模塊

2.2.1 儀表控制設(shè)備索引模塊

儀表控制設(shè)備索引模塊應能檢索所有儀表和控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及回路圖、線接圖。

用戶可使用該模塊定義工程項目的儀表位號和與其相關(guān)的回路號，允許用戶制定、修改、維護一個完整的涵蓋全部儀表設(shè)備的數(shù)據(jù)庫。該模塊能提供增加、編輯和刪除儀表位號和回路號的手段。所有與設(shè)備相關(guān)內(nèi)容，如儀表型號、制造商、P＆ID圖紙?zhí)?、儀表位置、I/O類型、設(shè)備名稱等均可導入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫內(nèi)容可通過過濾、分類裝訂等功能進行查閱，按照需要格式進行打印。

2.2.2 工藝數(shù)據(jù)模塊

工藝數(shù)據(jù)模塊可有效定義各種工況及檢測對象。過程檢測控制儀表類型主要有:流量、溫度、壓力、液位、控制閥和安全閥等。該模塊對上述類型儀表的工藝數(shù)據(jù)類型均有現(xiàn)成參考表格供選擇，也可根據(jù)用戶要求定義符合用戶的格式。這些工藝數(shù)據(jù)表格可批量制定并與數(shù)據(jù)庫共享。

2.2.3 計算模塊

計算模塊可根據(jù)工藝條件計算流量孔板孔徑相關(guān)參數(shù)、調(diào)節(jié)閥特性參數(shù)等。

計算模塊應采用國際上通用的計算標準，如ISA、ANSI、API、ISO 和 IEC 60534－2 －1 等，計算結(jié)果可生成計算報告書(可自定義)。

2.2.4 儀表控制設(shè)備技術(shù)規(guī)格書模塊

儀表控制設(shè)備技術(shù)規(guī)格書模塊可提供詳細的儀表技術(shù)資料文件，供采購方采購設(shè)備或備案。儀表控制設(shè)備技術(shù)規(guī)格書的內(nèi)容來自數(shù)據(jù)庫，其格式可根據(jù)用戶要求定義。

2.3 詳細設(shè)計功能模塊

2.3.1 接線圖模塊

接線圖模塊應提供從一次儀表至上位機的所有儀表控制設(shè)備接線圖的定義和管理，包括變送器、接線箱、控制機柜等，最終生成電纜接線。該模塊還應包含一些常規(guī)儀控設(shè)備的接線方式供用戶選擇。

2.3.2 回路圖(原理圖)

回路圖(原理圖)模塊是根據(jù)預先設(shè)定的儀控數(shù)據(jù)生成正確的儀表、控制系統(tǒng)回路圖?；芈穲D涵蓋的內(nèi)容包括回路中的每一個設(shè)備及其功能、接線路徑、接線方式、DCS數(shù)據(jù)以及版本號等常規(guī)信息。

2.2.3 安裝詳圖模塊

安裝圖紙是儀控設(shè)計中出圖量較大的一部分，通過該軟件可實現(xiàn)對設(shè)備安裝圖中的數(shù)據(jù)進行在線和離線修改。

安裝詳圖模塊可定義所有儀控設(shè)備安裝詳圖中的安裝數(shù)據(jù)，并進行管理。最終生成詳細安裝圖、設(shè)備安裝明細表、材料清單等用戶需求的圖紙和各種表格。全部數(shù)據(jù)均納入數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理。

3 設(shè)計軟件比較分析

在以上三種設(shè)計軟件中，LDAD繪制軟件工具作為一種自定義制圖插件，并不屬于專業(yè)化的儀控設(shè)計軟件，在功能上比較隨意，完全根據(jù)用戶的需求進行定義，且本身為CAD制圖軟件的插件，具有實現(xiàn)功能的局限性。相比較而言，作為專業(yè)化的儀表、控制設(shè)計軟件，InterGraph公司的SPI和Aveva Instrument均能不同程度地滿足設(shè)計的要求。兩個專業(yè)軟件的功能比較如表1所示。

