核電站裝卸料模擬機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

趙鵬程+張皓+陳明+覃坤+彭波+李希+覃華

摘要：文章依據(jù)核電廠對于裝卸料技能培訓(xùn)的需求，提出了一種核電站裝卸料培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程。該系統(tǒng)將儀控、仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)等多種技術(shù)結(jié)合，以實(shí)體控制盤臺與人機(jī)交互界面作為輸入輸出，以虛擬設(shè)備作為輸出響應(yīng)以表現(xiàn)其運(yùn)動過程，以教控臺作為控制與教學(xué)輔助，實(shí)現(xiàn)了核電站裝卸料的自動化。

關(guān)鍵詞：核電站；裝卸料；培訓(xùn)系統(tǒng)；模擬機(jī)；虛擬設(shè)備；教控臺 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM623 文章編號：1009-2374（2015）15-0011-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.15.006

1 概述

裝卸料技能培訓(xùn)是核電廠技能培訓(xùn)的一個重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的書本教學(xué)對于學(xué)員來說缺少實(shí)物操作體驗(yàn)，培訓(xùn)效果欠佳。而按照現(xiàn)場建造一個實(shí)際的培訓(xùn)環(huán)境，則工程量巨大，并非一個良好的解決方案。

伴隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在仿真領(lǐng)域的應(yīng)用，基于仿真技術(shù)的裝卸料模擬機(jī)開發(fā)被提出。裝卸料模擬機(jī)具有實(shí)體的操作盤臺以及人機(jī)交互界面，讓培訓(xùn)人員能夠?qū)嶋H動手演練，加快操作的熟練程度，還利用虛擬的裝卸料機(jī)與廠房環(huán)境，增強(qiáng)培訓(xùn)人員身臨其境的體驗(yàn)，同時也讓教員能通過虛擬的設(shè)備來監(jiān)測學(xué)員的操作情況。裝卸料模擬機(jī)還具備教控臺，教員通過教控臺可以實(shí)時地對裝卸料的條件和場景進(jìn)行調(diào)度控制，使學(xué)員能夠應(yīng)付各種操作要求。

因此，可以說裝卸料模擬機(jī)相對于傳統(tǒng)的書本教學(xué)與實(shí)體培訓(xùn)設(shè)備來說是一個折中的方案，它具有良好的培訓(xùn)效果，并具有成本低、工期短、維護(hù)方便的特點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

裝卸料模擬機(jī)各組成部分包含實(shí)體控制臺、人機(jī)交互界面軟件、教控臺軟件、邏輯控制軟件、虛擬設(shè)備軟件。各個部分之間的關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)關(guān)系結(jié)構(gòu)圖

裝卸料模擬機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含以下方面的內(nèi)容：控制臺設(shè)計(jì)、人機(jī)界面設(shè)計(jì)、邏輯控制程序設(shè)計(jì)、教控臺設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)備設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)通訊設(shè)計(jì)。

2.2 控制臺設(shè)計(jì)

裝卸料模擬機(jī)控制臺按照實(shí)際的裝卸料機(jī)操作臺設(shè)計(jì)，控制臺機(jī)柜按照1∶1仿制。實(shí)體控制臺上的按鈕、操縱桿、顯示屏等零部件采用國內(nèi)仿制和原廠采購兩種方式實(shí)現(xiàn)，包括大小車操縱桿、提升機(jī)操縱桿、抓具開關(guān)、旁路開關(guān)、大小車位置顯示屏等。

控制臺內(nèi)部安裝有數(shù)據(jù)采集模塊，將控制臺上的AO、DO設(shè)備信號發(fā)送到邏輯控制程序當(dāng)中，并接受來自控制程序的AI、DI信號顯示到控制臺對應(yīng)的元件中。具體的信號分類將在2.4邏輯控制程序中介紹。以典型壓水堆核電站裝卸料機(jī)控制臺為仿制對象的實(shí)物控制臺包含5塊數(shù)碼顯示表、2個顯示（觸摸）屏、3個操縱桿以及若干自復(fù)位按鈕、自保持按鈕、旋鈕開關(guān)、指示燈、蜂鳴器等元件。

