核電廠裝卸料機(jī)模擬機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

張 婧，何志軍，張 鵬

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

裝卸料機(jī)是核電站停堆換料期間完成反應(yīng)堆換料的關(guān)鍵設(shè)備，從國內(nèi)外核電站的裝卸料機(jī)使用經(jīng)驗來看，在核電站機(jī)組運行期間，裝卸料機(jī)停放在反應(yīng)堆廠房內(nèi)，無法使用裝卸料機(jī)對操作員進(jìn)行實際操作培訓(xùn)。此時，將裝卸料機(jī)上的控制臺拆卸下來并轉(zhuǎn)移至反應(yīng)堆廠房外的專用房間中，通過電纜與裝卸料機(jī)模擬機(jī)相連，形成一個完整的裝卸料機(jī)操作培訓(xùn)系統(tǒng)，對核電站裝卸料機(jī)操作員進(jìn)行相關(guān)的操作培訓(xùn)，也可檢測裝卸料機(jī)控制臺的功能。

目前，國內(nèi)外核電站的裝卸料機(jī)模擬機(jī)都采用了全實物1:1 的設(shè)計，即電機(jī)、編碼器等都采用了實體硬件設(shè)備。這種設(shè)計思想既不利于整個控制系統(tǒng)的布置，又不能靈活仿真模擬各種運行工況，且缺乏很好的經(jīng)濟(jì)性。

基于上述問題，本文介紹采用一種全新的設(shè)計理念進(jìn)行裝卸料機(jī)模擬機(jī)的研發(fā)，利用軟件方法實現(xiàn)裝卸料機(jī)編碼器、電機(jī)、傳感器及故障狀態(tài)等信號的模擬仿真，擺脫裝卸料機(jī)模擬機(jī)對于編碼器、電機(jī)等硬件設(shè)備的依賴，很好地彌補(bǔ)以前核電站裝卸料機(jī)模擬機(jī)設(shè)計中存在的不足。

圖1 模擬機(jī)的硬件平臺架構(gòu)Fig.1 Hardware platform architecture of simulator

1 裝卸料機(jī)模擬機(jī)概述

1.1 裝卸料機(jī)模擬機(jī)的功能

裝卸料機(jī)在停堆換料結(jié)束后，其控制臺將被拆除并移出至某個專用房間中。將控制臺上的工業(yè)連接器插座與裝卸料機(jī)模擬機(jī)的電纜進(jìn)行對接，形成一個完整的裝卸料機(jī)操作培訓(xùn)系統(tǒng)。裝卸料機(jī)模擬機(jī)接收來自裝卸料機(jī)的命令信號，經(jīng)過邏輯判斷和數(shù)值計算，輸出相應(yīng)的模擬信號至裝卸料機(jī)的控制臺。裝卸料機(jī)模擬機(jī)主要實現(xiàn)如下功能：

1）根據(jù)裝卸料機(jī)控制臺發(fā)出的方向和速度信號，通過下位機(jī)軟件實現(xiàn)裝卸料機(jī)編碼器硬件在環(huán)的模擬仿真。

2）根據(jù)裝卸料機(jī)控制臺發(fā)出的方向和速度信號，通過下位機(jī)軟件實現(xiàn)裝卸料機(jī)電機(jī)硬件在環(huán)的模擬仿真。

3）根據(jù)裝卸料機(jī)控制臺發(fā)出的主提升方向和速度信號，通過下位機(jī)軟件計算主提升的標(biāo)高等信息，向裝卸料機(jī)發(fā)出模擬的稱重傳感器信號。

4）根據(jù)裝卸料機(jī)的控制工藝，實現(xiàn)裝卸料機(jī)限位開關(guān)和故障狀態(tài)等其他運行工況的模擬仿真。

1.2 裝卸料機(jī)模擬機(jī)的硬件平臺

圖2 模擬機(jī)的軟件架構(gòu)Fig.2 Software architecture of simulator

模擬機(jī)采用了基于可重配置的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術(shù)的NI CompactRIO 控制平臺。NI CompactRIO是一款堅固耐用、可重配置的嵌入式系統(tǒng)，主要由3 個部分組成——實時控制器Real-Time 模塊、FPGA 和工業(yè)級I/O 模塊。實時控制器包含一個工業(yè)級處理器，能夠可靠而準(zhǔn)確地執(zhí)行LabVIEW 實時應(yīng)用程序，并可提供多速率控制、進(jìn)程執(zhí)行跟蹤、板載數(shù)據(jù)存儲以及與外部設(shè)備通訊等功能[1,2]。另外，實時控制器還配備9VDC ～30VDC 的冗余電源輸入、一個實時時鐘、硬件監(jiān)視定時器、雙以太網(wǎng)端口、高達(dá)4GB 的板載數(shù)據(jù)存儲器，以及內(nèi)置的USB 和RS232接口[3]。工業(yè)級I/O 模塊包含隔離、轉(zhuǎn)換電路，信號調(diào)理功能，并可直接與工業(yè)傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。通過提供多種選擇并集成到模塊的連接接線盒，NI CompactRIO 系統(tǒng)大幅降低了空間需求和現(xiàn)場布線的成本[4]。本文中提到的模擬機(jī)所采用硬件控制平臺架構(gòu)，如圖1 所示。

