船用核动力数字化可异构运行操控验证系统和验证方法

摘要

本发明提供了船用核动力数字化可异构运行操控验证系统和验证方法，结合数字化技术和仿真组态技术，实现了运行操控盘面数字化和可组态异构，以及参数动态验证的功能；实现了船用核动力运行操控方案的动态、协同验证，提高了验证效率及质量，确保了核动力系统安全、可靠运行。本发明的运行操控验证盘面通过数字化的操控图形组态和虚拟盘台显示，实现了运行操控方案的高效设计、验证及优化，提高了运行操控验证的优化效率。本发明的运行操控系统的复用性程度高，降低了运行操控验证的成本及周期。本发明实现了运行操控验证数据的动态、实时呈现，提高了运行操控验证的效果。

说明书

技术领域

本发明属于虚拟仪器技术领域，具体涉及船用核动力数字化可异构运行操控验证系统和验证方法。

背景技术

核动力是未来浮动电站、破冰船等大型海洋平台的动力推进、供电、海水淡化等的发展趋势。核安全是核动力系统上船面临的首要问题。核动力运行操控是船员与核动力系统进行信息参数显示、操控输入、状态报警的核心手段，承担核动力运行状态信息监视及在事故情况下的安全应急操作，直接影响核动力运行操控的安全性及运行效率。核动力运行操控设备非常复杂，通常有大量指针仪表、报警信号灯、旋转及按钮开关等硬件以工艺流程图形式布置在控制盘台固定位置，基于保证操作员能获取充足的核动力系统运行信息，盘台布置长度可达10-20m，显控元件数量可达数百个。运行操控设计不良将会直接导致核动力运行安全受到威胁。

目前核动力运行操控验证方法是：设计方案→制造木质/塑料等盘台物理模型→盘面仪表及人机界面平面打印/3D打印贴附在盘台物理模型表面→用户静态模拟操作及评估→方案优化→继续多轮迭代→方案确定。经过调研，船用核动力运行操控验证过程通常需要通过8轮左右的迭代，才能基本确定方案，而且还存在运行操控盘台实物样机制作完成后还需要对盘面重新开孔，调整仪表布置的情况。存在的问题分析：(1)基于盘面贴纸模式或3D打印模件的静态数据验证，无法反应核动力系统参数变化、系统耦合关系，无法动态呈现系统状态与联锁关系。(2)运行操控盘台物理模型通常需要多轮制作迭代，设计验证周期较长。(3)木质/铁质物理模型制作成本较高，修改优化过程困难。导致核动力运行操控装置验证存在验证效率低、周期长、成本高的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供船用核动力数字化可异构运行操控验证系统和验证方法，用于实现运行操控盘面数字化和可组态异构，以及参数动态验证的功能。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：船用核动力数字化可异构运行操控验证系统，包括虚拟操控盘、控制装置、采集装置、仿真装置；虚拟操控盘、控制装置、采集装置、仿真装置之间通过网络连接进行通信；虚拟操控盘包括拼接显示屏、红外触控框、工控主机、台体；拼接显示屏固定安装在台体的表面，包括多台紧密排列的显示屏拼接组合成由上至下依次为报警及仪表层、人机界面层、操作层，分别用于显示虚拟操控盘的盘面组态、动态参数，反馈操控交互的状态变化情况；红外触控框安装在操作层的上方，用于输入包括旋钮、按钮、键盘、轨迹球、鼠标的模拟操作器的操控交互信号；拼接显示屏的信号收发端连接工控主机的信号收发端，红外触控框的信号输出端连接工控主机的信号输入端，工控主机安装在台体内部；控制装置用于接收、处理采集装置输入的数据，并将处理后的数据和包括监视、控制、报警的动态参数信号输出给虚拟操控盘，同时根据虚拟操控盘输入的操作信号控制采集装置和仿真装置的运行；采集装置用于采集仿真装置输出的仿真数据和包括显示、报警、控制的动态参数，进行模数转换处理后发送给控制装置，同时处理控制系装置输出的信号并反馈给仿真装置；仿真装置用于根据船用核动力系统的实时动态运行操控数据模拟核动力系统运行的动态过程，并将仿真数据输出给采集装置，同时接收虚拟操控盘反馈的操控信号用于真实反应船用核动力系统运行状态的动态变化和参数耦合关系。

