刘 颖，祁 蔚，张玉峰，张立群

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.中核武汉核电运行技术股份有限公司，武汉 430223）

0 引言

被控设备（传感器）的状态反馈信号可直接反馈至1层过程控制机柜，而过程控制系统发出的指令则需经过设备执行机构再发送至0层设备。由于核电厂安全对设备失效安全位的特殊要求，核电厂的0层设备的执行机构的类型众多，包含气动阀、电磁阀、电动阀、电机、安全阀、气动液压阀、电动液压阀等，需要分别通过不同的装置（电气柜、继电器柜、气路、液压回路等）来实现。这些不同类型的设备与控制系统之间的接口信号类型不同，信号的接口方式也不相同。

以往核电设计中，控制系统与0层被控设备之间的信号接口没有采用标准分类，仪控设计人员在绘制设计图时需要将相关设备的电磁阀驱动的气动阀门的气路图、液压回路图等详细绘制，以保证设备控制信息表达的完整性[1,2]。华龙一号的仪控设计采用标准化的做法，将执行机构和设备反馈与1层控制系统之间的信号交互综合为0-1层标准接口块，用于将设备的执行机构类型、设备失效安全位置、执行机构电气特性、信号接线方式、交互信号类型标准化。这样，仪控设计人员只需要引用设备0-1层标准号，绘制控制逻辑组态图纸，即可完整地表达被控设备的控制设计信息。

由于核电厂设备0-1层信号接口没有标准化分类，因而进行核电厂设备建模时，只能采用逻辑块组合的方式逐个搭建设备的执行机构模型，控制指令和设备的反馈信号也只能通过建模工程师手动连线，或者逐条编写指令和反馈信号的赋值语句，实现控制系统与被控设备之间的信号传递。0-1层标准接口仿真模块将执行机构特性、设备与1层控制机柜之间的传递信号综合在一起，并封装为标准块。用于将设备的执行机构动作特性、失效位置、执行机构电气特性、信号接线方式、交互信号类型归类细分，并将0-1层之间的信号传递标准化为固定的变量对点规则，开发程序代码以自动实现标准接口块与1层控制组态逻辑之间的信号变量赋值。

另外，为了控制系统调试方便，根据不同类型执行机构的特点，在0-1层标准接口仿真块中对设备特性进行简单模拟，包含对失电故障、I/O卡件故障的仿真计算，用于在没有工艺模型的情况下对被控设备响应的简单模拟。

0-1层标准接口块典型的两种类型是气动调节阀和电动阀，其输入输出、内部参数、设备特性最具代表性。本文以220V交流电动阀、带双电磁阀（不同供电回路）的气动调节阀为例，介绍了0-1层标准接口仿真模块的内部参数、输入输出接口、设备特性计算功能以及与0层阀门，与相应的1层标准逻辑块之间的自动对点规则。

1 0-1层标准接口仿真模块的输入输出

图1所示为0-1层标准接口块MOV1-1（220V交流电动阀）的电路驱动原理以及信号接口示意图。MOV1-1的执行机构为电气柜，由多个继电器组成多个回路，从而实现了设备的远程控制，并且反馈电气柜的故障、运行等状态信号。图1最下方为MOV1-1与1层机柜之间的接线端子，对应仿真模块则为输入、输出针脚。

图1 MOV1-1的电路驱动原理以及信号接口示意图Fig.1 Circuit driving principle and signal interface diagram of mov1-1

图2 MOV1-1的仿真接口块外观Fig.2 Appearance of simulation interface block of MOV 1-1

图2所示为仿真模拟MOV1-1性能的标准仿真接口块的外观以及输入、输出针脚。其中，左区为1层接收/发送至标准接口块的信号，右区为标准接口块接收/发送至0层设备的信号。标准接口块设置内部变量local，使得接口块可选择是否向0层下发指令、接收0层设备的反馈信号。当local为1时，接口块不发送指令至0层，同样也不接收来自0层的反馈信号。接口块送往1层的反馈信号通过内部计算获得。图2所示的电动阀头可以设置供电母线等参数，计算电气柜故障、过流故障，存在固定的变量交换，因此将接口块与电动阀头视为一个模块。

