基于LabVIEW的SIP系統(tǒng)仿真的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

將虛擬儀器的概念引入大亞灣核電站的SIP系統(tǒng)的仿真，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)參與其系統(tǒng)設(shè)計(jì)有助于縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)費(fèi)用和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，基于這些優(yōu)點(diǎn)利用LabVIEW進(jìn)行了SIP系統(tǒng)的虛擬仿真設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)取得了預(yù)期的效果，主要以SIP系統(tǒng)的RCP10通道為例進(jìn)行詳細(xì)地仿真設(shè)計(jì)介紹。

關(guān)鍵詞：SIP系統(tǒng)； 虛擬儀器； 系統(tǒng)仿真

過程儀表系統(tǒng)（法文簡稱SIP系統(tǒng)）作為核島系統(tǒng)的一部分，其作用是接收來自現(xiàn)場過程測量儀表的模擬信號（包括壓力、水位、流量、溫度、轉(zhuǎn)速等），然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求對現(xiàn)場模擬信號進(jìn)行處理，再送到相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行顯示、記錄和處理。從一定意義上講，SIP系統(tǒng)在儀控系統(tǒng)中處于承上啟下的地位。SIP系統(tǒng)的故障是隱蔽的，但是，SIP作為反應(yīng)堆廣義保護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其故障將直接威脅到核電站的安全和正常運(yùn)行。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障以保證SIP系統(tǒng)的可用性，必須對SIP系統(tǒng)進(jìn)行定期試驗(yàn)。而原有的定期試驗(yàn)裝置（SACMO試驗(yàn)臺）已經(jīng)老化且無備件生產(chǎn)，給試驗(yàn)和維修工作帶來不便，因此，開發(fā)新型的定期試驗(yàn)裝置是非常緊迫和關(guān)鍵的。

由于SIP系統(tǒng)長期處于運(yùn)行狀態(tài)，無法給新開發(fā)的試驗(yàn)裝置提供環(huán)境試驗(yàn)，而又因?yàn)橄到y(tǒng)通道和所需的硬件板件非常多，所以不適合對SIP系統(tǒng)作硬件實(shí)物仿真，故最終采用計(jì)算機(jī)仿真SIP系統(tǒng)。這種仿真方法常用于系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)階段和某些不適合作實(shí)物仿真的場合（包括某些故障模式），其特點(diǎn)是重復(fù)性好、精度高、靈活性大、使用方便、成本較低，可以是實(shí)時(shí)的、也可以是非實(shí)時(shí)的。這樣更加方便了新型定期試驗(yàn)裝置的開發(fā)，計(jì)算機(jī)仿真的環(huán)境采用的是LabVIEW開發(fā)環(huán)境。為了驗(yàn)證最終開發(fā)的軟件仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，首先搭建了SIP系統(tǒng)中RCP10的部分硬件回路，接著用SACMO試驗(yàn)臺分別向新開發(fā)的SIP軟件系統(tǒng)和硬件仿真系統(tǒng)注入信號，比對試驗(yàn)結(jié)果，這些都為研發(fā)新型的定期試驗(yàn)裝置提供了試驗(yàn)依據(jù)。

1 LabVIEW簡介

LabVIEW是美國NI公司的產(chǎn)品,是一個(gè)功能完整的軟件開發(fā)環(huán)境，同時(shí)也是一種功能強(qiáng)大的編程語言^[1]，主要用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示領(lǐng)域。LabVIEW采用圖形編程語言以方框圖的方式來生成程序行。與其他仿真軟件相比更加直觀、生動，易于上手且方便修改。本課題根據(jù)模型，編寫了系統(tǒng)仿真模塊，仿真模塊主要包括慣性環(huán)節(jié)和超前滯后環(huán)節(jié)等時(shí)間參數(shù)的動態(tài)環(huán)節(jié)、XU動作輸出環(huán)節(jié)等。只需將動態(tài)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)數(shù)字化就可以對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真建模。

2 SIP系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)

SIP仿真系統(tǒng)有模擬量的輸入以及模擬量和數(shù)字量輸出，本仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要采用了1臺計(jì)算機(jī)和2塊NI的板卡來實(shí)現(xiàn)，即PCI6289和6733。PCI6733有8路AO，M系列板卡PCI6289有32路AI和48路DI，而對于每個(gè)通道回路中最多有6路AI，8路AO以及12路DI[2]。其中計(jì)算機(jī)仿真部分只需仿真回路通道中的處理計(jì)算模塊即動態(tài)模塊(如微分、超前、滯后、濾波等時(shí)間參數(shù)模塊）和閾值模塊即可。