按上述方案，报警及仪表层用于显示包括指针表、光柱表、数显表、光字牌的仪表的图形仿真模型；人机界面层用于提供包括模拟仪表、操作器的外观、色彩、数据的显示方式和操作方式；操作层用于显示包括旋钮、按钮、键盘、轨迹球、鼠标的模拟操作器的图形仿真模型。

按上述方案，显示屏采用窄缝液晶显示屏；工控主机包括第一工控主机、第二工控主机、第三工控主机；报警及仪表层包括两台显示屏，通过HDMI接口连接第一工控主机的HDMI接口；人机界面层包括两台显示屏，通过HDMI接口连接第二工控主机的HDMI接口；操作层包括两台显示屏，通过HDMI接口连接第三工控主机的HDMI接口。

按上述方案，控制装置包括DCS控制器和挂接在通信总线上的I/O处理模块。

按上述方案，采集装置包括工控机、显示器、模拟信号通信模块、数字信号通信模块、空开和熔断器、电源开关。

按上述方案，仿真装置包括服务器、网络交换机、显示器、键盘、鼠标。

按上述方案，还包括运行在仿真装置中的船用核动力工艺系统仿真模型，用于实时动态模拟核动力系统的运行状态变化，并输出工艺系统运行的包括压力、温度、流量、阀门行程、开关的参数信息；船用核动力工艺系统仿真模型包括反应堆及一回路系统工艺仿真模型、二回路及主机系统工艺仿真模型、专设安全系统工艺仿真模型、其他辅助系统工艺仿真模型。

按上述方案，控制装置采用长、宽、高尺寸为600mm×600mm×1500mm的装置柜体；采集装置采用长、宽、高尺寸为600mm×600mm×1500mm的装置柜体；仿真装置采用长、宽、高尺寸为600mm×600mm×1200mm的装置柜体；装置柜体的内侧壁设有模块化的标准安装槽，用于根据待安装设备的尺寸插装安装槽封板；装置柜体的底部设有减震器、进线架、底座。

船用核动力数字化可异构运行操控验证方法，包括以下步骤：

S1：在仿真装置中建立船用核动力工艺系统仿真模型，模拟船用核动力系统运行过程参数的动态变化，并将运行操控需要的包括监视、控制、报警的参数通过网络输出给采集装置；

S2：采集装置对模拟参数信号和数字参数信号进行转换、处理，并将处理后的信号输出给控制装置；

S3：控制装置进行控制算法、保护逻辑运算，并将运算结果输出给虚拟操控盘；

S4：虚拟操控盘通过盘面数字化图形组态、人机界面等进行参数显示、操控交互、报警显示。

进一步的，还包括以下步骤：

S5：对虚拟操控盘上的图形化仿真画面进行包括监视、操控、报警响应的模拟验证，并记录验证结果；

S6：根据验证结果对虚拟操控盘上的图形化仿真画面进行组态修改；

S7：重复步骤S5直至满足要求。

本发明的有益效果为：

1.本发明的船用核动力数字化可异构运行操控验证系统和验证方法，结合数字化技术和仿真组态技术，实现了运行操控盘面数字化和可组态异构，以及参数动态验证的功能；实现了船用核动力运行操控方案的动态、协同验证，提高了验证效率及质量，确保了核动力系统安全、可靠运行。

