DCS电气硬逻辑翻译软件的设计与实现

张 旭，陈世勇，刘全东

（中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610213）

0 引言

硬逻辑电气电路是DCS中的重要组成部分，主要由硬接线和继电器等元器件搭接而成。作为DCS数字化系统的后备措施，用来应对因数字化控制系统软件共因故障引发的功能失效，以维持系统的功能[1]。

常见的电气图纸绘制软件包括Eplan、CAD、Microsoft Visio等，这些绘图软件绘制的图纸仅作为表征线路连接的示意图，不具备逻辑仿真运算功能，这给工程设计人员带来了不便，不能高效地验证设计的正确性。基于仿真技术中纯模拟（Simulation）原理，采用翻译（Translation）的技术路线，将电气图纸批量自动翻译到仿真平台，并利用仿真平台进行逻辑运算，可实现电气设计的仿真。

国内外对于仿真技术在仪控系统验证方面的研究较多，多数研究集中于将仪控系统虚拟化为软件形式实现，与虚拟化的工艺系统过程模型软件形成闭环，验证控制逻辑[2～5]。单纯对于硬逻辑仿真的研究较少。

本文以Eplan作为电气设计软件，以Simulink作为仿真平台为例，设计并实现DCS硬逻辑电气电路仿真，对于其他电气设计软件或仿真平台，其原理是一致的，仅在实现层面略有区别。

1 系统设计与实现

硬逻辑仿真系统包括三个部分，即信息提取模块、智能数据融合模块、算法块驱动模块、应用模块。如图1所示。

图1 硬逻辑仿真系统结构图

硬逻辑涉及元器件依特定的格式在电气设计软件（Eplan）绘制，硬逻辑信息读取部分有两种实现形式：

1）向Eplan软件嵌入插件程序，由其导出Excel或其他格式的硬逻辑元器件及连接关系文件；

2）其二为不打开Eplan软件，由仿真软件外部读取Eplan文件内容，获取硬逻辑元器件及连接关系信息。

本文采用前一种形式进行研究。软件通过硬逻辑元器件与Simulink算法库中算法块的映射关系，将硬逻辑元器件及连接关系在Simulink中重绘。

2 系统子模块设计

2.1 信息提取模块

硬逻辑电气电路的Eplan图纸应按照标准电气电路设计。信息提取模块从Eplan工程图纸中提取信息，写入物理文件，供智能数据融合模块读取。由Eplan导出的文件应能够体现电气元器件的名称、连接关系等信息，以导出*.csv格式的物理文件为例。其格式示例如表1、表2所示。

表1 元器件信息表

表2 连线信息表

Eplan信息提取模块可通过嵌入式Eplan插件的形式实现[6]。Eplan信息提取模块流程如图2所示，在信息提取功能被触发后，获取当前项目，循环图纸每一页并遍历其中元器件。生成元器件信息表时，提取每种元器件的信息，并填写元器件信息表。结合Eplan软件的特性，其线圈和触点作为两个元器件（Function）被存储，因而，此时筛选只记录线圈（Coil），而不记录常开触点（NoContact）或常闭触点（NcContact）的信息。生成连线信息表时，循环每个元器件的Connections属性，获取每个连线（Connection）的信息，包括源端和目标端的元器件名、端口号等。

图2 Eplan信息提取模块流程图

元器件名取自元器件的Visible Name 字段，元器件类型和连接端口信号取自元器件Connection字段的Properties.CONNECTION_DESTINATION或Properties.CONNECTION_SOURCE属性，其格式为“=+CHS011AR-UM001：2”，用字符串的Split方法截取连接元器件名与端口号。

以C#语言实现为例，遍历本页元器件及其连接关系获取连线关系集合的部分代码示意如下。其中，每条连线的连线信息存储在Line格式的结构体中，具体形式如下。

2.2 智能数据融合模块

智能数据融合模块实现将硬逻辑信息映射填充至适应Simulink平台组态文件的链表结构。Simulink算法库应包括所有涉及到的算法块，每种Simulink算法块分别与Eplan的各种算法块对应，这种对应关系是从Eplan平台向Simulink平台翻译的基础。算法库包括RS触发器、继电器、延时继电器、输入/输出模块等。算法库示例如图3所示。

图3 算法库示例

算法块内部由MATLAB的MATLAB-Function函数块与Simulink基本模块搭接构成。算法块内部示意图如图4所示。

图4 算法块内部示意图

以图4所示为继电器模块为例，左侧的MATLABFunction函数块实现了继电器模块的基本功能，其输入分别为外部输入信号、是否供电、第一组与第二组输出端口的常开常闭模式，右侧Simulink基本模块实现了元器件故障模拟，可在正常仿真模式与模拟继电器故障模式之间切换，为设计人员提供参考。MATLAB-Function函数块与Simulink基本模块算法块的结合，既可实现复杂的算法逻辑，又使该过程简单直观。