2 裝卸料機(jī)模擬機(jī)的軟件設(shè)計

2.1 裝卸料機(jī)模擬機(jī)的軟件架構(gòu)

模擬機(jī)軟件主要包括人機(jī)界面HMI 和下位機(jī)軟件兩大部分，均采用NI LabVIEW 軟件平臺進(jìn)行開發(fā)。其中，人機(jī)界面HMI 運行在基于Windows XP 系統(tǒng)的工業(yè)平板電腦上，下位機(jī)軟件運行在NI CompactRIO 控制平臺中。NI LabVIEW 自帶一個擁有大量可重用代碼的庫，可以通過Function 面板使用這些可重用代碼。這些可重用代碼提供了幾百個內(nèi)置函數(shù)用于控制、分析、通信、文件I/O 等。此外，NI LabVIEW 還引入了一種新的可重用代碼類型，稱為功能塊。這些功能塊遵守工業(yè)控制系統(tǒng)的IEC 61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)，是一種實時的應(yīng)用程序設(shè)計，具有在內(nèi)存表（共享變量）中發(fā)布參數(shù)的能力。用戶可以便捷地與其它LabVIEW 代碼一起使用這些功能塊[5,6]。

人機(jī)界面HMI 可以對裝卸料機(jī)控制臺狀態(tài)實時監(jiān)測和顯示，同時也可發(fā)出與裝卸料機(jī)運行狀態(tài)相關(guān)的限位開關(guān)、故障狀態(tài)以及編碼器偏差調(diào)整等模擬仿真信號。模擬機(jī)的下位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)完成裝卸料機(jī)編碼器信號、電機(jī)信號以及稱重傳感器信號等各種運行工況的模擬仿真。人機(jī)界面HMI 和下位機(jī)軟件之間利用TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信，通過操作人機(jī)界面上的控制開關(guān)和按鈕等控件，可以實現(xiàn)對NI CompactRIO 控制平臺下位機(jī)程序的控制，進(jìn)行裝卸料機(jī)運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集和發(fā)出相應(yīng)的控制指令[7]。模擬機(jī)軟件的主要架構(gòu)如圖2 所示。

2.2 裝卸料機(jī)模擬機(jī)的軟件編程

模擬機(jī)軟件采用NI LabVIEW 軟件進(jìn)行編程實現(xiàn)，該軟件擁有用于采集、分析、顯示和存儲數(shù)據(jù)的整套工具，以及解決用戶在編寫代碼過程中可能出現(xiàn)的問題。LabVIEW 程序稱為虛擬儀器（VI），它的外觀和操作類似于真實的物理儀器（比如示波器面板）。通過輸入控件和顯示控件創(chuàng)建模擬機(jī)的人機(jī)界面（前面板）。輸入控件有旋鈕、按鈕、轉(zhuǎn)盤等輸入裝置。顯示控件有圖形、指示燈等輸出顯示裝置[8]。前面板創(chuàng)建完畢后，可添加相應(yīng)的控制程序代碼，使用VI、循環(huán)結(jié)構(gòu)以及定時器等來控制前面板上的對象，從而實現(xiàn)模擬機(jī)的控制工藝過程要求。

2.2.1 人機(jī)界面HMI組態(tài)

模擬機(jī)軟件的人機(jī)界面HMI 主要包括公司LOGO、軟件版權(quán)和啟/停按鈕以及通訊狀態(tài)指示等信息，相關(guān)的操作控制區(qū)域以及狀態(tài)信息顯示區(qū)，主要包括裝卸料機(jī)各個設(shè)備編碼器的位置指示、各限位開關(guān)和傳感器狀態(tài)指示以及裝卸料機(jī)的動畫顯示等。

2.2.2 編碼器硬件在環(huán)的模擬仿真

編碼器硬件在環(huán)的仿真是指裝卸料機(jī)模擬機(jī)根據(jù)裝卸料機(jī)發(fā)出的運動方向和速度指令，經(jīng)過下位機(jī)程序的數(shù)值計算和邏輯運算，得到編碼器模擬仿真信號，然后向裝卸料機(jī)發(fā)送模擬的編碼器信號。模擬編碼器真實存在，裝卸料機(jī)接收到模擬仿真信號后，通過自身程序完成相關(guān)運行操作。

