★北京广利核系统工程有限公司马腾飞，任保华，王桂兰，彭立，张智慧

★辽宁红沿河核电有限公司张天元

关键词：算法组态；自动化生成；DCS

DCS（Digital Control System）系统是核电机组的“中枢神经系统”，可实现顺序控制、设备保护、参数监控、自动控制等功能，它密切关系到机组的安全运行。我国首个实现商用的自主化核电站数字化控制保护系统即和睦系统（英文名：FirmSys），它由一系列硬件和软件组成，其中执行安全保护算法功能的应用软件采用核安全级图形化算法组态软件实现。核仪控系统工程师使用算法组态软件进行工程组态和算法设计，并将保护算法转换生成等价算法C代码，最终下装到核电DCS系统专用控制器中，用于执行安全保护功能。

算法工艺设计图纸需经过多个流程，才可最终生成可靠的安全级算法组态应用到核电站中。其中间流程算法设计图生成算法组态，是通过人工绘制的方式进行的，在过程中无法避免地会出现人因错误，且对工程设计人员要求较高，因此成为了项目进度的关键路径。项目对算法组态的生成过程提出了降低人因影响、加快项目进度、降低人员成本等要求，因此一种核安全级算法组态自动生成方法成为了解决项目要求的必然选择。

1　算法组态生成流程（如图1所示）

核电站项目各个环节必须由具备相关资质的单位完成，算法组态的生成由上游输入的工艺设计图纸，经过设计人员绘制成算法设计图；再经由工程设计人员通过算法软件以手工绘制的方式实现算法组态，而且为确保准确性，需经过V&V的质量校核，最后生成算法组态文件。

图1 算法生成流程

当工艺设计图发生变化时，需要同时对算法设计图、算法组态同时进行调整，涉及整个流程。

2　自动化工具的需求

随着核工业的发展，核安全文化深入，行业规模越来越大，以往人工进行设计组态的形式无法满足项目进度要求，同时符合要求的工程人员不足，无法满足行业发展的缺口，项目进度与成本越发关键，加快项目进度、提升产品质量、减少人因失误、降低运维成本成为必然要求。更加上算法设计图与算法组态在外形和布局方面的不一致，提高了手动组态工作的复杂程度，增加了人因失误。而后续的变更，同样会加大V&V及现场调试、维护的工作，因此需要对人工绘制算法组态的流程重新进行设计优化。

为保证算法组态的直观与容易识别，同时考虑验证方便，在算法组态生成过程中，需要考虑设计图纸的外观一致性、位置准确性、逻辑正确性，以及对不同种类的工艺设计图纸的兼容性、扩展性。

3　产品设计与实现

算法组态的自动生成方法的输入文件包括：算法设计图、图符配置文件和图符库，其中图符配置文件与图符库匹配，算法设计图使用图符库进行绘制。输入文件通过软件工具转换为标准中间文件，再通过算法软件加载为算法组态文件。整体设计如图2所示。

图2 整体设计图

3.1　标准中间文件设计

规范中间文件内容，其包括目前算法组态软件的所有必需元素。算法组态示意图如图3所示。

图3 算法组态示意图

算法组态是由各种图元组合而成的，图元类型包括变量图元、算法图元、连线图元：

（1）变量图元：输入变量、输出变量、中间变量、常量；

（2）（2）连线图元：正向连线图元、反向连线图元；

（3）算法图元：各种算法类型的图元。

基本图元信息包括ID号、位置、大小、名称、输入/输出端口等，各种图元又包含其种类特殊的属性，例如：

（1）变量图元：变量名称、变量类型；

（2）连线图元：线类型；

（3）算法图元：名称、类型、实例号等。

关键信息需要包括以上内容，其文件设计示意图如图4所示。

图4 算法设计文件关键信息示意图

3.2　图符样式文件的设计

图符样式文件用于算法设计图中各种元素的显示，须保证图元在算法软件中显示与算法设计图文件中一致。样式文件设计示意图如图5所示，配置文件中的信息主要包括名称、样式标志、类型号、描述信息、长度、宽度、端口信息等。