2.3 算法块驱动模块

算法块驱动模块根据智能数据融合模块生成的元器件信息链表和连接关系链表，驱动Simulink软件绘制组态图形文件。其具体实现流程如图5所示。算法块驱动模块实现了该过程的高度自动化[7，8]。

图5 算法块驱动模块实现流程图

采用发送命令行的方式，驱动Simulink绘制算法块与连线。绘制连线并发送命令的代码示例如下：

2.4 应用模块

应用模块以Simulink平台为基础，应用Simulink软件的运算、保存等功能，封装为仿真逻辑运算与工况保存与装入功能，用于逻辑仿真。

3 实例分析

以核电厂反应堆保护控制系统中常用的带手动复位的锁存器（FFM）逻辑功能为例，验证仿真系统。该逻辑功能广泛用于反应堆安注、安全壳隔离等专设功能逻辑，实现对各专设功能就地设备（泵，阀等）的手动复位，保障反应堆专设功能的执行。FFM的功能示意图和输入输出说明如图6和表3所示：

图6 FFM功能块示意图

表3 输入输出关系说明

当R端输入为0时，L端输入为1时，输出端为1，此时无论L端输入为何值，输出将保持为1直至R端输入为1。

当R端输入为1时，输出将无条件置0。在置位之后，只有L端输入由0变为1时，输出变为1。

详细真值表如表4所示。

表4 真值表

在Eplan中实现该功能模块，用继电器等元件搭建的电气原理图如图7所示。

图7 FFM硬逻辑原理图

以上述硬逻辑电路仿真为例，对仿真系统进行验证。

通过在Eplan平台加载dll动态链接库，形成功能入口[4]。如图8所示。

图8 Eplan插件形式的功能入口

执行“导出硬件信息”功能，将元器件信息与连线信息分别导出至csv文件，如表5、表6所示。

表5 元器件信息表

表6 连线信息表

在导出连接线的过程中，因只需要读出设备之间的逻辑关系即可，故应删除设备与电源或地之间的连线，筛选出设备之间的连线，由设备之间的连线传递逻辑。

智能数据融合模块读取元器件信息表和连接关系表，向元器件链表和连线链表填充信息，然后按照先元器件后连线的顺序在Simulink重绘图纸。实际硬件物理设备中的“与”“或”逻辑由硬接线的连接表示，因而在重绘的过程中，应通过分析元器件的连接关系，在Simulink平台增加“与”“或”逻辑块。翻译重绘结果如图9所示。

图9 Simulink平台算法图

考虑到Simulink与Eplan软件机制的不同，设计Simulink的算法块与Eplan中算法块的一个区别是，Eplan中继电器线圈和触点可作为不同元器件分别使用多个图符，而Simulink的算法块中，每个元器件作为一个独立的整体，线圈和触点分别作为算法块的输入和输出。

然后通过设计不同组合与时序的输入值，记录输出端仿真结果，验证仿真结果。仿真实验如图10所示。图中，Input1与Input2分别代表两个输入端的输入值，Output代表输出端的输出值。

图10 仿真结果示意图

仿真计算结果符合预期值，证明基于Simulink的DCS硬逻辑翻译式仿真方法的正确性。

仿真系统的故障模拟功能以继电器触头故障（粘连）、RS触发器两端输入线圈故障为例进行验证。如图11～图13分别为电气电路中2号继电器触头故障、RS触发器的S与R端故障的仿真结果。

图11 2号继电器触头故障仿真结果

图12 RS触发器S端输入线圈故障仿真结果

图13 RS触发器R端输入线圈故障仿真结果

实验结果符合预期，证明仿真系统故障模拟功能的正确性。

4 结语

基于Simulink的DCS硬逻辑电气电路仿真能够补充电气设计软件在仿真运算功能方面的不足，高效的验证硬逻辑设计能否满足预期功能，降低设计错误率。以Simulink作为仿真平台，将电气设计软件文件翻译为Simulink平台算法文件，实现仿真功能。该过程采用翻译的技术路线，自动化程度高。

进一步的研究可从Eplan与Simulink的交互方面进行。仿真计算结果在Eplan软件上显示，仿真软件与Eplan的交互方法有多种，包括共享内存和共同读写物理文件等。以共同读写文件的方式为例，仿真软件将计算结果写入物理文件，在Eplan软件中嵌入插件。触发插件功能函数时Eplan软件获取仿真结果，显示在界面上，达到更好的使用效果。