2.3 人機(jī)交互界面程序設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面依據(jù)實(shí)際的裝卸料機(jī)人機(jī)界面規(guī)格書設(shè)計(jì)。使用Windows下的VC2005工具進(jìn)行開發(fā)，界面圖像元素通過GDI函數(shù)繪制，在程序后臺啟動數(shù)據(jù)通訊模塊，與邏輯控制程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，以實(shí)現(xiàn)指令輸入和狀態(tài)顯示。

攝像機(jī)畫面是人機(jī)交互界面程序的一個三維顯示模塊，它采用三維虛擬方式模擬攝像機(jī)畫面，輸出到控制臺顯示屏中，能夠通過遙控器控制攝像機(jī)的縮放、旋轉(zhuǎn)、通道切換等操作。

典型壓水堆裝卸料模擬機(jī)人機(jī)交互界面內(nèi)容包括主屏幕界面、提升機(jī)屏幕界面、自動運(yùn)行屏幕界面、故障屏幕界面、裝卸料機(jī)偏移操作界面、攝像機(jī)畫面。

2.4 邏輯控制程序設(shè)計(jì)

邏輯控制程序依據(jù)裝卸料機(jī)系統(tǒng)PLC程序，采用RinSim仿真平臺下的SimGen圖形化建模工具進(jìn)行開發(fā)。控制程序承擔(dān)了整個裝卸料模擬機(jī)數(shù)據(jù)的計(jì)算與流通，是裝卸料模擬機(jī)系統(tǒng)組成的核心部分。控制程序的運(yùn)行環(huán)境下，同時啟動數(shù)據(jù)通訊模塊，以實(shí)現(xiàn)與裝卸料模擬機(jī)其他模塊的數(shù)據(jù)交換。控制程序提供AO、DO、AI、DI變量列表，其定義如下，并舉例說明：（1）AO：傳入控制程序的模擬型變量，如大車操縱桿偏移量、小車目標(biāo)位置、提升機(jī)當(dāng)前負(fù)載；（2）DO：傳入控制程序的數(shù)字型變量，如互鎖旁路開關(guān)、裝卸料機(jī)自動運(yùn)行、抓具嚙合開關(guān)信號；（3）AI：由控制程序傳出的模擬型變量，如大車當(dāng)前速度、堆芯分布、大車當(dāng)前位置；（4）DI：由控制程序傳出的數(shù)字型變量，如大車運(yùn)動方向、抓具釋放指示燈、載荷釋放信號、系統(tǒng)故障信號。圖2列舉的是RinSim仿真平臺下的控制程序中的某個模塊，通過可視化的編輯工具，可以非常便捷地對程序進(jìn)行編寫和調(diào)試。典型壓水堆裝卸料模擬機(jī)控制系統(tǒng)中，包含有設(shè)備初始化、區(qū)域初始化、位置編碼器控制、區(qū)域設(shè)置、系統(tǒng)錯誤、設(shè)備控制、自動運(yùn)行控制、堆芯控制、偏移操作控制等模塊。

圖2 可視化邏輯控制程序

2.5 虛擬設(shè)備程序設(shè)計(jì)

