基于純模擬仿真的核級儀控系統定期試驗腳本輔助設計軟件的設計與實現

張旭，黃鵬，彭韜，劉全東，張子鵬，李曉龍，李俊

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都610213）

1 背景

核電廠安全級DCS 實現事故工況下緊急停堆和啟動專設安全設施的重要功能，正常運行時是“不動”的，因此無法直接判斷系統是否存在故障。通過系統的自診斷功能能夠覆蓋系統的絕大部分故障，部分未能覆蓋的可通過定期試驗完成，即定期試驗是為探測安全級DCS 的故障和檢查其可運行性，按計劃的間隔時間所進行的試驗。其中T2 試驗是驗證邏輯功能的正確性，一般基于編寫的腳本逐步進行，通過給定輸入值的組合，觀察輸出值是否符合預期，以此來驗證邏輯功能的正確性，T2 腳本示例如表1 所示。T2 腳本設計與執行過程如圖1 所示。

純模擬（Simulation）仿真技術是指，采用不同于原系統的另一套開發環境下的建模技術來復現參考機組的系統或子系統[1]。純模擬仿真技術中可采用翻譯模擬（Translation）的方式，利用翻譯軟件實現工程應用文件在不同平臺中的映射轉移。利用翻譯軟件實現工程應用文件的跨平臺，可輔助進行測試腳本輸出預期值的計算。

表1 T2 腳本示例

2 腳本輔助設計軟件設計

2.1 軟件需求分析

定期試驗腳本由多列測試步驟組成的，每一步包含輸入值、輸出預期值與輸出實測值。輸出預期值在測試之前填寫，是輸入值經過算法運算的理論結果。輸出實測值由上位機帶動下位機進行計算，并與輸出預期值比較，生成定期試驗結果。

工程師站（Maintenance Station，MTS）的算法組態信息包含儀控系統應實現的算法，通常以算法塊連接的形式展現。定期試驗腳本輔助設計軟件（Script Assisting Design Software，SAD）應能夠通過讀取工程師站的算法組態信息，結合預設的定期試驗設計原則，考查設計人員設定的輸出點，列出影響該輸出點的輸入點集合。設計人員通過分析算法邏輯，設計上述輸入點的數值集合，形成測試步驟。由SAD 計算腳本輸出預期值，完成腳本設計。

2.2 軟件功能設計

針對2.1 小節所述軟件需求，設計基于SAD 的腳本輔助設計流程。設計人員在工程應用軟件中選擇待考察的系統與待考察輸出點。SAD 軟件解析MTS 編輯的工程應用軟件，分析算法塊連線關系，匯總與待考察輸出點相關的輸入點信息。

SAD 將影響輸出點的所有算法邏輯映射到Simulink 軟件平臺，形成Simulink 算法文件。SAD 的核心計算模塊基于Simulink 軟件實現。Simulink 是Math-Works 公司MATLAB 軟件的子軟件，實現控制系統的仿真功能，廣泛應用于科學研究、工程設計等工作中，可靠性與行業認可度高。由設計人員根據SAD 提取出的輸入點集合與影響該輸出點的算法設計腳本的步驟與輸入值。再返回SAD 軟件，將設計人員設定的輸入值逐步代入Simulink 軟件，計算輸出預期值，寫入腳本文件，完成腳本的設計過程。基于SAD 的腳本輔助設計流程圖如圖2 所示。

2.3 SAD軟件設計與實現

為實現2.2 小節所述的軟件功能設計，SAD 的架構分為4 個模塊，包括輸入讀取模塊、邏輯分析模塊、映射算法模塊、計算與結果導出模塊。

（1）輸入讀取模塊

不同平臺工程師站繪制的工程應用軟件的格式不同。輸入讀取模塊實現工程應用軟件組態文件格式向SAD 定義的數據格式的轉換。從各種工程師站繪制的不同格式的組態文件中，將信息抽離出來，并存入SAD自定義格式的“圖（Graph）”結構中。