2.本发明的运行操控验证盘面通过数字化的操控图形组态和虚拟盘台显示，实现了盘面仪表外形、数据、布置位置、盘面尺寸、色彩等要素的高效异构重组，实现了运行操控方案的高效设计、验证及优化，有利于运行操控多方案验证及优化修改；通过快速进行运行操控装置盘面仪表、盘面布置、人机界面方案的设计组态异构和方案迭代优化，提高了运行操控验证的优化效率。

3.本发明的运行操控装置的复用性程度高，不再需要多轮制作设计迭代过程中的物理研制模型，降低了物理验证模型及人员模拟操作评估的消耗，降低了运行操控验证的成本及周期。

4.本发明基于数字化虚拟操控图形组态和虚拟盘台显示、数字化船用核动力工艺系统仿真模型、数字化网络数据通信等技术实现了运行操控验证数据的动态、实时呈现；能够真实反应核动力系统变量的动态变化、耦合关系、应急状态，提高了运行操控验证的效果。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图。

图2是本发明实施例的立体图。

图3是本发明实施例的通信连接及接口原理图。

图4是本发明实施例的仿真模型运行装置图。

图5是本发明实施例的数据采集处理装置图。

图6是本发明实施例的控制装置图。

图中：1.台体顶板；2.拼接显示屏；3.操作台面封板；4.红外触控框；5.台体门；6.台体侧板；7.工控主机；11.装置柜体；12.安装槽封板；13.显示器；14.键盘；15.鼠标；16.网络交换机；17.服务器；18.减震器；19.进线架；20.底座；21.进线槽；22.工控机；23.模拟信号通信模块；24.空开和熔断器；25.电源开关；26.数字信号通信模块；31.DCS控制器；32.I/O处理模块；33.通信总线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，本发明的实施例包括数字化虚拟操控盘、仿真模型运行装置、数据采集处理装置、控制装置等设备；

(1)数字化虚拟操控盘由工控主机、拼接显示屏、红外触控框、台体等组成，外形结构见图2，通信连接及接口原理图见图3。数字化虚拟操控盘采用6台窄缝液晶显示屏进行拼接组合，从高到低划分为报警光字牌和仪表仿真显示层、数字化人机界面仿真显示层、操控仿真层。红外触控框安装在操控仿真层的2台拼接显示屏上方，与操控仿真层的2台拼接显示屏连接在一台工控主机上。

红外触控框用于旋钮、按钮、键盘、轨迹球鼠标等模拟操作器的操控交互信号输入。

基于数字化图形组态技术开发盘面指针表、光柱表、数显表、光字牌等仪表图形仿真模型，开发旋钮、按钮、键盘、轨迹球鼠标等模拟操作器图形仿真模型，模拟仪表、操作器的外观、色彩、数据显示方式、操作方式等。进行数字化虚拟操控盘盘面虚拟组态，并在拼接显示屏中进行显示。

采用数字化虚拟操控盘、集成液晶屏幕拼接技术、红外触控交互技术、盘面数字化图形组态技术，通过图形化模拟船用核动力运行操控盘面布局、动态参数显示输出，实现了操控输入与运行状态变化的动态反馈和快速高效的运行操控盘面组态异构，有利于多方案验证及优化修改。

(2)参见图4，仿真模型运行装置用于船用核动力工艺系统仿真模型(包括反应堆及一回路系统工艺仿真模型、二回路及主机系统工艺仿真模型、专设安全系统工艺仿真模型、其他辅助系统工艺仿真模型等)的运行环境，实时动态呈现船用核动力系统运行操控数据，开发船用核动力工艺系统仿真模型模拟核动力系统运行动态过程，并将仿真运行数据输出到数据采集处理装置，通过数据采集处理装置、控制装置对工艺系统仿真模型数据进行数字与模拟转换、控制算法和保护逻辑计算、数据信号的I/O处理等，向数字化虚拟操控盘输出运行操控验证需要的监视、控制、报警等动态参数信号；接收数字化虚拟操控盘的操控信号反馈，真实反应船用核动力系统运行状态的动态变化、参数耦合关系。

