★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司馬騰飛，任保華，王桂蘭，彭立，張智慧

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關(guān)鍵詞：算法組態(tài)；自動(dòng)化生成；DCS

DCS（Digital Control System）系統(tǒng)是核電機(jī)組的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，可實(shí)現(xiàn)順序控制、設(shè)備保護(hù)、參數(shù)監(jiān)控、自動(dòng)控制等功能，它密切關(guān)系到機(jī)組的安全運(yùn)行。我國(guó)首個(gè)實(shí)現(xiàn)商用的自主化核電站數(shù)字化控制保護(hù)系統(tǒng)即和睦系統(tǒng)（英文名：FirmSys），它由一系列硬件和軟件組成，其中執(zhí)行安全保護(hù)算法功能的應(yīng)用軟件采用核安全級(jí)圖形化算法組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)。核儀控系統(tǒng)工程師使用算法組態(tài)軟件進(jìn)行工程組態(tài)和算法設(shè)計(jì)，并將保護(hù)算法轉(zhuǎn)換生成等價(jià)算法C代碼，最終下裝到核電DCS系統(tǒng)專用控制器中，用于執(zhí)行安全保護(hù)功能。

算法工藝設(shè)計(jì)圖紙需經(jīng)過(guò)多個(gè)流程，才可最終生成可靠的安全級(jí)算法組態(tài)應(yīng)用到核電站中。其中間流程算法設(shè)計(jì)圖生成算法組態(tài)，是通過(guò)人工繪制的方式進(jìn)行的，在過(guò)程中無(wú)法避免地會(huì)出現(xiàn)人因錯(cuò)誤，且對(duì)工程設(shè)計(jì)人員要求較高，因此成為了項(xiàng)目進(jìn)度的關(guān)鍵路徑。項(xiàng)目對(duì)算法組態(tài)的生成過(guò)程提出了降低人因影響、加快項(xiàng)目進(jìn)度、降低人員成本等要求，因此一種核安全級(jí)算法組態(tài)自動(dòng)生成方法成為了解決項(xiàng)目要求的必然選擇。

1　算法組態(tài)生成流程（如圖1所示）

核電站項(xiàng)目各個(gè)環(huán)節(jié)必須由具備相關(guān)資質(zhì)的單位完成，算法組態(tài)的生成由上游輸入的工藝設(shè)計(jì)圖紙，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)人員繪制成算法設(shè)計(jì)圖；再經(jīng)由工程設(shè)計(jì)人員通過(guò)算法軟件以手工繪制的方式實(shí)現(xiàn)算法組態(tài)，而且為確保準(zhǔn)確性，需經(jīng)過(guò)V&V的質(zhì)量校核，最后生成算法組態(tài)文件。

圖1 算法生成流程

當(dāng)工藝設(shè)計(jì)圖發(fā)生變化時(shí)，需要同時(shí)對(duì)算法設(shè)計(jì)圖、算法組態(tài)同時(shí)進(jìn)行調(diào)整，涉及整個(gè)流程。

2　自動(dòng)化工具的需求

隨著核工業(yè)的發(fā)展，核安全文化深入，行業(yè)規(guī)模越來(lái)越大，以往人工進(jìn)行設(shè)計(jì)組態(tài)的形式無(wú)法滿足項(xiàng)目進(jìn)度要求，同時(shí)符合要求的工程人員不足，無(wú)法滿足行業(yè)發(fā)展的缺口，項(xiàng)目進(jìn)度與成本越發(fā)關(guān)鍵，加快項(xiàng)目進(jìn)度、提升產(chǎn)品質(zhì)量、減少人因失誤、降低運(yùn)維成本成為必然要求。更加上算法設(shè)計(jì)圖與算法組態(tài)在外形和布局方面的不一致，提高了手動(dòng)組態(tài)工作的復(fù)雜程度，增加了人因失誤。而后續(xù)的變更，同樣會(huì)加大V&V及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、維護(hù)的工作，因此需要對(duì)人工繪制算法組態(tài)的流程重新進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