MOV1-1与0层阀门的对点方式为通过SimGen中的变量连接符号连接，这个连接为可视化的。

图3所示为0-1层标准接口块AOV9-1带双电磁阀（不同供电回路）的气动调节阀气路原理图以及信号接口示意图。AOV9-1的阀门驱动是通过气路与阀门本体弹簧的设置来实现的。图3中上方为AOV9-1与1层机柜之间的接线端子，对应仿真模块则为输入、输出针脚。

表1 MOV1-1模块的输入/输出信号列表Table 1 Input/output signal list of MOV 1-1 module

表2 AOV9-1模块的输入/输出信号列表Table 2 Input / output signal list of AOV 9-1 module

图4所示为仿真模拟AOV9-1性能的标准仿真接口块外观及输入输出针脚。与MOV1-1的外观类似，左区为1层接收/发送至标准接口块的信号，右区为标准接口块接收/发送至0层设备的信号。图4所示的气动阀头可以设置供气索引等参数，计算气压丧失故障、失气故障等，存在固定的变量交换，因此将接口块与气动阀头视为一个模块。AOV9-1与0层工艺流网模型的对点方式为通过SimGen中的变量连接符号进行手动连接，这个连接为可视化的。

表1、表2列出了MOV1-1和AOV9-1的所有输入输出阵脚名称、含义描述以及信号类型。

图3 AOV9-1的气路驱动原理以及信号接口示意图Fig.3 Pneumatic drive principle and signal interface diagram of AOV9-1

图4 AOV9-1的仿真接口块外观Fig.4 Appearance of AOV 9-1 simulation interface block

2 0-1层标准块的功能及主要参数

0-1层标准仿真模块主要有3类功能：执行机构的特性模拟、1层失效时的缺省值设置、设备特性计算。

2.1 执行机构的特性模拟

执行机构的特性模拟主要是故障特性模拟。气动设备的故障类型较少，主要是压缩气压降低、失去压缩气源、电磁阀掉电，最终故障的计算结果都体现在阀门的安全位置计算（表3）中。

电机类设备的故障类型众多，包括电机故障、电气柜故障、失电故障等，不同原因引发的故障对设备的影响不同。所有故障基本都通过电气柜将fault信号反馈至1层，然后在人机界面层显示给操纵员。fault信号主要包含Switchgear fault和MCC fault，其中，MCC fault直接反馈到1层采集。

表3 AOV9-1阀门特性的模拟计算Table 3 Simulation calculation of AOV 9-1 valve characteristics

Switchgear fault是电气柜产生的报警信号，主要有以下几个来源：

◇ 失去控制电源，但是不会导致断路器保护跳闸。

◇ 失去110VDC，但是不会导致断路器保护跳闸。

◇ 失去设备动力电220VAC，即电机相连母线的unavailable信号，不会导致断路器保护跳闸。

◇ 电气柜设备故障

MCC fault是有多个触发信号，包含以下两种：

◇ Switchgear fault直接触发MCC fault。

◇ 电机的短路故障，电动阀卡死等会导致过流保护的故障。这种情况下会导致断路器保护跳闸。

2.2 标准接口块的缺省值设定功能

当传感器或者现场的设备反馈，传送至DCS输入卡件的信号不满足要求时，invalid信号出现（一般来说，火灾、断线、断路、I/O通道故障等故障都会造成信号invalid）；CP与IO卡件之间通讯丧失、DCS机柜断电也会造成信号invalid。

Invalid信号的产生由0/1层标准接口块实现。每个接口块产生两种invalid信号，一种是AI/DI类型的，用来表征DCS输入信号的质量失效；另外一种是AO/DO类型的，用来表征DCS输出指令信号的质量失效。当0/1层接口块所连接的DCS机柜掉电时，AI/DI/AO/DO信号全部失效。

当AI/DI/AO/DO信号失效时，其默认值可以通过参数（表4/5中的**default value）进行设置，若不设置，则默认维持上一时刻的有效值。

2.3 标准接口块的设备特性计算功能

标准块设置内部变量local，用户通过设置local来选择接口块是否与工艺模型（0层设备）产生真实的信号传递。当local为1时，接口块不发送指令至0层，同样也不接收来自0层的反馈信号，接口块送往1层的反馈信号通过内部计算获得。

MOV1-1的输入针脚OD为1时，阀门开度开始以一定的速率（可设置）增加，当CD为1时，阀门开度以一定速率（可设置）减小。因此，需要在接口块中设置一个变量（阀门行程时间），阀位为指令保持时间的线性函数。

