目前國內許多新建的核電廠一般都采用數字化儀控系統，而數字化儀控系統的重要特征就是采用分布式控制系統（DCS），DCS系統的可靠性直接關系到核電廠的安全性與經濟性，因此，DCS系統的功能與驗證就成為一項重要的工作。目前的DCS的驗證工作一般由DCS廠家完成，業主只能跟蹤過程，并不能直觀的了解DCS的工作狀態和性能。而傳統的核電廠仿真機（通常稱為模擬機）分為原形機、工程模擬機、培訓模擬機，但不管是那種仿真機功能完備，但體積巨大不方便作為DCS調試機使用，因此客戶需要我們提供一種便攜式的DCS驗證機用于現場調試和功能、性能驗證。
 

二、系統背景與設計原則

核電站通常都設計在靠近水域地帶，常是偏遠的臨海地，DCS工作地點條件差，缺乏完備的調試設備，只能使用便攜式的設備完成功能調試；使用傳統的儀器儀表，比如萬用表、示波器等需要多人協同才能完成某一功能的調試，一般工況的模擬調試基本靠人工操作完成，效率低、易出錯；特定工況，比如變化速率在200ms的信號，靠手動去按鈕觸發開關，基本實現不了。

系統整體實現項目如下：

1） 與核電站仿真模型的接口

解析輸出信號的值，并輸出，包括模擬輸出、數字輸出、RTD輸出、TC輸出；

打包輸入信號的值上次給仿真機，包括模擬輸入、數字輸入。

2） 提供用戶操作界面

讀取配置文件；更新數據庫；顯示通道篩選；實際物理量和電信號的換算。

3） 多通道時間間隔測量

針對開關量，測量設置信號與隨變信號之間的時間間隔（可從毫秒級到分鐘級）

三、 總體設計

根據系統的功能要求本系統包括以下幾個部分：

1）數據采集和輸出：

輸出包括模擬輸出（電流）、繼電器輸出、24V IO輸出、RTD輸出、TC輸出；

輸入包括模擬輸入（電流）、24V IO輸入。

2）信號調理：

將24V IO輸出調理成繼電器輸出；

將24V IO輸入調理成繼電器輸入；

將模擬電壓輸出調理成TC輸出。

3）下位機程序：

提供顯示界面，顯示系統當前的溫度、文件大小、通訊過程等。

4）上位機程序：

提供用戶的各種操作。

設備中的各個機箱和功能模塊都固定在加固機箱內部，加固機箱采用標準19英寸的設計，便于攜帶和使用。加固機箱前部用于設計測試使用的香蕉插頭；后部提供電源通信的接插件，系統供電、LAN通信都由后部接入。上位機是另外一臺電腦，其中安裝了上位機的操作程序，核電廠的仿真模型也運行在其中。其結構如圖 1所示：

圖 1系統結構示意圖

主控機箱NI cRIO-9082整個設備的核心，主控機箱中預先安裝了Windows7 Embedded系統，應用程序使用LabVIEW開發，調試完成的下位機程序固化在主控機箱NI cRIO-9082中。各個功能模塊和主控機箱中的FPGA進行數據交互，FPGA通過DMA雙向通道實現設置數據交換，包括用戶的設置數據和測量模塊的采集數據。

由于本設備中使用的功能模塊比較多，采用MXI技術擴展了另外一個機箱，兩個機箱之間實現透明化管理，在程序上不區分功能模塊在哪個機箱。系統框架見圖 2。

圖 2系統框架

其中：

DC_I: 9475輸入電壓，zui大輸入60V

48V_O: 直流48V電輸出，用戶客戶選擇不同的電平輸出；

24V_O: 直流24V電輸出，用戶客戶選擇不同的電平輸出。

針對數字輸入，區分兩種類型，一種是交流輸入，另外一種是直流輸入。

交流輸入：檢測220VAC電源掉、電上電情況，安裝在后面板上，使用NI 9435 模塊直接輸入；

直流輸入：檢測干接點（24VDC）、24VDC、48VDC電源掉、電上電情況，使用調理電路在檢測干接點時通斷狀態，將電壓拉低與否來實現。

3.1   下位機程序

下位機程序主要實現四個功能：

• 狀態檢測：實時檢測機箱溫度、TCP連接狀態、上傳/下載的報數、文件存儲狀態等；
• 上位機下傳數據解析：根據約定協議將上位機下傳的數據解析后通過輸出板塊輸出；
• 下位機上傳數據打包：根據約定協議將采集模塊采集到的數據打包上傳；