表1 SPI與Aveva Instrument軟件功能比較Tab.1 Comparison of the software functions of SPI and Aveva Instrument

3.1 管理功能

Aveva Instrument對整個專業(yè)的系統(tǒng)管理較弱。由于其模塊功能相對簡單，設(shè)計初始化條件設(shè)置過于簡化，如只能定義系統(tǒng)I/O數(shù)據(jù)、控制模式、設(shè)備模式、系統(tǒng)控制單元等基本元素;針對更為詳細的信息，如核電站設(shè)計要求的對儀表和控制系統(tǒng)的劃分，包括安全級別劃分、設(shè)計原則的規(guī)定等無法在程序中體現(xiàn)出來。SPI軟件可以經(jīng)過二次開發(fā)進行自定義，格式和內(nèi)容靈活多變。

3.2 設(shè)計功能

Aveva Instrument儀表模塊只具備輸入和維護儀表專業(yè)信息的功能，是一個純數(shù)據(jù)管理軟件。出版相關(guān)的儀表數(shù)據(jù)報或規(guī)格書，需借助PE的軟件工具Document Wizard來完成;同樣，其I/O示意圖、回路圖也需通過PE的軟件工具ASPECT Assistant來完成;儀表索引表則是通過Business Objects實現(xiàn)。由于儀控的圖紙文檔不是在一個軟件中生成，導致設(shè)計過程中操作較為復雜;其I/O示意圖、回路圖的格式較為單一，修改不便。

4 軟件二次開發(fā)

作為一種專業(yè)性較強的應用軟件，在初次使用前要做好準備工作，以適應工作中的設(shè)計輸入和輸出條件，完成基本的設(shè)計管理任務(wù)。在應用基礎(chǔ)上，根據(jù)工程項目的具體要求，進一步開發(fā)是提高軟件應用效率的重要方法，同時能夠進一步積累應用經(jīng)驗，提出更高的應用需求。

4.1 二次開發(fā)內(nèi)容

為充分發(fā)揮軟件的功能和促進設(shè)計與管理工作的標準化、規(guī)范化，更好地體現(xiàn)個性化設(shè)計特色，充分利用有效的軟硬件資源，提高綜合水平，更好地滿足用戶的需求。二次開發(fā)的主要內(nèi)容如下。

①在一定工程應用和初步設(shè)計管理規(guī)定的基礎(chǔ)上，編制出整套不斷完善的嚴格易行的設(shè)計與管理標準化工作程序。這一工作是保證軟件長期有效應用的基礎(chǔ)性工作，將形成一套制度文件，減少人員流動等人因?qū)ぷ鞯挠绊憽Ａ硗?，工作程序的建立是一個長期的過程，需要在實際應用中不斷總結(jié)歸納，借鑒其他同類單位的經(jīng)驗，并在應用中及時修正完善。對于不同類型的工程，如核電項目、化工項目、民用工程等，根據(jù)不同的特點、規(guī)模、行業(yè)習慣等因素應有相應不同的具體規(guī)定，形成一個逐步完善的工作程序體系。

②建立一個完備的自控儀表及相關(guān)材料的選型庫。

③應用各類軟件適用的工具編輯出滿足各種工程項目需求的標準規(guī)格書模板。

④建立完善的HOOK-UP圖及其他可納入信息化管理的標準的工程圖庫。

⑤根據(jù)能滿足用戶及文件資料交換要求的原則進行開發(fā)(如漢化模板、漢化報表、雙語報表等)。

⑥以已有的軟件平臺的基本設(shè)計與管理功能為基礎(chǔ)，進行應用接口開發(fā)，如與三維設(shè)計軟件、電纜敷設(shè)軟件等之間的接口，逐步推動并實現(xiàn)相關(guān)專業(yè)間的智能化接口，減輕工作強度、提高效率、減少出錯的機會。當條件成熟時，可以進一步引進適用于其他專業(yè)的功能模塊和更高層次的管理體系。