為保證算法組態(tài)的直觀與容易識(shí)別，同時(shí)考慮驗(yàn)證方便，在算法組態(tài)生成過(guò)程中，需要考慮設(shè)計(jì)圖紙的外觀一致性、位置準(zhǔn)確性、邏輯正確性，以及對(duì)不同種類的工藝設(shè)計(jì)圖紙的兼容性、擴(kuò)展性。

3　產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

算法組態(tài)的自動(dòng)生成方法的輸入文件包括：算法設(shè)計(jì)圖、圖符配置文件和圖符庫(kù)，其中圖符配置文件與圖符庫(kù)匹配，算法設(shè)計(jì)圖使用圖符庫(kù)進(jìn)行繪制。輸入文件通過(guò)軟件工具轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)中間文件，再通過(guò)算法軟件加載為算法組態(tài)文件。整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 整體設(shè)計(jì)圖

3.1　標(biāo)準(zhǔn)中間文件設(shè)計(jì)

規(guī)范中間文件內(nèi)容，其包括目前算法組態(tài)軟件的所有必需元素。算法組態(tài)示意圖如圖3所示。

圖3 算法組態(tài)示意圖

算法組態(tài)是由各種圖元組合而成的，圖元類型包括變量圖元、算法圖元、連線圖元：

（1）變量圖元：輸入變量、輸出變量、中間變量、常量；

（2）（2）連線圖元：正向連線圖元、反向連線圖元；

（3）算法圖元：各種算法類型的圖元。

基本圖元信息包括ID號(hào)、位置、大小、名稱、輸入/輸出端口等，各種圖元又包含其種類特殊的屬性，例如：

（1）變量圖元：變量名稱、變量類型；

（2）連線圖元：線類型；

（3）算法圖元：名稱、類型、實(shí)例號(hào)等。

關(guān)鍵信息需要包括以上內(nèi)容，其文件設(shè)計(jì)示意圖如圖4所示。

圖4 算法設(shè)計(jì)文件關(guān)鍵信息示意圖

3.2　圖符樣式文件的設(shè)計(jì)

圖符樣式文件用于算法設(shè)計(jì)圖中各種元素的顯示，須保證圖元在算法軟件中顯示與算法設(shè)計(jì)圖文件中一致。樣式文件設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示，配置文件中的信息主要包括名稱、樣式標(biāo)志、類型號(hào)、描述信息、長(zhǎng)度、寬度、端口信息等。

圖5 樣式文件示意圖

3.3　算法邏輯關(guān)系的生成

通過(guò)算法設(shè)計(jì)圖，生成中間文件分為3個(gè)步驟：

（1）加載圖符樣式文件，并校驗(yàn)文件是否符合規(guī)則；

（2）加載算法設(shè)計(jì)圖，通過(guò)連線關(guān)系得到圖形信息以及圖形間的邏輯關(guān)系；

（3）生成標(biāo)準(zhǔn)中間文件（xml格式）。

得到的中間文件格式如圖6所示。

圖6 中間文件

3.4　算法組態(tài)軟件兼容規(guī)范

將3.3得到的標(biāo)準(zhǔn)中間文件轉(zhuǎn)換為算法軟件組態(tài)數(shù)據(jù)，該步驟分為3個(gè)步驟：

（1）將中間文件中算法塊的圖形解析為算法軟件中的算法塊圖元；

（2）將中間文件中的變量圖形解析為算法軟件中的變量圖元；

（3）進(jìn)行布線，在算法設(shè)計(jì)圖基礎(chǔ)上，調(diào)整連線起始位置，連接對(duì)應(yīng)圖形。

其設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖7 生成算法軟件圖形數(shù)據(jù)