3 SIP仿真系統(tǒng)的RCP10的部分回路

SIP系統(tǒng)的通道的處理計(jì)算模塊基本上都是相似的，動態(tài)參數(shù)模塊只是時(shí)間常數(shù)不一樣，XU閾值模塊只是動作值和復(fù)位值不一樣。本文以最為復(fù)雜的RCP10部分回路為例進(jìn)行了軟件仿真設(shè)計(jì)，并用SIP系統(tǒng)中實(shí)際運(yùn)行的板件搭建了此回路作為硬件仿真系統(tǒng)，來驗(yàn)證軟件仿真設(shè)計(jì)的正確性，圖2為RCP10的部分回路簡圖，其中一個(gè)方框圖代表的是用于一個(gè)功能的板件。

圖中,458CC、483CC、448CC、446CC、495CC和447CC都是SIP系統(tǒng)RCP10通道的輸入開關(guān)節(jié)點(diǎn)， FI和MT都為時(shí)間參數(shù)動態(tài)環(huán)節(jié)，AM、GD與ZO為靜態(tài)環(huán)節(jié)，即與時(shí)間參數(shù)無關(guān)，只與輸入量有關(guān)。本文著重對動態(tài)環(huán)節(jié)仿真進(jìn)行詳細(xì)描述，PT點(diǎn)和XU都為SIP仿真系統(tǒng)的輸出節(jié)點(diǎn)， PT為模擬量輸出，XU為數(shù)字量輸出。在系統(tǒng)仿真中，一些動態(tài)環(huán)節(jié)只知道其傳遞函數(shù)，而系統(tǒng)采集的值是離散的，即不是連續(xù)的數(shù)據(jù)，故要將其量化為差分方程，這樣便于仿真與程序設(shè)計(jì)。

(1) 濾波器FI模塊

濾波器模塊傳遞函數(shù)為微分方程為：差分方程為:FI環(huán)節(jié)此時(shí)刻的輸出值取決于上一時(shí)刻的輸入和輸出值。

當(dāng)有一個(gè)初值注入時(shí)，即X(t)=U(t)，y值會有一個(gè)階躍響應(yīng)，具體理論推導(dǎo)如下:由此可見，當(dāng)t→∞時(shí)，y(t)=U(t)。

(2) 超前滯后MT模塊

超前滯后模塊傳遞函數(shù)為微分方程為:差分方程為：MT環(huán)節(jié)此時(shí)刻的輸出值取決于上一時(shí)刻的輸入和輸出值以及此時(shí)刻的輸入。

當(dāng)有一個(gè)初值注入時(shí)，即X(t)=U(t)，y值會有一個(gè)階躍響應(yīng)，具體理論推導(dǎo)如下:由此可見，當(dāng)t→∞時(shí)，y(t)=U(t)，故應(yīng)給系統(tǒng)一段時(shí)間來穩(wěn)定，待系統(tǒng)穩(wěn)定后可再進(jìn)行下一步的運(yùn)算。

根據(jù)已經(jīng)建立的RCP10通道部分回路的軟件仿真模型，用SACMO試驗(yàn)臺里的部分試驗(yàn)步驟分別向SIP軟件仿真系統(tǒng)和原有板件搭建的硬件仿真系統(tǒng)注入信號，其試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

這兩步試驗(yàn)表示495CC、483CC、446CC分別注入定值信號，而448CC注入的一個(gè)初值信號，等待一段時(shí)間待MT環(huán)節(jié)穩(wěn)定之后，再接著注入斜波信號，表格中的3列結(jié)果是XU動作時(shí)刻的斜波信號的值，其中軟仿真結(jié)果和硬仿真結(jié)果是多次試驗(yàn)結(jié)果的值。由表1可見，軟仿真結(jié)果與理論值的誤差在范圍之內(nèi)，證明NI板卡仿真符合精度要求的結(jié)果;而軟仿真結(jié)果與硬仿真結(jié)果的誤差也在要求范圍之內(nèi)，說明軟仿真的數(shù)學(xué)公式是完全正確的。故采用軟仿真來模擬整個(gè)SIP系統(tǒng)是可行的。

軟件仿真的特點(diǎn)在于它實(shí)現(xiàn)起來比較方便，不受很多外在條件的約束，而LabVIEW的特點(diǎn)在于它的模塊化結(jié)構(gòu)，因此這對程序本身的改進(jìn)就有重要的意義。通過仿真的結(jié)果，初步的分析可以認(rèn)為LabVIEW對系統(tǒng)仿真與分析簡便、直觀、有效。而對于大亞灣的這些大型系統(tǒng)中，系統(tǒng)搭建比較復(fù)雜而且不具備條件，故對系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真是可行的，具有實(shí)現(xiàn)簡單，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。相信在將來可以將更多的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際平臺中。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊樂平，李海濤 趙勇.LabVIEW高級程序設(shè)計(jì). 北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[2] National Instruments Corporation.PCI 6289 User Manual.2006.