“華龍一號”功能圖自動導入仿真平臺的功能實現

劉 穎,祁 蔚2,張立群,張玉峰

(1.中國核電工程有限公司,北京 100840;2.中核武漢核電運行技術股份有限公司,湖北 武漢 430223)

核電設計的驗證方式目前主要包含設計評審、替換計算、試驗(實驗)方式等。在以往核電廠設計中,一般采取的方式是設計評審,設計驗證主要依靠評審人員的經驗進行。近年來,各大核電設計研究院的儀控系統設計均開始采用成熟的商用工程設計平臺或者定制開發的專用繪圖軟件,儀控設計圖紙采用標準模板并以數據庫的方式存儲,甚至可以用計算機代碼解析和計算,因而采用替換計算、試驗方式進行儀控設計驗證變為可能[1-3]。同時,核安全局對核電廠設計驗證的要求也在逐漸提高,核電設計工作的仿真驗證已經逐漸成為核電設計中不可或缺的內容。由于計算機設計仿真分析的時效性和經濟型,先進核電研發設計中,大量的方案研究、設計開發都采用了計算仿真分析[4-5]。

方家山和福清核電項目的設計驗證平臺中,由于儀控出圖未采用標準圖塊,計算機無法解析。因而儀控系統建模采用仿真工程師手動建模的方式,這種須進行二次人工組態建模的方式工作效率低、耗時長且經常存在工作反復。自福清5、6號機組項目(“華龍一號”堆型)開始,儀控設計工作使用基于visio開發的功能圖專用自動化設計軟件,采用標準圖塊設計方法,統一使用標準圖框、圖面、圖例符號、統一的字體和線型,儀控設計成品圖紙使用功能圖替代了邏輯圖/模擬圖。功能圖采用標準圖塊繪圖、使用標準出圖軟件繪制,功能圖可用計算機代碼進行解析,構成了功能圖紙自動導入設計驗證平臺、進行儀控系統仿真建模的基礎。

1 功能圖文件轉換的基本原理

功能圖中的構成元素包含以下幾類：標準圖框、文本塊、基本幾何形狀圖塊(圓形/橢圓/矩形等)、組合框圖塊、標準算法模具塊、標準算法模具塊屬性信息、標準算法模具塊之間的動態連接關系等。這些大體可分為靜態圖塊/文本、動態圖塊、圖塊參數信息、連接線。其中,動態圖塊、圖塊參數信息均為預定義模具塊以及預定義參數信息。

這些存儲在.vsd文件中圖元素數據有一定的規范格式,同時 visio軟件提供了可以訪問這些數據的接口,xml格式存儲信息為visio所提供的數據接口方式的一種。xml文件提供了幾個主要的接口,包含Document,節點相關的Nodelist,Node,NameNodeMap等,其中Document是整個xml文檔屬性結構數據的入口,通過Document可以訪問整個文檔的數據。xml文件以文檔樹形結構(如圖1所示)的形式提供了有效的、準確的、規范格式的繪圖信息,是一種優秀的描述結構化的數據語言,開放性與可擴展性強,代碼效率高,可讀性強,能夠很好實現visio文檔數據的批量化處理。

圖1 xml文件結構Fig.1 Structure of xmldocument

Rinsim仿真平臺可以通過xml文件提供的數據入口,解析功能圖中的圖元素以及參數、圖元素位置信息,并在圖形化建模軟件SimGen中將xml文件還原為.gmd格式的繪圖仿真文件。其中,源圖中的靜態圖塊/文本塊、模具圖塊參數直接還原為圖片/文本格式,無須在仿真平臺中預先定義；而源圖中預定義模具塊都需要在Rinsim仿真平臺預先開發一比一的仿真算法模具塊,通過名稱對應的方式還原圖信息。

綜上,功能圖文件轉換為Rinsim仿真平臺可識別文件的基本轉換原理如圖2所示,源文件為使用功能圖專用制圖軟件按照制圖規范、使用標準模具圖塊繪制的.vsd文件；第二步,通過功能圖專用制圖軟件功能,將.vsd文件轉換為xml文件；第三步,功能圖導入軟件對xml文件進行查錯流程,查錯無誤再經坐標轉換后,將xml轉換為目標xml文件；最后,目標xml文件被Rinsim仿真平臺直接識別,還原為.gmd格式的仿真圖文件,經編譯、下裝后可進行仿真運算。

圖2 Vsio格式數據解析流程圖Fig.2 Data analysis flow of the visio document

2 功能圖導入軟件的功能

功能圖導入軟件的功能主要包含兩個,其一是通過預定義功能圖專用制圖軟件和Rinsim仿真平臺模具圖塊開發的技術規則與書寫格式,使用預先定義的錯誤類型和錯誤條件判據糾正功能圖繪圖的規范性偏差檢查源功能圖錯誤。另外一個是將xml文件進行格式處理、信息補充以及格式檢查,以及部分算法塊的連接關系判斷處理,將其批量轉換為目標xml文件。

