基于NI CompactRIO平台快速搭建DCS仿真调试系统

作者:

正 方 - 武汉中创融科科技有限公司
盼盼 周 - 武汉中创融科科技有限公司

一、 引言

目前国内许多新建的核电厂一般都采用数字化仪控系统，而数字化仪控系统的重要特征就是采用分布式控制系统（DCS），DCS系统的可靠性直接关系到核电厂的安全性与经济性，因此，DCS系统的功能与验证就成为一项重要的工作。目前的DCS的验证工作一般由DCS厂家完成，业主只能跟踪过程，并不能直观的了解DCS的工作状态和性能。而传统的核电厂仿真机（通常称为模拟机）分为原形机、工程模拟机、培训模拟机，但不管是那种仿真机功能完备，但体积巨大不方便作为DCS调试机使用，因此客户需要我们提供一种便携式的DCS验证机用于现场调试和功能、性能验证。

二、系统背景与设计原则

核电站通常都设计在靠近水域地带，常是偏远的临海地，DCS工作地点条件差，缺乏完备的调试设备，只能使用便携式的设备完成功能调试；使用传统的仪器仪表，比如万用表、示波器等需要多人协同才能完成某一功能的调试，一般工况的模拟调试基本靠人工操作完成，效率低、易出错；特定工况，比如变化速率在200ms的信号，靠手动去按钮触发开关，基本实现不了。

系统整体实现项目如下：

1） 与核电站仿真模型的接口

解析输出信号的值，并输出，包括模拟输出、数字输出、RTD输出、TC输出；

打包输入信号的值上次给仿真机，包括模拟输入、数字输入。

2） 提供用户操作界面

读取配置文件；更新数据库；显示通道筛选；实际物理量和电信号的换算。

3） 多通道时间间隔测量

针对开关量，测量设置信号与随变信号之间的时间间隔（可从毫秒级到分钟级）

三、 总体设计

根据系统的功能要求本系统包括以下几个部分：

1）数据采集和输出：

输出包括模拟输出（电流）、继电器输出、24V IO输出、RTD输出、TC输出；

输入包括模拟输入（电流）、24V IO输入。

2）信号调理：

将24V IO输出调理成继电器输出；

将24V IO输入调理成继电器输入；

将模拟电压输出调理成TC输出。

3）下位机程序：

提供显示界面，显示系统当前的温度、文件大小、通讯过程等。

4）上位机程序：

提供用户的各种操作。

设备中的各个机箱和功能模块都固定在加固机箱内部，加固机箱采用标准19英寸的设计，便于携带和使用。加固机箱前部用于设计测试使用的香蕉插头；后部提供电源通信的接插件，系统供电、LAN通信都由后部接入。上位机是另外一台电脑，其中安装了上位机的操作程序，核电厂的仿真模型也运行在其中。其结构如图 1所示：

主控机箱NI cRIO-9082整个设备的核心，主控机箱中预先安装了Windows7 Embedded系统，应用程序使用LabVIEW开发，调试完成的下位机程序固化在主控机箱NI cRIO-9082中。各个功能模块和主控机箱中的FPGA进行数据交互，FPGA通过DMA双向通道实现设置数据交换，包括用户的设置数据和测量模块的采集数据。

由于本设备中使用的功能模块比较多，采用MXI技术扩展了另外一个机箱，两个机箱之间实现透明化管理，在程序上不区分功能模块在哪个机箱。系统框架见图 2。

其中：

DC_I: 9475输入电压，最大输入60V

48V_O: 直流48V电输出，用户客户选择不同的电平输出；

24V_O: 直流24V电输出，用户客户选择不同的电平输出。

针对数字输入，区分两种类型，一种是交流输入，另外一种是直流输入。

交流输入：检测220VAC电源掉、电上电情况，安装在后面板上，使用NI 9435 模块直接输入；

直流输入：检测干接点（24VDC）、24VDC、48VDC电源掉、电上电情况，使用调理电路在检测干接点时通断状态，将电压拉低与否来实现。

3.1   下位机程序

下位机程序主要实现四个功能：

• 状态检测：实时检测机箱温度、TCP连接状态、上传/下载的报数、文件存储状态等；
• 上位机下传数据解析：根据约定协议将上位机下传的数据解析后通过输出板块输出；
• 下位机上传数据打包：根据约定协议将采集模块采集到的数据打包上传；

上传的数据除了定时采集的工况外，还有一种是事件发生的时间测量：

针对数字输入量，当数字输入量当前拍与上一拍的数据不一样时，判定为事件发生；

针对模拟输入量，当模拟输入量的值在设定值之内（AI1≤X≤AI2,其中X：读取值；AI1，AI2为预设值），则判定为事件发送。下位机的数据流见图 3。

• 数据存储：数据根据不同的采样速度分为模拟采集、数字采集（高速）、数字采集（低速）。运行过程中将这个三种类型的数据存放在不同文件夹中，主程序中提供单独的子线程完成数据的存储，各个子线程和主线程之间通过队列进行数据交互，主线程实时判断存放文件夹的大小，如果超过总容量的90%，会提示用于删除或历史数据。

          数据格式类似波形文件，每个通道包括t0、dt、Y[]等信息，每个文件约10M大小。数据流见图 4。

3.2   上位机程序

上位机分两部分，一部分是调试应用程序，另外一部分是核电厂的仿真模型，两部分独立运行，相互之间没有联系和数据交互，也不会同时运行。系统设计了一套通讯策略，保证了模拟机即可和调试应用程序配合，也可和核电厂的仿真模型进行配合。

程序流程如图 5所示：

核电厂的仿真模型由客户提供，我们主要实现调试应用程序。

调试应用程序主要完成下面三部分功能

• 配置文件读取：使用Report Generation Toolkit for Microsoft Office工具包可将用户的Excel格式的配置文件读入到系统中。
• 数据库操作：使用Database Connectivity Toolkit工具包可更新数据库，查询数据库，配合SQL语句，可实现复杂的数据库查询，提供用户数据的筛选显示。
• 界面更新：实现查询下位机通过TCP/IP上传的数据，更新主界面；用户更新输出的值后，实现实际物理量和电信号的转换。

四、  软件实现与现场成果

4.1   下位机程序

RT端的主控是NI CRIO-9082，安装的是Windows 7 Embedded操作系统，使用NI CRIO-9082自带的VGA输出，在系统的后端提供一个状态检测的界面，提供TCP/IP连接信息，本次通讯简单统计，以及本地存储状态等信息。下位机界面入图 6所示。

4.2   上位机程序

上位机端应用程序主要分为三部分组成，分别是：

• 设置、导入部分：用于导入数据，配置数据进行预处理；
• 显示筛选部分：用于设定特定条件，筛选关注的数据，可筛选列和特定条件的行数据；
• 事件显示部分：针对DI，显示设定值和随动值之间的时间差；
• 上位机程序界面入图 7所示。

4.3   现场成果

NI CRIO-9082和NI 9155固定在机箱内部，面对用户接线端，箱体后部是状态检测屏和其他人机交互接口，包括电源输入、USB、网口等。内部结构图见图 8。

五、结论

利用CRIO平台，我们迅速为客户开发出一个体积小，易于现场维护，又易于扩展的硬件平台，利用LabVIEW FPGA技术，方便开发出数字信号的事件间隙测量功能，目前设备替代部分传统仪器，投入使用。

作者信息:

正 方
武汉中创融科科技有限公司
China