圖2 基于SAD的腳本輔助設計流程

從工程應用軟件組態文件中可以解析出控制站數量、每個控制站每種卡件的數量、變量在板卡中的分配信息，每頁組態圖的算法塊連接關系等。組態圖中的算法塊稱為節點。節點包括三種：接口圖符、算法塊、變量（中間變量、輸入輸出變量、參數變量）。

Graph 結構是節點和連接關系兩種信息的集合。節點記錄了組態文件中每個節點的信息，連接關系記錄了節點之間的連接關系。這兩種數據信息實現了將組態文件信息的重構。

以C#語言實現SAD 為例，定義結構體Item、Line分別表示一個算法塊和一條連接線，于是與考察輸出點相關的一套算法邏輯的相關信息可用兩個鏈表記錄，即：

public static Listitems=new List（）；

public static ListLines=new List（）；

輸入讀取模塊是對items、Lines 的填充。對于二進制格式存儲的源文件，可采用特定結構體解析的方式讀取其內容，對于不需要解析的源文件格式，可直接提取其內容，并填充items、Lines。

在系統架構設計層面，輸入讀取模塊實現了核心部分與被讀取文件的實質性分離，即無論源文件是何種格式，都可通過只修改將輸入讀取模塊實現軟件的遷移，增強通用性。

（2）邏輯分析模塊

邏輯分析模塊對輸入讀取模塊得到的運算結果進行分析，對每個輸出變量進行分析，從該輸出變量出發，按照組態邏輯圖的連接關系，逐層遞歸尋找與輸出變量相關的算法塊。與輸出變量相關的算法塊形成樹狀（Tree）結構的數據結構，Tree 結構從某個輸出點開始追溯，記錄影響它的每個輸入點及其影響方式，即記錄每條邏輯鏈路經過的算法塊。當算法邏輯在組態文件中出現跨頁情況時，由邏輯分析模塊將頁間邏輯連接起來。當出現環形或兩條線路匯合的情況時，交匯處的算法塊分別記錄在兩條支線上，并在映射算法模塊中予以合并。

該模塊具體功能由以下函數實現：

publicvoidGetTree（string Start_Point）；

publicListGet_Vertex_From_Name（string Name）；

publicvoidGet_Tree_After_Vertex（TreeNode_NewcurrNode，Vertex Start_Vertex）；

publicListGet_Connected_Vertexs（Vertex v，int mode）；GetTree 函數的輸入為考察輸出點的點名，通過Get_Vertex_From_Name 函數轉化為節點數據類型。將考察輸出點帶入Get_Tree_After_Vertex，其中Get_Connected_Vertexs 函數獲取該圖符相連的所有圖符，形成鏈表，并對鏈表中的每一項調用Get_Tree_After_Vertex，直至讀取至沒有下層節點相連的輸入點圖符為止。

圖3 邏輯分析模塊執行過程

在查找相連圖符時，應注意只查詢由一個圖符的輸出端口連向另一圖符的輸入端口連線，避免出現死循環的情況。

（3）映射算法模塊

為了在Simulink 平臺上重構組態邏輯算法，需在Simulink 平臺先預先建立合適的算法庫、建立映射規則、完成算法塊和連接關系的映射。映射算法模塊實質上起到了仿真技術中翻譯軟件的作用。

Simulink 的算法庫應包含工程應用軟件中可能用到的所有算法塊，按照一一對應的映射規則將算法塊映射到Simulink 平臺。算法塊可使用Simulink 平臺自帶的算法塊進行封裝，也可用S 函數的形式實現每種可能出現的算法塊，并集成在Simulink 中新建的算法庫Library。

SAD 驅動Simulink 進行自動畫圖，即自動地在Simulink 中復現組態邏輯。映射過程包括兩步，首先是在邏輯分析模塊提取的樹狀結構中按層級逐層將算法塊映射到Simulink 平臺，然后按照工程應用軟件的連接關系自動地將算法塊在Simulink 平臺重新連接。