虛擬設(shè)備系統(tǒng)采用三維渲染的方式模擬反應(yīng)堆廠房內(nèi)部設(shè)施，主要用于監(jiān)視裝卸料過程中反應(yīng)堆廠房內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行。其開發(fā)環(huán)境為VC2005，并加載Eon Reality三維引擎實(shí)現(xiàn)三維處理。模擬范圍主要包括反應(yīng)堆廠房內(nèi)部土建結(jié)構(gòu)、反應(yīng)堆、上部構(gòu)件水池結(jié)構(gòu)、裝卸料機(jī)大車、小車、主提升機(jī)、套筒、抓具、傾翻機(jī)、反應(yīng)堆堆芯結(jié)構(gòu)、燃料組件、反應(yīng)堆頂蓋、上部構(gòu)件、蒸汽發(fā)生器其中裝卸料機(jī)大車、小車、主提升機(jī)、抓具、燃料組件等設(shè)備加入了運(yùn)動控制腳本，可以接收來自外部速度信號，驅(qū)使各設(shè)備運(yùn)行，并能夠處理加速度、負(fù)載運(yùn)算、碰撞等細(xì)節(jié)，以逼近實(shí)際場景。

2.6 教控臺設(shè)計(jì)

教控臺采用RinSim平臺下的SIMIS軟件進(jìn)行開發(fā)改造，教控臺主要給教練員提供一個培訓(xùn)控制平臺，它可以設(shè)置裝卸料模擬機(jī)的各種場景與狀態(tài)，以適應(yīng)不同的教學(xué)需求，教控臺具備以下功能：裝卸料場景的實(shí)時保存和復(fù)位、設(shè)置堆芯分布、教案編制、考核、評分、控制臺開關(guān)校驗(yàn)、故障插入（包括各種機(jī)械故障、人為故障）。endprint

2.7 數(shù)據(jù)通訊設(shè)計(jì)

裝卸料模擬機(jī)以Windows環(huán)境下的人機(jī)操作界面程序（HMI）作為整個系統(tǒng)的通訊服務(wù)器，負(fù)責(zé)與控制程序（PLC）即模擬機(jī)主控程序、控制臺（Console）、虛擬設(shè)備（Device）之間的數(shù)據(jù)傳輸。通訊結(jié)構(gòu)圖與實(shí)現(xiàn)方式如圖3所示：

圖3 數(shù)據(jù)通訊結(jié)構(gòu)圖

2.7.1 控制程序與人機(jī)界面。由于通訊要求跨平臺，使用基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。控制程序建立TCP服務(wù)端，人機(jī)界面建立客戶端，連接到控制

程序。

2.7.2 控制臺與人機(jī)界面。控制臺配備數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集設(shè)備將硬件盤臺中的開關(guān)、按鈕、推桿、等設(shè)備產(chǎn)生的物理信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)與人機(jī)界面程序的數(shù)據(jù)交換。

2.7.3 虛擬設(shè)備與人機(jī)界面。虛擬設(shè)備程序與人機(jī)界面使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的方式實(shí)現(xiàn)通訊，人機(jī)界面程序?qū)⑽恢眯畔l(fā)送到虛擬設(shè)備程序，驅(qū)動設(shè)備運(yùn)行。

2.7.4 控制程序與教控臺。兩者同處在一個RinSim仿真平臺下，采用共享內(nèi)存方式實(shí)現(xiàn)教控臺與控制程序之間的數(shù)據(jù)交換。

3 關(guān)鍵技術(shù)

裝卸料模擬機(jī)由于系統(tǒng)組成復(fù)雜，對仿真的精度要求高，在實(shí)際的開發(fā)過程遇到并解決了以下四個關(guān)鍵

問題：

3.1 裝卸料機(jī)PLC程序移植

裝卸料模擬機(jī)的邏輯控制程序開發(fā)是使用RinSim平臺下的SimGen圖形編輯工具將實(shí)際裝卸料機(jī)PLC程序移植。由于平臺的差異性，代碼的移植和調(diào)試占用整個項(xiàng)目的大部分時間，由于SimGen工具對PLC程序支持尚未完善，裝卸料模擬機(jī)在保證控制邏輯正確、完整的基礎(chǔ)上，對程序做出了部分適應(yīng)性修改，并對工具做出了部分改進(jìn)。

