基于​NI CompactRIO​平台​快速​搭建​DCS​仿真​调​试​系统

- 正 方, 武汉​中​创​融​科​科技​有限公司

"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。"

- 正 方, 武汉​中​创​融​科​科技​有限公司

挑战:

核电​站​DCS​的​调​试​和​验证​常​需要​模拟​不同​的​工​况,​传统​的​核电​站​仿真​台,​体积​巨大,​功能​齐​备,​但​不​具备​现场​调​试验​证​的​能力;​传统​的​仪器​仪表,​功能​单一,​通道​数​有限,​仅​手​动​操作,​无法​实现​模型​仿真​变化​的​能力。​迫切需要​一台​具备​多​通道,​高​采样,​多​类型,​能​实现​现场​调​试,​并​模拟​不同​工​况​的​便​携​式​调​试​机。

解决​方案:

通过​使用​NI CompactRIO​硬件​平台,​配合​NI LabVIEW FPGA​模​块,​轻松​实现​多​通道、​多​类型​物理​量、​高​采样​的​采集​和​输出;​配合​NI LabVIEW RT​模​块​实现​基于​TCP/​IP​协议​的​多台​联​动。

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

图 1 ​ ​系统​结构​示意​图 ​
图 2. ​ ​系统​框架 ​
图 3. ​ ​数据​流​框架 ​
图 4 ​ ​下位​机​文件​存储 ​
图 5 ​ ​上位​机​流程​图 ​
图 6 ​ ​RT​端​界面 ​
图 7 ​ 上位​机​端​主​界面 ​
图 8 ​ ​内部​结构​图 ​
图 8 ​ ​内部​结构​图 ​
图 9 ​ ​用户​接口​面 ​