2.1 查錯功能

仿真計算對于控制邏輯組態圖中算法圖塊的連接點類型、算法塊輸入針腳的初始值、算法塊參數的初值、算法塊命名有著嚴格的要求。用功能圖導入的方式建立控制系統模型,是一種在繪圖完成后直接進行建模的方式,這就要求功能圖繪制也必須符合圖形化仿真建模工具軟件的制圖規范。然而,功能圖專用制圖軟件對繪圖的限制規范遠不及Rinsim仿真平臺嚴格,功能圖專用制圖軟件目的是出版儀控成品文件,軟件首要功能是保證設計者有一定的發揮空間以及圖面的規整度,而不是保證出圖可直接用于平臺建模下裝。因此,若不能在功能圖導入前對功能圖進行診斷以及錯誤分析,則會在導入后經常出現圖紙導入不成功、導入組態圖編譯出錯、發生計算溢出等情形,這樣就需要仿真建模工程師耗費大量時間去分析問題,找出問題原因并向功能圖設計者反饋繪圖規范的問題,使得整個功能圖導入流程不停的反復在“繪圖完成——導入為組態圖編譯下裝——編譯出錯——修改繪圖”流程中,嚴重影響工作效率。

功能圖導入軟件的查錯功能,利用預先定義的錯誤類型和錯誤條件判據糾正功能圖繪圖的規范性偏差,使得功能圖的驗證偏差項的修正次序更科學,從而減少了后續邏輯驗證工作的偏差問題分析的工作量。導入軟件診斷結果可作為圖紙能否直接導入驗證仿真平臺的輔助判斷依據；若功能圖文件未通過軟件診斷,診斷分析結果文件將繪圖偏差逐一分類并逐條羅列,結果分析文件(如圖3所示)清晰易懂,可作為繪圖者修正繪圖的依據。

圖3 功能圖診斷分析結果Fig.3 Diagnosis results for the function diagram analysis

2.2 導入功能

如本文第1章所述,功能圖導出為xml文件格式后,需要對xml文件進行格式處理、信息補充以及格式檢查轉換為目標xml文件后,才能夠正常導入進Rinsim平臺的圖形化建模軟件SimGen,顯示為與原圖一致的組態圖,并且直接編譯下裝和運行。功能圖導入軟件對xml文件進行的處理主要包含以下6個方面：

(1)坐標轉換

功能圖專用制圖軟件的坐標原點在畫面的左下角,而SimGen組態圖的原點坐標在畫面的左上角；功能圖中各圖元素的坐標信息對應的是圖塊的居中位置,而SimGen中庫部件定位使用的是庫部件的左上角坐標。所以xml文件在導入SimGen軟件時,需要根據功能圖的尺寸和SimGen組態圖的尺寸,以及模具圖塊的尺寸進行坐標數值的轉換,轉換后目標xml文件中的發生了變化。

(2)懸空針腳的處理

某些特殊算法塊(平均值塊、表決塊等)需要統計懸空陣腳的數量,并將這個值增加至該算法塊的參數中,這就需要判斷算法塊的連接關系,對于有連接的針腳,在parameterlist結構里增加insel屬性,并賦值為1；對于沒有連接的點,賦值為0。

(3)補充信號呼應符變量信息

功能圖中填寫的信號呼應圖塊的參數不能作為直接SimGen軟件直接生成變量的依據,導入軟件需要根據信號符寫的參數和變量生成原則,重新處理得到變量名,保證相互匹配的一對信號呼應在模型中產生的是同一個變量名稱。

另外,功能圖中信號呼應符的連接點只區分IN/OUT類型,而不區分變量類型,信號類型(bool/float)需要根據該圖塊的參數確定,導入軟件需要根據所填的參數判斷該變量為bool/float型。

(4)設備ID補充

功能圖中某些圖塊帶有ID定義,而某些通用計算塊無ID定義。但是仿真組態圖中的每一個圖塊均需要ID定義來產生計算變量；另外,功能圖中允許兩種不同類型的圖塊使用同一名稱(最典型的是設備的控制圖塊和顯示圖塊),這個在仿真軟件中也是需要區分的。因此,源功能圖中的模具圖塊命名需要經導入軟件再次處理,以確保導入驗證平臺后的組態圖紙所有模塊的名稱不出現ID重名情況。

另外,源功能圖中設備的驅動塊是一個復雜的、重要的算法塊,這個算法塊的變量值嚴重影響設備的動態響應,但是該圖塊在源圖沒有ID命名。針對這種情況,一次導入圖紙沒有問題,但是若驅動模塊經修改再次導入,由于在Rinsim平臺中找不到前驅動模塊自動生成的相關變量,模型修改前的初始條件(IC)則無法使用,因此需要根據圖塊間的連接關系為這種類型的驅動模塊增加ID。