包括服务器、显示器、网络交换机、键盘、鼠标、柜体等，基本尺寸约为600mm(长)×600mm(深)×1200mm(高)。采用模块化的标准安装槽安装形式，可以根据安装设备的不同尺寸，选拆卸特定数量的安装槽封板，方便设备安装和拆卸。

(3)参见图5，数据采集处理装置用于从船用核动力工艺系统仿真模型采集需要显示、报警、控制的参数，并进行数据的模拟与数字化的转换处理；处理控制系统信号并输出反馈到工艺系统仿真模型。主要由装置柜体、工控机、显示器、模拟信号通信模块、数字信号通信模块、空开和熔断器、电源开关、减震器、进线架、底座等组成。基本尺寸约为600mm(长)×600mm(深)×1500mm(高)。

(4)参见图6，控制装置用于模拟控制系统对仿真模型输入的各种信号的控制算法运算、逻辑处理等，并将信号结果输出到数字化虚拟操控盘设备的工控机中。主要由装置柜体、控制器、I/O处理模块、通信总线、减震器、进线架、底座等组成。基本尺寸约为600mm(长)×600mm(深)×1500mm(高)。

本发明通过网络连接实现数据采集处理装置、控制装置及数字化虚拟操控盘之间的数据通信。

本发明实施例的验证方法，包括以下步骤：

S1：建立船用核动力工艺系统仿真模型，安装在仿真模型运行装置中，模拟船用核动力系统运行过程参数动态变化，输出运行操控需要的监视、控制、报警等参数；

S2：仿真模型输出的参数信号通过网络通信输出到数据采集处理装置，对模拟参数信号、数字参数信号等进行转换、处理；

S3：将处理后的信号输出到控制装置，在控制装置中进行控制算法、保护逻辑运算，并将运算结果输出到数字化虚拟操控盘的工控主机中；

S4：在数字化虚拟操控盘上通过盘面数字化图形组态、人机界面等进行参数显示、操控交互、报警显示等。

本发明的开发过程为：

①根据船用核动力运行操控系统初步方案，用图形化仿真组态工具JADE仿真平台的Jdesiger图形组态工具开发指针表、光柱表、数显表、光字牌等仪表图形仿真模型库，开发旋钮、按钮、键盘、轨迹球鼠标等模拟操作器图形仿真模型库。

②利用图形化仿真模型库快速组态出船用核动力运行操控系统方案，包括盘面布局、色彩、参数显示/操控方式等图形化信息。

③开发船用核动力工艺系统仿真模型，利用JADE仿真平台开发核动力反应堆及一回路系统工艺仿真模型、二回路及主机系统工艺仿真模型、专设安全系统工艺仿真模型、其他辅助系统工艺系统仿真模型。工艺系统仿真模型可以集成运行，实时动态模拟出核动力系统的运行状态变化，并输出工艺系统运行的压力、温度、流量、阀门行程、开关等参数信息。

④将船用核动力工艺系统仿真模型部署在仿真模型运行装置中进行运行计算，模拟船用核动力系统运行过程参数动态变化，输出运行操控需要的监视、控制、报警等参数。

⑤仿真模型输出的参数信号通过网络通信输入数据采集处理装置，对模拟参数信号、数字参数信号等进行转换、处理；将处理后的信号输出到控制装置，在控制装置中进行参数的控制算法、保护逻辑运算，并将运行结果输出到数字化虚拟操控盘的工控主机中；

⑥在数字化虚拟操控盘上通过盘面的仿真组态画面、人机界面等进行参数显示、操控交互、报警显示等。

⑦操作员参与运行操控验证过程，对数字化虚拟操控盘上的图形化仿真画面进行监视、操控、报警响应的模拟验证，提出优化修改意见。

⑧根据优化意见对数字化虚拟操控盘上的图形化仿真画面进行高效、快捷组态修改。

⑨重复过程⑦，直到方案满足要求。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。