4.2 開發(fā)方式

根據(jù)開發(fā)的階段和開發(fā)的不同內(nèi)容，根據(jù)軟件應用和管理的實際需要，綜合考慮成本和效率、專業(yè)人員培養(yǎng)和鍛煉等多種因素確定適宜的開發(fā)方式。根據(jù)對SPI與相關(guān)軟件的應用考察，對同類用戶與不同開發(fā)者，建議可采用以下幾種開發(fā)方式。

4.2.1 自主開發(fā)

自主開發(fā)主要用在初期適應性應用階段，以實現(xiàn)對基本數(shù)據(jù)定義、表格等的開發(fā)和后期針對不同工程項目的需要，在直接應用者中組織人力進行開發(fā)。這種方式有利于提高設(shè)計人員的應用水平和軟件的推廣力度。

4.2.2 合作開發(fā)

由直接應用者聯(lián)合其他專業(yè)人員甚至外單位人員共同執(zhí)行開發(fā)計劃，完成預期任務(wù)。內(nèi)部合作主要是針對不同工種和其他工程應用軟件間的接口開發(fā)，充分利用內(nèi)部資源和合作優(yōu)勢，與各接口專業(yè)合作定制合理的需求，聯(lián)合計算機中心的計算機專業(yè)人員共同開發(fā)，加強合作，為更高層次的智能化設(shè)計與管理體系的建立做好基礎(chǔ)工作。合作開發(fā)必要時可與外單位專業(yè)人員合作，主要是利用更了解或具有該類項目開發(fā)經(jīng)驗的計算機IT專業(yè)人員優(yōu)勢和借用軟件體系方面人員的豐富經(jīng)驗。

4.2.3 外包開發(fā)

部分專業(yè)技術(shù)較強，費時費力且是必要的開發(fā)內(nèi)容，如關(guān)系到數(shù)據(jù)庫及系統(tǒng)底層，并與一般設(shè)計應用功能直接關(guān)聯(lián)度較小的內(nèi)容，可以綜合評估后，并在明確的軟件需求和要求下，外包給專業(yè)的開發(fā)公司配合完成。該方式主要是借用外來技術(shù)，節(jié)約開發(fā)周期和成本。

4.2.4 采購結(jié)合開發(fā)

事實上，針對軟件應用標準化方面的積累工作也有專門的機構(gòu)和公司在不斷開發(fā)與完善。如現(xiàn)有的SPI中國標準模塊、自動化儀表設(shè)計工程數(shù)據(jù)庫等，已經(jīng)完成了基本的漢化和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫等工作，完全可以直接采購，通過部分適應性修改和開發(fā)即可大大加快應用進程，提高應用水平。

5 結(jié)束語

根據(jù)自控儀表專業(yè)設(shè)計特點，通過采購智能化設(shè)計軟件并進行開發(fā)和應用，以具有計算機應用和管理基礎(chǔ)的自控儀表專業(yè)的創(chuàng)新工作為突破口，逐步引進先進的設(shè)計與管理一體化[7]的軟件與理念，并加以大力推廣，最終實現(xiàn)對工程項目的專業(yè)設(shè)計和項目的綜合管理。

開發(fā)應用智能化儀控系統(tǒng)設(shè)計軟件的主要意義在于:推動工程設(shè)計與管理標準化;有利于質(zhì)量控制計劃的執(zhí)行;有利于設(shè)計經(jīng)驗和成果的積累;降低勞動強度，提高綜合效益;整合現(xiàn)有的綜合資源協(xié)同設(shè)計，提高技術(shù)服務(wù)水平和綜合競爭力;可實現(xiàn)異地同步設(shè)計;減少接口環(huán)節(jié)和降低人為出錯的機率。

[1] 李騫.INtools在工程設(shè)計項目中的應用[J].石油化工自動化，2007(4):57.

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