表4 MOV1-1模块的主要内部参数列表Table 4 Main internal parameters list of MOV 1-1 module

表5 AOV9-1模块的主要内部参数列表Table 5 Main internal parameters list of AOV 9-1 module

AOV9-1为调节型气动阀，模块的计算功能包含两个方面：一个是开关状态的计算，另一个是调节状态的计算。开关状态的计算原则见表3。

调节阀类的设备（带有电气转换器），接口块需要增加一个变量，调节速率。调节阀在接受到EP指令后，阀位=原阀位±调节速率*时间，其中“±”的确定需要比较EP指令和原阀位。若EP指令大于原阀位，则符号为“+”，若EP指令小于原阀位，则符号为“-”。

图5 自动变量赋值程序流程示意图Fig.5 Flow chart of automatic variable assignment program

MOV1-1和AOV9-1的主要内部参数设置详见表4和表5。

3 0-1层标准块与1层/0层对点规则

3.1 与1层的变量对点

如表1所示，MOV1-1与1层的接口变量一共有6个，4个信号发送至1层，2个信号从1层接收。将标准块中所有变量名的后缀设置为.swg，将1层控制逻辑块中发送至标准接口块的指令变量名的后缀设置为.l0，将接受0层反馈信号的逻辑块命名为.pnt。

采用“ID+扩展码+后缀”的方式对接口块的输入输出变量进行命名，其中，标准接口块的ID与设备ID相同，需手动填入。由于0-1层接口块使用了代码的方式，这部分工作可由毫无仿真经验的人员完成。下一步工作可以开发程序，通过导入表单的方式，读取excel表单中的ID，类型，分配的图纸名、控制模块名、子程序模块名即可挂在载SimGen的树状节点中，从而自动生成标准接口块的仿真图纸。

接口块与1层之间的变量自动对点程序的流程如图5所示，标准接口块的仿真图纸完成之后，对图纸进行编译，查找初值文件中的后缀为.swg的变量，对其进行字符串处理，生成变量赋值的代码。1层控制逻辑组态图导入仿真平台并编译后，对其初值文件中的接口块（后缀为.l0和.pnt）的变量也进行字符串处理，生成的代码行与标准接口块的代码行进行比对校验。若完全一致，程序无误，可以直接下装；若软件检查出不一致的情况，则需要重新核查标准接口块的仿真图纸以及控制组态源图纸，检查错误。

3.2 与0层的变量对点

由于Rinsim平台0层设备模型的变量名与图纸号有关，而不是单纯的与设备ID相关，因而无法与标准0-1层模块总结出标准的对点规则，所以标准接口块与0层设备的变量传递只能通过图形化建模软件SimGen提供的变量连接符号连接，这个连接为可视化的。

3.3 诊断功能

标准块具有诊断功能，可以自动判断接口块与1层是否有真实的变量传递/赋值。若接口块与1层之间的变量传递/赋值不成功（被中断），则接口块为洋红色。若接口块与1层之间的变量传递/赋值成功，则接口块为正常颜色。

诊断功能可在“装载”仿真程序的时候自动运行，也可通过脚本/菜单选项运行诊断功能。

4 结论

0-1层标准接口仿真模块将执行机构特性、设备与1层控制机柜之间的传递信号综合在一起，并封装为标准块，简化了设备完整控制回路的环节。在此基础上，接口块与1层控制组态逻辑之间的信号传递标准化为固定的变量对点规则，并通过开发程序代码以实现了标准接口块与1层控制组态逻辑之间的信号变量对点，很大程度的提高了对点工作的效率和准确性。

从仿真的工作量划分来看，0-1层标准接口仿真模块的出现，可将一部分简单的绘图工作划分出来给毫无仿真工作经验的人员来完成，甚至可开发程序使用表单导入的方式完成，可将仿真建模的核心工作继续压缩。

0-1层标准接口仿真模块模拟了简单的设备特性，可作为仪控系统单独调试的辅助工具，对控制组态逻辑设计验证工作有非常重要的意义。使得可在没有工艺模型的情况下，调试控制组态逻辑时无需置位设备状态，即可获得合理的设备反馈。这对于多个设备联锁控制逻辑的验证有着非常重要的意义。

另外，标准接口仿真模块还模拟了设备故障特性，可模拟测试单个IO卡件故障，单个机柜掉电等事故，进行单个母线掉电模拟，检查缺省值的设计验证，极大地方便在没有工艺模型的情况下进行控制逻辑设计的验证工作。