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案例頻道★北京廣利核系統工程有限公司馬騰飛，任保華，王桂蘭，彭立，張智慧
★遼寧紅沿河核電有限公司張天元
關鍵詞：算法組態；自動化生成；DCS
DCS（Digital Control System）系統是核電機組的“中樞神經系統”，可實現順序控制、設備保護、參數監控、自動控制等功能，它密切關系到機組的安全運行。我國首個實現商用的自主化核電站數字化控制保護系統即和睦系統（英文名：FirmSys），它由一系列硬件和軟件組成，其中執行安全保護算法功能的應用軟件采用核安全級圖形化算法組態軟件實現。核儀控系統工程師使用算法組態軟件進行工程組態和算法設計，并將保護算法轉換生成等價算法C代碼，最終下裝到核電DCS系統專用控制器中，用于執行安全保護功能。
算法工藝設計圖紙需經過多個流程，才可最終生成可靠的安全級算法組態應用到核電站中。其中間流程算法設計圖生成算法組態，是通過人工繪制的方式進行的，在過程中無法避免地會出現人因錯誤，且對工程設計人員要求較高，因此成為了項目進度的關鍵路徑。項目對算法組態的生成過程提出了降低人因影響、加快項目進度、降低人員成本等要求，因此一種核安全級算法組態自動生成方法成為了解決項目要求的必然選擇。
1 算法組態生成流程（如圖1所示）
核電站項目各個環節必須由具備相關資質的單位完成，算法組態的生成由上游輸入的工藝設計圖紙，經過設計人員繪制成算法設計圖；再經由工程設計人員通過算法軟件以手工繪制的方式實現算法組態，而且為確保準確性，需經過V&V的質量校核，最后生成算法組態文件。
圖1 算法生成流程
當工藝設計圖發生變化時，需要同時對算法設計圖、算法組態同時進行調整，涉及整個流程。
2 自動化工具的需求
隨著核工業的發展，核安全文化深入，行業規模越來越大，以往人工進行設計組態的形式無法滿足項目進度要求，同時符合要求的工程人員不足，無法滿足行業發展的缺口，項目進度與成本越發關鍵，加快項目進度、提升產品質量、減少人因失誤、降低運維成本成為必然要求。更加上算法設計圖與算法組態在外形和布局方面的不一致，提高了手動組態工作的復雜程度，增加了人因失誤。而后續的變更，同樣會加大V&V及現場調試、維護的工作，因此需要對人工繪制算法組態的流程重新進行設計優化。
為保證算法組態的直觀與容易識別，同時考慮驗證方便，在算法組態生成過程中，需要考慮設計圖紙的外觀一致性、位置準確性、邏輯正確性，以及對不同種類的工藝設計圖紙的兼容性、擴展性。
3 產品設計與實現
算法組態的自動生成方法的輸入文件包括：算法設計圖、圖符配置文件和圖符庫，其中圖符配置文件與圖符庫匹配，算法設計圖使用圖符庫進行繪制。輸入文件通過軟件工具轉換為標準中間文件，再通過算法軟件加載為算法組態文件。整體設計如圖2所示。
圖2 整體設計圖
3.1 標準中間文件設計
規范中間文件內容，其包括目前算法組態軟件的所有必需元素。算法組態示意圖如圖3所示。
圖3 算法組態示意圖
算法組態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、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、實例號等。
關鍵信息需要包括以上內容，其文件設計示意圖如圖4所示。
圖4 算法設計文件關鍵信息示意圖
3.2 圖符樣式文件的設計
圖符樣式文件用于算法設計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計圖文件中一致。樣式文件設計示意圖如圖5所示，配置文件中的信息主要包括名稱、樣式標志、類型號、描述信息、長度、寬度、端口信息等。
圖5 樣式文件示意圖
3.3 算法邏輯關系的生成
通過算法設計圖，生成中間文件分為3個步驟：
（1）加載圖符樣式文件，并校驗文件是否符合規則；
（2）加載算法設計圖，通過連線關系得到圖形信息以及圖形間的邏輯關系；
（3）生成標準中間文件（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 算法組態軟件兼容規范
將3.3得到的標準中間文件轉換為算法軟件組態數據，該步驟分為3個步驟：
（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）進行布線，在算法設計圖基礎上，調整連線起始位置，連接對應圖形。
其設計方案如圖7所示。
圖7 生成算法軟件圖形數據
3.5 運行效果
算法設計圖如圖8所示，通過以上方法執行后，自動生成的算法組態如圖9所示。
圖8 算法設計圖
圖9 算法組態圖
4 應用效果
首先，通過精準定義統一的中間文件形式，算法軟件能夠高效解析算法設計圖文件，從中精準地提取出算法組態信息，并生成規范的中間文件。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，算法組態軟件通過兼容這一規范，能夠輕松讀取中間文件，并自動生成對應的算法組態。這一過程中，軟件會利用中間文件的規范性，進行詳盡的校驗，確保設計文件中不存在任何潛在問題。一旦發現問題，系統會立即進行反饋，使設計人員能夠迅速定位并修正錯誤，從而大大提高了設計的準確性和效率。
在生成中間語言的過程中，我們同樣注重規范化的校驗。這種校驗不僅限于語法和邏輯的正確性，還包括對設計文件的完整性、一致性和可維護性的檢查。通過這一步驟，我們能夠確保設計文件的質量，為后續的算法組態生成打下堅實的基礎。
此外，由于中間文件格式的高度規范性，我們可以開發出多種轉化工具，輕松實現設計文件到中間文件的轉換。算法組態軟件只需加載這些中間文件，即可快速生成算法組態。這不僅簡化了操作流程，還提高了整個系統的靈活性和可擴展性。
在算法組態生成后，我們還會經過算法軟件的嚴格檢查、編譯步驟以及V&V等質量校驗，確保算法的正確性和滿足核安全級算法要求。這一系列的措施使得我們的算法組態自動生成方法能夠在核電站等關鍵領域得到廣泛應用。
根據DCS系統工程設計的反饋，這種核安全級算法組態自動生成方法展現出了卓越的性能。它能夠更快更精準地發現設計中的各類錯誤，更快捷地輸出組態算法，有效降低了組態算法中的人因失誤以及邏輯錯誤，大幅提高了工程組態的正確性和設計效率，為核電站的安全運行提供了有力保障。
該方法已經在我國廣東陽江核電站等8座核電站項目中得到了成功應用，并取得了良好的實踐效果。據統計，這些項目累計縮短工期超過600人月，保證了核電機組如期投入生產，創造了可觀的經濟和社會效益。這一成果的取得充分證明了我們的算法組態自動生成方法在實際應用中的有效性和優越性。
5 結論
本文提出了一種核電站算法組態的自動化生成方法，并已在和睦系統中成功應用。在多個實際百萬千瓦級核電項目的應用中，該方法提高了核安全級DCS系統算法組態的生成效率，降低了算法組態中的邏輯錯誤，為工程項目的順利完工提供了有力保障，對其他行業的算法組態自動化提供了借鑒意義。
作者簡介：
馬騰飛（1988-），男，河北人，軟件設計師，學士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事于核電站軟件的研發與設計工作。
摘自《自動化博覽》2024年7月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號