核電廠裝卸料機模擬機系統(tǒng)設計

張 婧，何志軍，張 鵬

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

裝卸料機是核電站停堆換料期間完成反應堆換料的關鍵設備，從國內外核電站的裝卸料機使用經驗來看，在核電站機組運行期間，裝卸料機停放在反應堆廠房內，無法使用裝卸料機對操作員進行實際操作培訓。此時，將裝卸料機上的控制臺拆卸下來并轉移至反應堆廠房外的專用房間中，通過電纜與裝卸料機模擬機相連，形成一個完整的裝卸料機操作培訓系統(tǒng)，對核電站裝卸料機操作員進行相關的操作培訓，也可檢測裝卸料機控制臺的功能。

目前，國內外核電站的裝卸料機模擬機都采用了全實物1:1 的設計，即電機、編碼器等都采用了實體硬件設備。這種設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，且缺乏很好的經濟性。

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

圖1 模擬機的硬件平臺架構Fig.1 Hardware platform architecture of simulator

1 裝卸料機模擬機概述

1.1 裝卸料機模擬機的功能

裝卸料機在停堆換料結束后，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模擬機的電纜進行對接，形成一個完整的裝卸料機操作培訓系統(tǒng)。裝卸料機模擬機接收來自裝卸料機的命令信號，經過邏輯判斷和數值計算，輸出相應的模擬信號至裝卸料機的控制臺。裝卸料機模擬機主要實現如下功能：

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

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

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

4）根據裝卸料機的控制工藝，實現裝卸料機限位開關和故障狀態(tài)等其他運行工況的模擬仿真。

1.2 裝卸料機模擬機的硬件平臺

圖2 模擬機的軟件架構Fig.2 Software architecture of simulator

模擬機采用了基于可重配置的現場可編程門陣列（FPGA）技術的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，能夠可靠而準確地執(zhí)行LabVIEW 實時應用程序，并可提供多速率控制、進程執(zhí)行跟蹤、板載數據存儲以及與外部設備通訊等功能[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、雙以太網端口、高達4GB 的板載數據存儲器，以及內置的USB 和RS232接口[3]。工業(yè)級I/O 模塊包含隔離、轉換電路，信號調理功能，并可直接與工業(yè)傳感器或執(zhí)行機構相連。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場布線的成本[4]。本文中提到的模擬機所采用硬件控制平臺架構，如圖1 所示。

2 裝卸料機模擬機的軟件設計

2.1 裝卸料機模擬機的軟件架構

模擬機軟件主要包括人機界面HMI 和下位機軟件兩大部分，均采用NI LabVIEW 軟件平臺進行開發(fā)。其中，人機界面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置函數用于控制、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國際標準，是一種實時的應用程序設計，具有在內存表（共享變量）中發(fā)布參數的能力。用戶可以便捷地與其它LabVIEW 代碼一起使用這些功能塊[5,6]。

人機界面HMI 可以對裝卸料機控制臺狀態(tài)實時監(jiān)測和顯示，同時也可發(fā)出與裝卸料機運行狀態(tài)相關的限位開關、故障狀態(tài)以及編碼器偏差調整等模擬仿真信號。模擬機的下位機軟件主要負責完成裝卸料機編碼器信號、電機信號以及稱重傳感器信號等各種運行工況的模擬仿真。人機界面HMI 和下位機軟件之間利用TCP/IP 網絡協議進行通信，通過操作人機界面上的控制開關和按鈕等控件，可以實現對NI CompactRIO 控制平臺下位機程序的控制，進行裝卸料機運行狀態(tài)的數據采集和發(fā)出相應的控制指令[7]。模擬機軟件的主要架構如圖2 所示。

2.2 裝卸料機模擬機的軟件編程

模擬機軟件采用NI LabVIEW 軟件進行編程實現，該軟件擁有用于采集、分析、顯示和存儲數據的整套工具，以及解決用戶在編寫代碼過程中可能出現的問題。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)建模擬機的人機界面（前面板）。輸入控件有旋鈕、按鈕、轉盤等輸入裝置。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，可添加相應的控制程序代碼，使用VI、循環(huán)結構以及定時器等來控制前面板上的對象，從而實現模擬機的控制工藝過程要求。

2.2.1 人機界面HMI組態(tài)

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

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模擬機根據裝卸料機發(fā)出的運動方向和速度指令，經過下位機程序的數值計算和邏輯運算，得到編碼器模擬仿真信號，然后向裝卸料機發(fā)送模擬的編碼器信號。模擬編碼器真實存在，裝卸料機接收到模擬仿真信號后，通過自身程序完成相關運行操作。

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：負責采集設備時鐘信號，即由裝卸料機控制臺內發(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：負責采集與裝卸料機大車、小車和主提升手柄位置相對應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，根據預設程序計算出編碼器當前數值，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：負責將得到的編碼器仿真信號，根據時鐘信號數據發(fā)送時序，發(fā)送編碼器仿真信號至裝卸料機控制臺內的接收設備。

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

2.2.3 電機硬件在環(huán)的模擬仿真

模擬機仿真系統(tǒng)軟件根據裝卸料機發(fā)出的方向和速度指令，經過下位機程序的數值計算和邏輯運算，自動向裝卸料機控制臺發(fā)送模擬的電機信號，仿真信號將被送到裝卸料機控制臺內的電機驅動器，驅動器得到電機速度反饋，裝卸料機接收到模擬仿真信號后，通過自身程序完成相關運行操作。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：負責采集電機仿真信號接收設備發(fā)出的激勵信號。

2）速度采集模塊：采集由裝卸料機控制臺的手柄發(fā)出的速度和方向信號，模擬機軟件程序經過邏輯處理和數值計算，得出裝卸料機手柄對應的速度數值和方向。手柄方向信號最后用于判斷電機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值和方向信號通過邏輯判斷和數值運算，最終得出仿真所需的輸入數值；然后將激勵信號轉為符合該預設程序的數值，再將得到的數值按照程序求出對應的波形數值，從而得到電機仿真信號。

4）仿真信號輸出模塊：負責將電機仿真信號按照時間周期輸出到裝卸料機控制臺內的接收設備。

裝卸料機操作員培訓期間，操作員操作裝卸料機控制臺上的手柄，發(fā)出裝卸料機速度和方向信號至模擬機，模擬機程序根據這些信號進行運算，得出電機角度輸入數值，然后再利用此數值進行電機信號的仿真模擬。

3 結束語

本文介紹了核電站裝卸料機模擬機軟件的系統(tǒng)設計方案與實現過程，詳細描述了采用LabVIEW 軟件的圖形化開發(fā)平臺與內嵌FPGA 芯片的NI 硬件平臺相結合，搭建模擬機測量和控制系統(tǒng)的主要設計思路與系統(tǒng)構成。模擬機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效率，為核電站的換料過程提供安全保障。