上傳的數據除了定時采集的工況外，還有一種是事件發生的時間測量：

針對數字輸入量，當數字輸入量當前拍與上一拍的數據不一樣時，判定為事件發生；

針對模擬輸入量，當模擬輸入量的值在設定值之內（AI1≤X≤AI2,其中X：讀取值；AI1，AI2為預設值），則判定為事件發送。下位機的數據流見圖 3。

圖 3數據流框架

• 數據存儲：數據根據不同的采樣速度分為模擬采集、數字采集（高速）、數字采集（低速）。運行過程中將這個三種類型的數據存放在不同文件夾中，主程序中提供單獨的子線程完成數據的存儲，各個子線程和主線程之間通過隊列進行數據交互，主線程實時判斷存放文件夾的大小，如果超過總容量的90%，會提示用于刪除或歷史數據。

          數據格式類似波形文件，每個通道包括t0、dt、Y[]等信息，每個文件約10M大小。數據流見圖 4。

圖 4下位機文件存儲

3.2   上位機程序

上位機分兩部分，一部分是調試應用程序，另外一部分是核電廠的仿真模型，兩部分獨立運行，相互之間沒有和數據交互，也不會同時運行。系統設計了一套通訊策略，保證了模擬機即可和調試應用程序配合，也可和核電廠的仿真模型進行配合。

程序流程如圖 5所示：

圖 5上位機流程圖

核電廠的仿真模型由客戶提供，我們主要實現調試應用程序。

調試應用程序主要完成下面三部分功能

• 配置文件讀取：使用Report Generation Toolkit for Microsoft Office工具包可將用戶的Excel格式的配置文件讀入到系統中。
• 數據庫操作：使用Database Connectivity Toolkit工具包可更新數據庫，查詢數據庫，配合SQL語句，可實現復雜的數據庫查詢，提供用戶數據的篩選顯示。
• 界面更新：實現查詢下位機通過TCP/IP上傳的數據，更新主界面；用戶更新輸出的值后，實現實際物理量和電信號的轉換。

四、  軟件實現與現場成果

4.1   下位機程序

RT端的主控是NI CRIO-9082，安裝的是Windows 7 Embedded操作系統，使用NI CRIO-9082自帶的VGA輸出，在系統的后端提供一個狀態檢測的界面，提供TCP/IP連接信息，本次通訊簡單統計，以及本地存儲狀態等信息。下位機界面入圖 6所示。

圖 6 RT端界面

4.2   上位機程序

上位機端應用程序主要分為三部分組成，分別是：

• 設置、導入部分：用于導入數據，配置數據進行預處理；
• 顯示篩選部分：用于設定特定條件，篩選關注的數據，可篩選列和特定條件的行數據；
• 事件顯示部分：針對DI，顯示設定值和隨動值之間的時間差；
• 上位機程序界面入圖 7所示。

圖 7 上位機端主界面

4.3   現場成果

NI CRIO-9082和NI 9155固定在機箱內部，面對用戶接線端，箱體后部是狀態檢測屏和其他人機交互接口，包括電源輸入、USB、網口等。內部結構圖見圖 8。

圖 8 內部結構圖

為了現場使用方便，接口面使用的4mm的香蕉插頭，選用普通的香蕉插頭即可完成現場電信號的連接。用戶接口面實物圖見圖 9。

圖 9用戶接口面

狀態檢測面提供了一塊5寸的液晶顯示屏，內部通過VGA接口和NI cRIO-9082主機進行對接，實時顯示當前的工作狀態。整個箱體堅固耐用，提供拉手和滾輪，可由單人拖拉運輸，實物圖見圖 10。

圖 10狀態檢測面

五、結論

利用CRIO平臺，我們迅速為客戶開發出一個體積小，易于現場維護，又易于擴展的硬件平臺，利用LabVIEW FPGA技術，方便開發出數字信號的事件間隙測量功能，目前設備替代部分傳統儀器，投入使用。