(5)隔離模塊等圖塊的類型增加

功能圖繪圖時,隔離塊(還有其他圖塊)不區分針腳的變量類型(bool/float),也未在任何參數中進行定義；對于此類圖塊,需要根據針腳的動態連接關系,根據上游圖塊out型針腳的變量類型來判斷仿真圖塊類型。

2.3 功能圖自動導入實現

功能自動導入主要實現源功能圖中控制算法塊的頁面位置坐標、參數初值、動態鏈接關系、注釋文本、標準圖框的轉換,該轉換過程以在Rinsim仿真平臺手動建立控制算法模塊庫為前提：根據專用制圖軟件的算法模具庫文件(.vss),在Rinsim平臺上一比一制作控制算法模具塊,保證算法塊與專用制圖軟件模具圖塊的名稱、外觀尺寸、針腳類型、針腳名稱、針腳數量、算法等完全一致。

圖4 被導入的功能圖Fig.4 The function diagram imported

圖5 導入后的仿真組態圖Fig.5 The imported simulation configuration diagram

圖4為基于功能圖專用制圖軟件繪制完成的功能圖文件(.vdx),經導入軟件自動解析后,導入至Rinsim仿真平臺上,在SimGen軟件中打開顯示的畫面如圖5所示。從圖5中可以看出,導入后的控制邏輯組態圖與源圖中的圖框、注釋文本、圖塊布局、圖塊間連接關系等幾乎完全一致。

3 功能圖自動導入工作流程

功能圖自動導入至Rinsim平臺的工作流程如圖6所示。

圖6 功能圖導入工作流程Fig.6 The work flow for function diagrams imported

1)儀控工程師使用功能圖專用制圖軟件,按照繪圖規范使用標準圖庫繪圖,并填寫圖塊參數。繪圖完成后,儀控工程師使用軟件自帶的檢查功能,對單張圖紙或者多張圖紙進行斷點檢查、命名檢查、參數完整性檢查、信號呼應檢查等操作。

2)將功能圖批量轉為xml文件。

3)使用功能圖導入軟件對xml文件進行格式檢查,確認源圖命名合乎規范、源圖中沒有使用舊版的模具圖塊、系統內/系統間的信號呼應一一匹配、圖塊ID命名格式正確且無重名、圖塊的屬性參數格式類型正確、動態連接線起點/終點的變量類型匹配等事項。若功能圖文件未通過軟件檢查,軟件的診斷分析結果文件將繪圖偏差逐一分類并逐條羅列,結果分析文件清晰易懂,可作為繪圖者修正繪圖的依據。

4)若通過軟件檢查,則可將xml文件批量的轉化為目標xml文件。

5)在Rinsim平臺上編寫腳本,依據事先定義的仿真模塊劃分表,自動分配目標xml文件的仿真任務號,并將其轉換為.gmd格式的仿真圖文件,并自動保存至平臺服務器指定路徑下,供在仿真平臺上創建仿真系統使用。

6)打開SimGen軟件,將圖紙文件加載至分配好的仿真模塊節點下,對仿真模塊進行編譯、下裝,生成執行程序,導入初值文件即可開始仿真計算。

4 應 用

功能圖自動導入建模方法應用于福清5、6號(“華龍一號”堆型)核電機組設計驗證平臺的儀控系統建模,通過自動導入的方式將80多個電廠系統,超過5000頁圖紙,以及這些圖紙的多次升版圖紙自動導入至Rinsim仿真驗證平臺,消除了之前通過人工二次組態正向建模所帶來的人為錯誤率高、耗費時間長、耗費人力大的缺點。另外,通過一系列事先約定的規范,使得仿真調試數據在文件升版后仍然有效,完美地解決了設計輸入迭代的進度要求,縮短了調試周期,大大提高了儀控建模的工作效率,極好地解決了新堆型儀控設計出圖頻繁升版、設計驗證平臺對儀控模型快速迭代的需求。

5 結 論

功能圖導入軟件可將儀控成品出圖文件(功能圖)批量化、自動化、準確無誤地轉為設計驗證平臺邏輯建模軟件Simgen直接識別的文件,無需進行人工二次組態下裝,導入完成后經編譯即可生成儀控模型代碼,生成相關的儀控仿真模塊,實現儀控設計功能圖紙在Rinsim平臺上仿真運行,整個過程高效、快捷。功能圖導入Rinsim平臺、生成控制仿真模塊后,與平臺內其他仿真模塊,如設備執行機構(氣動/液壓/電磁閥/電氣柜)仿真模塊、工藝仿真模塊、人機界面仿真模塊等,一同組成了完整的核電廠仿真模型。

從長遠來看,功能圖自動導入軟件與功能圖自動化制圖軟件、儀控系統設計驗證平臺以及一整套的驗證流程和驗證程序為一套軟件,可進行單系統驗證,也可以在多系統聯調環境下驗證系統間接口的完好對應,從而為設計圖紙審查增加了有力的、可靠的設計驗證工具,順應儀控系統設計通過替換計算或者實驗方式進行設計驗證的趨勢。