图5 样式文件示意图

3.3　算法逻辑关系的生成

通过算法设计图，生成中间文件分为3个步骤：

（1）加载图符样式文件，并校验文件是否符合规则；

（2）加载算法设计图，通过连线关系得到图形信息以及图形间的逻辑关系；

（3）生成标准中间文件（xml格式）。

得到的中间文件格式如图6所示。

图6 中间文件

3.4　算法组态软件兼容规范

将3.3得到的标准中间文件转换为算法软件组态数据，该步骤分为3个步骤：

（1）将中间文件中算法块的图形解析为算法软件中的算法块图元；

（2）将中间文件中的变量图形解析为算法软件中的变量图元；

（3）进行布线，在算法设计图基础上，调整连线起始位置，连接对应图形。

其设计方案如图7所示。

图7 生成算法软件图形数据

3.5　运行效果

算法设计图如图8所示，通过以上方法执行后，自动生成的算法组态如图9所示。

图8 算法设计图

图9 算法组态图

4　应用效果

首先，通过精准定义统一的中间文件形式，算法软件能够高效解析算法设计图文件，从中精准地提取出算法组态信息，并生成规范的中间文件。这种中间文件不仅承载了算法的核心逻辑，还具备高度可移植性。

然后，算法组态软件通过兼容这一规范，能够轻松读取中间文件，并自动生成对应的算法组态。这一过程中，软件会利用中间文件的规范性，进行详尽的校验，确保设计文件中不存在任何潜在问题。一旦发现问题，系统会立即进行反馈，使设计人员能够迅速定位并修正错误，从而大大提高了设计的准确性和效率。

在生成中间语言的过程中，我们同样注重规范化的校验。这种校验不仅限于语法和逻辑的正确性，还包括对设计文件的完整性、一致性和可维护性的检查。通过这一步骤，我们能够确保设计文件的质量，为后续的算法组态生成打下坚实的基础。

此外，由于中间文件格式的高度规范性，我们可以开发出多种转化工具，轻松实现设计文件到中间文件的转换。算法组态软件只需加载这些中间文件，即可快速生成算法组态。这不仅简化了操作流程，还提高了整个系统的灵活性和可扩展性。

在算法组态生成后，我们还会经过算法软件的严格检查、编译步骤以及V&V等质量校验，确保算法的正确性和满足核安全级算法要求。这一系列的措施使得我们的算法组态自动生成方法能够在核电站等关键领域得到广泛应用。

根据DCS系统工程设计的反馈，这种核安全级算法组态自动生成方法展现出了卓越的性能。它能够更快更精准地发现设计中的各类错误，更快捷地输出组态算法，有效降低了组态算法中的人因失误以及逻辑错误，大幅提高了工程组态的正确性和设计效率，为核电站的安全运行提供了有力保障。

该方法已经在我国广东阳江核电站等8座核电站项目中得到了成功应用，并取得了良好的实践效果。据统计，这些项目累计缩短工期超过600人月，保证了核电机组如期投入生产，创造了可观的经济和社会效益。这一成果的取得充分证明了我们的算法组态自动生成方法在实际应用中的有效性和优越性。

5　结论

本文提出了一种核电站算法组态的自动化生成方法，并已在和睦系统中成功应用。在多个实际百万千瓦级核电项目的应用中，该方法提高了核安全级DCS系统算法组态的生成效率，降低了算法组态中的逻辑错误，为工程项目的顺利完工提供了有力保障，对其他行业的算法组态自动化提供了借鉴意义。

作者简介：

马腾飞（1988-），男，河北人，软件设计师，学士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事于核电站软件的研发与设计工作。

摘自《自动化博览》2024年7月刊