基于LabVIEW的SIP系統仿真的設計與實(shí)現

基于LabVIEW的SIP系統仿真的設計與實(shí)現

將虛擬儀器的概念引入大亞灣核電站的SIP系統的仿真，利用計算機仿真技術(shù)參與其系統設計有助于縮短設計周期，降低設計費用和提高設計質(zhì)量，基于這些優(yōu)點(diǎn)利用LabVIEW進(jìn)行了SIP系統的虛擬仿真設計，目前已經(jīng)取得了預期的效果，主要以SIP系統的RCP10通道為例進(jìn)行詳細地仿真設計介紹。

關(guān)鍵詞：SIP系統； 虛擬儀器； 系統仿真

過(guò)程儀表系統（法文簡(jiǎn)稱(chēng)SIP系統）作為核島系統的一部分，其作用是接收來(lái)自現場(chǎng)過(guò)程測量?jì)x表的模擬信號（包括壓力、水位、流量、溫度、轉速等），然后根據設計要求對現場(chǎng)模擬信號進(jìn)行處理，再送到相關(guān)系統和設備進(jìn)行顯示、記錄和處理。從一定意義上講，SIP系統在儀控系統中處于承上啟下的地位。SIP系統的故障是隱蔽的，但是，SIP作為反應堆廣義保護系統的一個(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行。為了及時(shí)發(fā)現故障以保證SIP系統的可用性，必須對SIP系統進(jìn)行定期試驗。而原有的定期試驗裝置（SACMO試驗臺）已經(jīng)老化且無(wú)備件生產(chǎn)，給試驗和維修工作帶來(lái)不便，因此，開(kāi)發(fā)新型的定期試驗裝置是非常緊迫和關(guān)鍵的。

由于SIP系統長(cháng)期處于運行狀態(tài)，無(wú)法給新開(kāi)發(fā)的試驗裝置提供環(huán)境試驗，而又因為系統通道和所需的硬件板件非常多，所以不適合對SIP系統作硬件實(shí)物仿真，故最終采用計算機仿真SIP系統。這種仿真方法常用于系統的方案設計階段和某些不適合作實(shí)物仿真的場(chǎng)合（包括某些故障模式），其特點(diǎn)是重復性好、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裝置的開(kāi)發(fā)，計算機仿真的環(huán)境采用的是LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境。為了驗證最終開(kāi)發(fā)的軟件仿真系統的準確性，首先搭建了SIP系統中RCP10的部分硬件回路，接著(zhù)用SACMO試驗臺分別向新開(kāi)發(fā)的SIP軟件系統和硬件仿真系統注入信號，比對試驗結果，這些都為研發(fā)新型的定期試驗裝置提供了試驗依據。

1 LabVIEW簡(jiǎn)介

LabVIEW是美國NI公司的產(chǎn)品,是一個(gè)功能完整的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，同時(shí)也是一種功能強大的編程語(yǔ)言^[1]，主要用于儀器控制、數據采集、數據分析和數據顯示領(lǐng)域。LabVIEW采用圖形編程語(yǔ)言以方框圖的方式來(lái)生成程序行。與其他仿真軟件相比更加直觀(guān)、生動(dòng)，易于上手且方便修改。本課題根據模型，編寫(xiě)了系統仿真模塊，仿真模塊主要包括慣性環(huán)節和超前滯后環(huán)節等時(shí)間參數的動(dòng)態(tài)環(huán)節、XU動(dòng)作輸出環(huán)節等。只需將動(dòng)態(tài)環(huán)節的傳遞函數數字化就可以對整個(gè)系統進(jìn)行計算機仿真建模。

2 SIP系統仿真結構

SIP仿真系統有模擬量的輸入以及模擬量和數字量輸出，本仿真系統結構如圖1所示。系統主要采用了1臺計算機和2塊NI的板卡來(lái)實(shí)現，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]。其中計算機仿真部分只需仿真回路通道中的處理計算模塊即動(dòng)態(tài)模塊(如微分、超前、滯后、濾波等時(shí)間參數模塊）和閾值模塊即可。

3 SIP仿真系統的RCP10的部分回路

SIP系統的通道的處理計算模塊基本上都是相似的，動(dòng)態(tài)參數模塊只是時(shí)間常數不一樣，XU閾值模塊只是動(dòng)作值和復位值不一樣。本文以最為復雜的RCP10部分回路為例進(jìn)行了軟件仿真設計，并用SIP系統中實(shí)際運行的板件搭建了此回路作為硬件仿真系統，來(lái)驗證軟件仿真設計的正確性，圖2為RCP10的部分回路簡(jiǎn)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RCP10通道的輸入開(kāi)關(guān)節點(diǎn)， FI和MT都為時(shí)間參數動(dòng)態(tài)環(huán)節，AM、GD與ZO為靜態(tài)環(huán)節，即與時(shí)間參數無(wú)關(guān)，只與輸入量有關(guān)。本文著(zhù)重對動(dòng)態(tài)環(huán)節仿真進(jìn)行詳細描述，PT點(diǎn)和XU都為SIP仿真系統的輸出節點(diǎn)， PT為模擬量輸出，XU為數字量輸出。在系統仿真中，一些動(dòng)態(tài)環(huán)節只知道其傳遞函數，而系統采集的值是離散的，即不是連續的數據，故要將其量化為差分方程，這樣便于仿真與程序設計。

(1) 濾波器FI模塊

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

當有一個(gè)初值注入時(shí)，即X(t)=U(t)，y值會(huì )有一個(gè)階躍響應，具體理論推導如下:由此可見(jiàn)，當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為微分方程為:差分方程為：MT環(huán)節此時(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。

當有一個(gè)初值注入時(shí)，即X(t)=U(t)，y值會(huì )有一個(gè)階躍響應，具體理論推導如下:由此可見(jiàn)，當t→∞時(shí)，y(t)=U(t)，故應給系統一段時(shí)間來(lái)穩定，待系統穩定后可再進(jìn)行下一步的運算。

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

這兩步試驗表示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)節穩定之后，再接著(zhù)注入斜波信號，表格中的3列結果是XU動(dòng)作時(shí)刻的斜波信號的值，其中軟仿真結果和硬仿真結果是多次試驗結果的值。由表1可見(jiàn)，軟仿真結果與理論值的誤差在范圍之內，證明NI板卡仿真符合精度要求的結果;而軟仿真結果與硬仿真結果的誤差也在要求范圍之內，說(shuō)明軟仿真的數學(xué)公式是完全正確的。故采用軟仿真來(lái)模擬整個(gè)SIP系統是可行的。

軟件仿真的特點(diǎn)在于它實(shí)現起來(lái)比較方便，不受很多外在條件的約束，而LabVIEW的特點(diǎn)在于它的模塊化結構，因此這對程序本身的改進(jìn)就有重要的意義。通過(guò)仿真的結果，初步的分析可以認為L(cháng)abVIEW對系統仿真與分析簡(jiǎn)便、直觀(guān)、有效。而對于大亞灣的這些大型系統中，系統搭建比較復雜而且不具備條件，故對系統進(jìn)行計算機仿真是可行的，具有實(shí)現簡(jiǎn)單，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。相信在將來(lái)可以將更多的計算機仿真系統應用于實(shí)際平臺中。

參考文獻

[1] 楊樂(lè )平，李海濤 趙勇.LabVIEW高級程序設計. 北京:清華大學(xué)出版社，2003.

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