3.2 控制程序I/O點(diǎn)的確定

控制程序的I/O點(diǎn)通過配置文件記錄，由于裝卸料機(jī)的技術(shù)規(guī)格書上并沒有定義PLC的I/O，所以是通過研讀PLC程序，根據(jù)各層邏輯關(guān)系確定變量點(diǎn)，不斷完善來I/O配置文件。例如：由控制臺上的某個指示燈需要某個DI變量來驅(qū)動，便在控制程序中找出該變量，列入DI配置文件中。人機(jī)界面中某個功能按鈕需要向控制程序發(fā)送指令，便在控制程序中找到與該指令相關(guān)聯(lián)的變量，列入DO配置文件中。

3.3 虛擬設(shè)備的加速度處理

為了達(dá)到與真實(shí)設(shè)備相似的物理特性，虛擬的設(shè)備對加速度進(jìn)行了處理。設(shè)備的控制腳本中，加入了三維畫面的幀處理函數(shù)，該函數(shù)在每一幀后調(diào)用，函數(shù)首先將幀的耗時乘以加速度，作為速度變化，然后將設(shè)備的速度加上速度變化，以新的設(shè)備速度，該方法可以較為精確地模擬出在一定加速度下，設(shè)備的速度變化過程。

3.4 人機(jī)界面虛擬模塊與虛擬設(shè)備同步

為實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)畫面，在人機(jī)界面程序內(nèi)集成了一個虛擬設(shè)備，簡稱為Device0。人機(jī)界面程序?qū)目刂瞥绦颢@取到的AI、DI變量發(fā)送給自身的Device0，同時以UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的方式發(fā)送給獨(dú)立虛擬場景程序Device。Device僅僅只是接收消息實(shí)現(xiàn)與Device0同步并顯示，而水下攝像頭虛擬信號和反饋到控制程序的AO、DO信號實(shí)際上由Device0提供。

4 結(jié)語

綜上所述，裝卸料模擬機(jī)有如下特點(diǎn)：（1）利用實(shí)體控制臺仿制裝卸料機(jī)控制臺的外型以盤臺儀表；（2）采用計(jì)算機(jī)程序模擬控制臺人機(jī)界面；（3）利用RinSim仿真平臺下的SimGen工具生成邏輯控制算法；（4）采用教控臺實(shí)現(xiàn)場景設(shè)置、過程監(jiān)控、故障設(shè)置等功能；（5）利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬反應(yīng)堆廠房內(nèi)部設(shè)備，作為設(shè)備操作的響應(yīng)輸出，以實(shí)現(xiàn)裝卸料環(huán)境的整體監(jiān)控功能。

因此，裝卸料模擬機(jī)利用儀控技術(shù)、過程仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等相結(jié)合的方式，建立了一套以仿制的控制盤臺與人機(jī)界面作為輸入輸出、以三維設(shè)備模型作為輸出響應(yīng)、以教控臺作為教學(xué)輔助的裝卸料過程培訓(xùn)系統(tǒng)。在高精度仿真的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了可操作、可視化、可交互、且具備教學(xué)功能的培訓(xùn)方式。

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)思路與關(guān)鍵技術(shù)解決方法，以某典型壓水堆核電機(jī)組為數(shù)據(jù)參考對象的裝卸料模擬機(jī)完成開發(fā)并投入使用，用于某核電站裝卸料人員培訓(xùn)。使用報(bào)告表明：壓水堆核電站裝卸料模擬機(jī)使用情況良好，培訓(xùn)人員能夠通過該系統(tǒng)熟悉反應(yīng)堆裝卸料過程，并能夠用來實(shí)現(xiàn)并處理裝卸料過程中遇到的各種問題，為核電站裝卸料的預(yù)備人員提供了一個較好的培訓(xùn)手段。

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作者簡介：趙鵬程（1981-），男，湖北當(dāng)陽人，中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司工程師，研究方向：核電虛擬仿真技術(shù)；張皓（1983-），男，湖北武漢人，中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司工程師，碩士，研究方向：虛擬仿真

技術(shù)。

（責(zé)任編輯：周 瓊）endprint