編碼器硬件在環(huán)的模擬仿真程序主要包括時鐘信號采集模塊、速度采集模塊、時鐘信號檢測模塊、仿真信號生成模塊以及仿真信號輸出模塊。每個模塊的具體功能介紹如下：

1） 時鐘信號采集模塊：負(fù)責(zé)采集設(shè)備時鐘信號，即由裝卸料機(jī)控制臺內(nèi)發(fā)出的時鐘信號，用于最終的編碼器仿真信號的同步發(fā)送。

2）速度采集模塊：負(fù)責(zé)采集與裝卸料機(jī)大車、小車和主提升手柄位置相對應(yīng)的速度信號和運行方向信號，并送至仿真信號生成模塊。

3）仿真信號生成模塊：利用采集到的速度和方向信號，根據(jù)預(yù)設(shè)程序計算出編碼器當(dāng)前數(shù)值，得出最終的編碼器仿真信號，此仿真信號最終被送至仿真信號輸出模塊。

4）仿真信號輸出模塊：負(fù)責(zé)將得到的編碼器仿真信號，根據(jù)時鐘信號數(shù)據(jù)發(fā)送時序，發(fā)送編碼器仿真信號至裝卸料機(jī)控制臺內(nèi)的接收設(shè)備。

裝卸料機(jī)操作員在進(jìn)行操作培訓(xùn)時，操作裝卸料機(jī)手柄，發(fā)出裝卸料機(jī)大車、小車或者主提升速度和運行方向信號至模擬機(jī)，模擬機(jī)根據(jù)這些信號進(jìn)行邏輯和數(shù)值運算得出編碼器的當(dāng)前數(shù)值，然后再利用此數(shù)值進(jìn)行編碼器信號的仿真模擬。

2.2.3 電機(jī)硬件在環(huán)的模擬仿真

模擬機(jī)仿真系統(tǒng)軟件根據(jù)裝卸料機(jī)發(fā)出的方向和速度指令，經(jīng)過下位機(jī)程序的數(shù)值計算和邏輯運算，自動向裝卸料機(jī)控制臺發(fā)送模擬的電機(jī)信號，仿真信號將被送到裝卸料機(jī)控制臺內(nèi)的電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動器得到電機(jī)速度反饋，裝卸料機(jī)接收到模擬仿真信號后，通過自身程序完成相關(guān)運行操作。仿真程序主要包括激勵信號采集模塊、速度采集模塊、仿真信號生成模塊以及仿真信號輸出模塊。每個模塊的具體功能如下：

1）激勵信號采集模塊：負(fù)責(zé)采集電機(jī)仿真信號接收設(shè)備發(fā)出的激勵信號。

2）速度采集模塊：采集由裝卸料機(jī)控制臺的手柄發(fā)出的速度和方向信號，模擬機(jī)軟件程序經(jīng)過邏輯處理和數(shù)值計算，得出裝卸料機(jī)手柄對應(yīng)的速度數(shù)值和方向。手柄方向信號最后用于判斷電機(jī)仿真信號輸出信號方向。

3）仿真信號生成模塊：首先，將速度采集模塊得到的速度數(shù)值和方向信號通過邏輯判斷和數(shù)值運算，最終得出仿真所需的輸入數(shù)值；然后將激勵信號轉(zhuǎn)為符合該預(yù)設(shè)程序的數(shù)值，再將得到的數(shù)值按照程序求出對應(yīng)的波形數(shù)值，從而得到電機(jī)仿真信號。

4）仿真信號輸出模塊：負(fù)責(zé)將電機(jī)仿真信號按照時間周期輸出到裝卸料機(jī)控制臺內(nèi)的接收設(shè)備。

裝卸料機(jī)操作員培訓(xùn)期間，操作員操作裝卸料機(jī)控制臺上的手柄，發(fā)出裝卸料機(jī)速度和方向信號至模擬機(jī)，模擬機(jī)程序根據(jù)這些信號進(jìn)行運算，得出電機(jī)角度輸入數(shù)值，然后再利用此數(shù)值進(jìn)行電機(jī)信號的仿真模擬。

3 結(jié)束語

本文介紹了核電站裝卸料機(jī)模擬機(jī)軟件的系統(tǒng)設(shè)計方案與實現(xiàn)過程，詳細(xì)描述了采用LabVIEW 軟件的圖形化開發(fā)平臺與內(nèi)嵌FPGA 芯片的NI 硬件平臺相結(jié)合，搭建模擬機(jī)測量和控制系統(tǒng)的主要設(shè)計思路與系統(tǒng)構(gòu)成。模擬機(jī)的實用性和可靠性可以直接提高核電站對于裝卸料操作員的培訓(xùn)效率，為核電站的換料過程提供安全保障。