3.5　運(yùn)行效果

算法設(shè)計(jì)圖如圖8所示，通過(guò)以上方法執(zhí)行后，自動(dòng)生成的算法組態(tài)如圖9所示。

圖8 算法設(shè)計(jì)圖

圖9 算法組態(tài)圖

4　應(yīng)用效果

首先，通過(guò)精準(zhǔn)定義統(tǒng)一的中間文件形式，算法軟件能夠高效解析算法設(shè)計(jì)圖文件，從中精準(zhǔn)地提取出算法組態(tài)信息，并生成規(guī)范的中間文件。這種中間文件不僅承載了算法的核心邏輯，還具備高度可移植性。

然后，算法組態(tài)軟件通過(guò)兼容這一規(guī)范，能夠輕松讀取中間文件，并自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的算法組態(tài)。這一過(guò)程中，軟件會(huì)利用中間文件的規(guī)范性，進(jìn)行詳盡的校驗(yàn)，確保設(shè)計(jì)文件中不存在任何潛在問(wèn)題。一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)會(huì)立即進(jìn)行反饋，使設(shè)計(jì)人員能夠迅速定位并修正錯(cuò)誤，從而大大提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和效率。

在生成中間語(yǔ)言的過(guò)程中，我們同樣注重規(guī)范化的校驗(yàn)。這種校驗(yàn)不僅限于語(yǔ)法和邏輯的正確性，還包括對(duì)設(shè)計(jì)文件的完整性、一致性和可維護(hù)性的檢查。通過(guò)這一步驟，我們能夠確保設(shè)計(jì)文件的質(zhì)量，為后續(xù)的算法組態(tài)生成打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

此外，由于中間文件格式的高度規(guī)范性，我們可以開(kāi)發(fā)出多種轉(zhuǎn)化工具，輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)文件到中間文件的轉(zhuǎn)換。算法組態(tài)軟件只需加載這些中間文件，即可快速生成算法組態(tài)。這不僅簡(jiǎn)化了操作流程，還提高了整個(gè)系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。

在算法組態(tài)生成后，我們還會(huì)經(jīng)過(guò)算法軟件的嚴(yán)格檢查、編譯步驟以及V&V等質(zhì)量校驗(yàn)，確保算法的正確性和滿足核安全級(jí)算法要求。這一系列的措施使得我們的算法組態(tài)自動(dòng)生成方法能夠在核電站等關(guān)鍵領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)DCS系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的反饋，這種核安全級(jí)算法組態(tài)自動(dòng)生成方法展現(xiàn)出了卓越的性能。它能夠更快更精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的各類錯(cuò)誤，更快捷地輸出組態(tài)算法，有效降低了組態(tài)算法中的人因失誤以及邏輯錯(cuò)誤，大幅提高了工程組態(tài)的正確性和設(shè)計(jì)效率，為核電站的安全運(yùn)行提供了有力保障。

該方法已經(jīng)在我國(guó)廣東陽(yáng)江核電站等8座核電站項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用，并取得了良好的實(shí)踐效果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這些項(xiàng)目累計(jì)縮短工期超過(guò)600人月，保證了核電機(jī)組如期投入生產(chǎn)，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。這一成果的取得充分證明了我們的算法組態(tài)自動(dòng)生成方法在實(shí)際應(yīng)用中的有效性和優(yōu)越性。

5　結(jié)論

本文提出了一種核電站算法組態(tài)的自動(dòng)化生成方法，并已在和睦系統(tǒng)中成功應(yīng)用。在多個(gè)實(shí)際百萬(wàn)千瓦級(jí)核電項(xiàng)目的應(yīng)用中，該方法提高了核安全級(jí)DCS系統(tǒng)算法組態(tài)的生成效率，降低了算法組態(tài)中的邏輯錯(cuò)誤，為工程項(xiàng)目的順利完工提供了有力保障，對(duì)其他行業(yè)的算法組態(tài)自動(dòng)化提供了借鑒意義。

作者簡(jiǎn)介：

馬騰飛（1988-），男，河北人，軟件設(shè)計(jì)師，學(xué)士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事于核電站軟件的研發(fā)與設(shè)計(jì)工作。

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年7月刊