核电站装卸料模拟机的设计与开发

赵鹏程+张皓+陈明+覃坤+彭波+李希+覃华

摘要：文章依据核电厂对于装卸料技能培训的需求，提出了一种核电站装卸料培训系统的设计与开发过程。该系统将仪控、仿真与虚拟现实等多种技术结合，以实体控制盘台与人机交互界面作为输入输出，以虚拟设备作为输出响应以表现其运动过程，以教控台作为控制与教学辅助，实现了核电站装卸料的自动化。

关键词：核电站；装卸料；培训系统；模拟机；虚拟设备；教控台 文献标识码：A

中图分类号：TM623 文章编号：1009-2374（2015）15-0011-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.15.006

1 概述

装卸料技能培训是核电厂技能培训的一个重要环节。传统的书本教学对于学员来说缺少实物操作体验，培训效果欠佳。而按照现场建造一个实际的培训环境，则工程量巨大，并非一个良好的解决方案。

伴随着仿真技术的发展，尤其是虚拟现实技术在仿真领域的应用，基于仿真技术的装卸料模拟机开发被提出。装卸料模拟机具有实体的操作盘台以及人机交互界面，让培训人员能够实际动手演练，加快操作的熟练程度，还利用虚拟的装卸料机与厂房环境，增强培训人员身临其境的体验，同时也让教员能通过虚拟的设备来监测学员的操作情况。装卸料模拟机还具备教控台，教员通过教控台可以实时地对装卸料的条件和场景进行调度控制，使学员能够应付各种操作要求。

因此，可以说装卸料模拟机相对于传统的书本教学与实体培训设备来说是一个折中的方案，它具有良好的培训效果，并具有成本低、工期短、维护方便的特点。

2 设计思路

2.1 系统总体设计

装卸料模拟机各组成部分包含实体控制台、人机交互界面软件、教控台软件、逻辑控制软件、虚拟设备软件。各个部分之间的关系结构如图1所示：

图1 系统关系结构图

装卸料模拟机系统设计包含以下方面的内容：控制台设计、人机界面设计、逻辑控制程序设计、教控台设计、虚拟设备设计、数据通讯设计。

2.2 控制台设计

装卸料模拟机控制台按照实际的装卸料机操作台设计，控制台机柜按照1∶1仿制。实体控制台上的按钮、操纵杆、显示屏等零部件采用国内仿制和原厂采购两种方式实现，包括大小车操纵杆、提升机操纵杆、抓具开关、旁路开关、大小车位置显示屏等。

控制台内部安装有数据采集模块，将控制台上的AO、DO设备信号发送到逻辑控制程序当中，并接受来自控制程序的AI、DI信号显示到控制台对应的元件中。具体的信号分类将在2.4逻辑控制程序中介绍。以典型压水堆核电站装卸料机控制台为仿制对象的实物控制台包含5块数码显示表、2个显示（触摸）屏、3个操纵杆以及若干自复位按钮、自保持按钮、旋钮开关、指示灯、蜂鸣器等元件。

2.3 人机交互界面程序设计

人机交互界面依据实际的装卸料机人机界面规格书设计。使用Windows下的VC2005工具进行开发，界面图像元素通过GDI函数绘制，在程序后台启动数据通讯模块，与逻辑控制程序进行数据通讯，以实现指令输入和状态显示。

摄像机画面是人机交互界面程序的一个三维显示模块，它采用三维虚拟方式模拟摄像机画面，输出到控制台显示屏中，能够通过遥控器控制摄像机的缩放、旋转、通道切换等操作。

典型压水堆装卸料模拟机人机交互界面内容包括主屏幕界面、提升机屏幕界面、自动运行屏幕界面、故障屏幕界面、装卸料机偏移操作界面、摄像机画面。

2.4 逻辑控制程序设计

逻辑控制程序依据装卸料机系统PLC程序，采用RinSim仿真平台下的SimGen图形化建模工具进行开发。控制程序承担了整个装卸料模拟机数据的计算与流通，是装卸料模拟机系统组成的核心部分。控制程序的运行环境下，同时启动数据通讯模块，以实现与装卸料模拟机其他模块的数据交换。控制程序提供AO、DO、AI、DI变量列表，其定义如下，并举例说明：（1）AO：传入控制程序的模拟型变量，如大车操纵杆偏移量、小车目标位置、提升机当前负载；（2）DO：传入控制程序的数字型变量，如互锁旁路开关、装卸料机自动运行、抓具啮合开关信号；（3）AI：由控制程序传出的模拟型变量，如大车当前速度、堆芯分布、大车当前位置；（4）DI：由控制程序传出的数字型变量，如大车运动方向、抓具释放指示灯、载荷释放信号、系统故障信号。图2列举的是RinSim仿真平台下的控制程序中的某个模块，通过可视化的编辑工具，可以非常便捷地对程序进行编写和调试。典型压水堆装卸料模拟机控制系统中，包含有设备初始化、区域初始化、位置编码器控制、区域设置、系统错误、设备控制、自动运行控制、堆芯控制、偏移操作控制等模块。

图2 可视化逻辑控制程序

2.5 虚拟设备程序设计

虚拟设备系统采用三维渲染的方式模拟反应堆厂房内部设施，主要用于监视装卸料过程中反应堆厂房内部设备的运行。其开发环境为VC2005，并加载Eon Reality三维引擎实现三维处理。模拟范围主要包括反应堆厂房内部土建结构、反应堆、上部构件水池结构、装卸料机大车、小车、主提升机、套筒、抓具、倾翻机、反应堆堆芯结构、燃料组件、反应堆顶盖、上部构件、蒸汽发生器其中装卸料机大车、小车、主提升机、抓具、燃料组件等设备加入了运动控制脚本，可以接收来自外部速度信号，驱使各设备运行，并能够处理加速度、负载运算、碰撞等细节，以逼近实际场景。