另外，Simulink 軟件的變量沒有“質量位”的概念，所以對于工程應用軟件中變量包含質量位的情況（值與質量位組合），SAD 需要用兩個變量來表示，算法庫中該算法塊的端口也應增加。

圖4 基于Simulink平臺的算法映射過程

圖5 Simulink平臺算法庫

（4）計算與結果導出模塊

基于映射到Simulink 平臺的組態算法以及輸入值的組合，可進行仿真，計算出對應的輸出值。計算與結果導出模塊實現將計算結果導出的某種文件格式的功能。該模塊相對于內核部分是獨立的，即對于不同的導出格式或樣式的腳本文件，只需要修改該模塊即可，保證了內核部分的通用性。

基于Microsoft Excel 編寫的測試腳本可通過引用Microsoft Excel 14.0 Object Library 庫文件進行讀寫操作。C#語言的實現形式為：

usingMicrosoft.Office.Interop.Excel；

SAD 與Simulink、Excel 三種之間的聯合交互關系如圖6 所示。

圖6 SAD與Simulink、Excel交互關系圖

3 實例分析

以中國核動力研究設計院研制的核安全級儀控系統NASPIC 平臺為例進行實例分析。NASPIC 平臺的工程師站軟件為NASPES，腳本文件采用Excel 編寫。

以某簡單邏輯為例。4 個數字量輸入信號經過4取2 表決判斷后，取反，形成輸出值，驅動具體設備的開關。

圖7 組態示例

SAD 運行讀取NASPES 的工程應用軟件，形成的Simulink 平臺模型如圖8。

圖8 Simulink平臺上自動生成的模型

由于該模型僅用于做算法仿真計算，不作為用戶觀察分析使用，因而在圖符的坐標大小與坐標擺放中，僅使用最簡單的不重疊原則即可。

整理后的該圖如圖9 所示。

圖9 整理后的Simulink平臺上的模型

對于非簡單樹狀結構，本文所述的SAD 處理流程仍具有良好的仿真效果。

為便于觀察，本文這里使用不考慮質量位模式，并將仿真結果使用Simulink 平臺的Display 模塊直接顯示仿真結果。

圖10 一種非簡單樹狀結構情況

當四個DI 值分為給定1、1、0、1 時，自動生成下圖，計算結果為0，正確。

圖11 仿真結果驗證1

當四個DI 分別給0、1、0、0 時，自動生成下圖，計算結果為1，正確。

圖12 仿真結果驗證2

按照完整的流程，以某設備驅動的定期試驗腳本為例。截取形成部分腳本如表2。

4 結語

本文所述采用純模擬仿真的技術路線可在其他需要脫離實體下位機進行組態邏輯運算功能的情況下得到更廣泛的應用。該方法根據定期試驗具體需求進行適當仿真，相較于虛擬實物（Emulation）[1-3]等仿真技術路線，該方法具有簡單快捷的優勢，對仿真運行環境要求低，實現僅需MATLAB 軟件即可。

本文設計的腳本輔助設計方法中，仍有一個關鍵步驟需要人工參與，即腳本的中每一步的輸入值確定的過程。由于該步驟情況過多，同時過于依賴人的思考，以至于不同的設計人員設計的腳本也不盡相同，因而難以抽象出較為確定的邏輯語言。而由于以往的核安全級儀控系統工程項目數量過小，積累的經過驗證正確的腳本數量遠遠不足以采用大數據的思想智能化的解決該問題。一個較為理想的解決方法是采用對開關量枚舉、對模擬量讀取閾值的辦法。該方法具有可行性，但會導致腳本過長。故本文采用半自動方法設計整套體系，將影響考察系統的輸入點采集與仿真計算兩個步驟自動化，節約工程設計人員的時間降低錯誤率。

表2 腳本結果