基于LabVIEW的SIP系统仿真的设计与实现

基于LabVIEW的SIP系统仿真的设计与实现

将虚拟仪器的概念引入大亚湾核电站的SIP系统的仿真，利用计算机仿真技术参与其系统设计有助于缩短设计周期，降低设计费用和提高设计质量，基于这些优点利用LabVIEW进行了SIP系统的虚拟仿真设计，目前已经取得了预期的效果，主要以SIP系统的RCP10通道为例进行详细地仿真设计介绍。 

    关键词： SIP系统； 虚拟仪器； 系统仿真

    过程仪表系统（法文简称SIP系统）作为核岛系统的一部分，其作用是接收来自现场过程测量仪表的模拟信号（包括压力、水位、流量、温度、转速等），然后根据设计要求对现场模拟信号进行处理，再送到相关系统和设备进行显示、记录和处理。从一定意义上讲，SIP系统在仪控系统中处于承上启下的地位。SIP系统的故障是隐蔽的，但是，SIP作为反应堆广义保护系统的一个重要组成部分，其故障将直接威胁到核电站的安全和正常运行。为了及时发现故障以保证SIP系统的可用性，必须对SIP系统进行定期试验。而原有的定期试验装置（SACMO试验台）已经老化且无备件生产，给试验和维修工作带来不便，因此，开发新型的定期试验装置是非常紧迫和关键的。 

    由于SIP系统长期处于运行状态，无法给新开发的试验装置提供环境试验，而又因为系统通道和所需的硬件板件非常多，所以不适合对SIP系统作硬件实物仿真，故最终采用计算机仿真SIP系统。这种仿真方法常用于系统的方案设计阶段和某些不适合作实物仿真的场合（包括某些故障模式），其特点是重复性好、精度高、灵活性大、使用方便、成本较低，可以是实时的、也可以是非实时的。这样更加方便了新型定期试验装置的开发，计算机仿真的环境采用的是LabVIEW开发环境。为了验证最终开发的软件仿真系统的准确性，首先搭建了SIP系统中RCP10的部分硬件回路，接着用SACMO试验台分别向新开发的SIP软件系统和硬件仿真系统注入信号，比对试验结果，这些都为研发新型的定期试验装置提供了试验依据。 

1 LabVIEW简介 

    LabVIEW是美国NI公司的产品,是一个功能完整的软件开发环境，同时也是一种功能强大的编程语言^[1]，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析和数据显示领域。LabVIEW采用图形编程语言以方框图的方式来生成程序行。与其他仿真软件相比更加直观、生动，易于上手且方便修改。本课题根据模型，编写了系统仿真模块，仿真模块主要包括惯性环节和超前滞后环节等时间参数的动态环节、XU动作输出环节等。只需将动态环节的传递函数数字化就可以对整个系统进行计算机仿真建模。 

2 SIP系统仿真结构 

    SIP仿真系统有模拟量的输入以及模拟量和数字量输出，本仿真系统结构如图1所示。系统主要采用了1台计算机和2块NI的板卡来实现，即PCI6289和6733。PCI6733有8路AO，M系列板卡PCI6289有32路AI和48路DI，而对于每个通道回路中最多有6路AI，8路AO以及12路DI[2]。其中计算机仿真部分只需仿真回路通道中的处理计算模块即动态模块(如微分、超前、滞后、滤波等时间参数模块）和阈值模块即可。 

3 SIP仿真系统的RCP10的部分回路 

    SIP系统的通道的处理计算模块基本上都是相似的，动态参数模块只是时间常数不一样，XU阈值模块只是动作值和复位值不一样。本文以最为复杂的RCP10部分回路为例进行了软件仿真设计，并用SIP系统中实际运行的板件搭建了此回路作为硬件仿真系统，来验证软件仿真设计的正确性，图2为RCP10的部分回路简图，其中一个方框图代表的是用于一个功能的板件。 

    图中,458CC、483CC、448CC、446CC、495CC和447CC都是SIP系统RCP10通道的输入开关节点， FI和MT都为时间参数动态环节，AM、GD与ZO为静态环节，即与时间参数无关，只与输入量有关。本文着重对动态环节仿真进行详细描述，PT点和XU都为SIP仿真系统的输出节点， PT为模拟量输出，XU为数字量输出。在系统仿真中，一些动态环节只知道其传递函数，而系统采集的值是离散的，即不是连续的数据，故要将其量化为差分方程，这样便于仿真与程序设计。 

    (1) 滤波器FI模块 

    滤波器模块传递函数为 微分方程为：差分方程为:FI环节此时刻的输出值取决于上一时刻的输入和输出值。 

    当有一个初值注入时，即X(t)=U(t)，y值会有一个阶跃响应，具体理论推导如下:由此可见，当t→∞时，y(t)=U(t)。 

    (2) 超前滞后MT模块 

    超前滞后模块传递函数为微分方程为:差分方程为：MT环节此时刻的输出值取决于上一时刻的输入和输出值以及此时刻的输入。 

    当有一个初值注入时，即X(t)=U(t)，y值会有一个阶跃响应，具体理论推导如下:由此可见，当t→∞时，y(t)=U(t)，故应给系统一段时间来稳定，待系统稳定后可再进行下一步的运算。 

    根据已经建立的RCP10通道部分回路的软件仿真模型，用SACMO试验台里的部分试验步骤分别向SIP软件仿真系统和原有板件搭建的硬件仿真系统注入信号，其试验结果如表1所示。 

    这两步试验表示495CC、483CC、446CC分别注入定值信号，而448CC注入的一个初值信号，等待一段时间待MT环节稳定之后，再接着注入斜波信号，表格中的3列结果是XU动作时刻的斜波信号的值，其中软仿真结果和硬仿真结果是多次试验结果的值。由表1可见，软仿真结果与理论值的误差在范围之内，证明NI板卡仿真符合精度要求的结果;而软仿真结果与硬仿真结果的误差也在要求范围之内，说明软仿真的数学公式是完全正确的。故采用软仿真来模拟整个SIP系统是可行的。 

    软件仿真的特点在于它实现起来比较方便，不受很多外在条件的约束，而LabVIEW的特点在于它的模块化结构，因此这对程序本身的改进就有重要的意义。通过仿真的结果，初步的分析可以认为LabVIEW对系统仿真与分析简便、直观、有效。而对于大亚湾的这些大型系统中，系统搭建比较复杂而且不具备条件，故对系统进行计算机仿真是可行的，具有实现简单，操作方便等优点。相信在将来可以将更多的计算机仿真系统应用于实际平台中。 

参考文献 

[1] 杨乐平，李海涛 赵勇.LabVIEW高级程序设计. 北京:清华大学出版社，2003. 

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