2.6 教控台设计

教控台采用RinSim平台下的SIMIS软件进行开发改造，教控台主要给教练员提供一个培训控制平台，它可以设置装卸料模拟机的各种场景与状态，以适应不同的教学需求，教控台具备以下功能：装卸料场景的实时保存和复位、设置堆芯分布、教案编制、考核、评分、控制台开关校验、故障插入（包括各种机械故障、人为故障）。endprint

2.7 数据通讯设计

装卸料模拟机以Windows环境下的人机操作界面程序（HMI）作为整个系统的通讯服务器，负责与控制程序（PLC）即模拟机主控程序、控制台（Console）、虚拟设备（Device）之间的数据传输。通讯结构图与实现方式如图3所示：

图3 数据通讯结构图

2.7.1 控制程序与人机界面。由于通讯要求跨平台，使用基于网络协议方式实现数据通讯。控制程序建立TCP服务端，人机界面建立客户端，连接到控制

程序。

2.7.2 控制台与人机界面。控制台配备数据采集卡，数据采集设备将硬件盘台中的开关、按钮、推杆、等设备产生的物理信号转化成数字信号，通过TCP/IP网络协议实现与人机界面程序的数据交换。

2.7.3 虚拟设备与人机界面。虚拟设备程序与人机界面使用TCP/IP网络协议的方式实现通讯，人机界面程序将位置信息发送到虚拟设备程序，驱动设备运行。

2.7.4 控制程序与教控台。两者同处在一个RinSim仿真平台下，采用共享内存方式实现教控台与控制程序之间的数据交换。

3 关键技术

装卸料模拟机由于系统组成复杂，对仿真的精度要求高，在实际的开发过程遇到并解决了以下四个关键

问题：

3.1 装卸料机PLC程序移植

装卸料模拟机的逻辑控制程序开发是使用RinSim平台下的SimGen图形编辑工具将实际装卸料机PLC程序移植。由于平台的差异性，代码的移植和调试占用整个项目的大部分时间，由于SimGen工具对PLC程序支持尚未完善，装卸料模拟机在保证控制逻辑正确、完整的基础上，对程序做出了部分适应性修改，并对工具做出了部分改进。

3.2 控制程序I/O点的确定

控制程序的I/O点通过配置文件记录，由于装卸料机的技术规格书上并没有定义PLC的I/O，所以是通过研读PLC程序，根据各层逻辑关系确定变量点，不断完善来I/O配置文件。例如：由控制台上的某个指示灯需要某个DI变量来驱动，便在控制程序中找出该变量，列入DI配置文件中。人机界面中某个功能按钮需要向控制程序发送指令，便在控制程序中找到与该指令相关联的变量，列入DO配置文件中。

3.3 虚拟设备的加速度处理

为了达到与真实设备相似的物理特性，虚拟的设备对加速度进行了处理。设备的控制脚本中，加入了三维画面的帧处理函数，该函数在每一帧后调用，函数首先将帧的耗时乘以加速度，作为速度变化，然后将设备的速度加上速度变化，以新的设备速度，该方法可以较为精确地模拟出在一定加速度下，设备的速度变化过程。

3.4 人机界面虚拟模块与虚拟设备同步

为实现摄像机画面，在人机界面程序内集成了一个虚拟设备，简称为Device0。人机界面程序将从控制程序获取到的AI、DI变量发送给自身的Device0，同时以UDP网络协议的方式发送给独立虚拟场景程序Device。Device仅仅只是接收消息实现与Device0同步并显示，而水下摄像头虚拟信号和反馈到控制程序的AO、DO信号实际上由Device0提供。

4 结语

综上所述，装卸料模拟机有如下特点：（1）利用实体控制台仿制装卸料机控制台的外型以盘台仪表；（2）采用计算机程序模拟控制台人机界面；（3）利用RinSim仿真平台下的SimGen工具生成逻辑控制算法；（4）采用教控台实现场景设置、过程监控、故障设置等功能；（5）利用虚拟现实技术建立虚拟反应堆厂房内部设备，作为设备操作的响应输出，以实现装卸料环境的整体监控功能。

因此，装卸料模拟机利用仪控技术、过程仿真技术、虚拟现实技术等相结合的方式，建立了一套以仿制的控制盘台与人机界面作为输入输出、以三维设备模型作为输出响应、以教控台作为教学辅助的装卸料过程培训系统。在高精度仿真的基础上，实现了可操作、可视化、可交互、且具备教学功能的培训方式。

根据以上的设计思路与关键技术解决方法，以某典型压水堆核电机组为数据参考对象的装卸料模拟机完成开发并投入使用，用于某核电站装卸料人员培训。使用报告表明：压水堆核电站装卸料模拟机使用情况良好，培训人员能够通过该系统熟悉反应堆装卸料过程，并能够用来实现并处理装卸料过程中遇到的各种问题，为核电站装卸料的预备人员提供了一个较好的培训手段。

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作者简介：赵鹏程（1981-），男，湖北当阳人，中核武汉核电运行技术股份有限公司工程师，研究方向：核电虚拟仿真技术；张皓（1983-），男，湖北武汉人，中核武汉核电运行技术股份有限公司工程师，硕士，研究方向：虚拟仿真

技术。

（责任编辑：周 琼）endprint