核电站仪控系统设计研究用软件工具

2014-09-20张瑞萍

自动化仪表 2014年9期

关键词：仪表数据库软件

郭林张瑞萍

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

0 引言

根据核电工程设计中仪控设计与其他专业设计之间的相互协作和联合设计，以及核电工程仪控设计的需要，采用软件工具来进行仪控设计。该设计具有以下特点。

从设计主体上看，早期设计人员在不同方式的协调下，各自设计，传递接口参数，反复讨论修改。随着专业设计的发展，设计人员通常分工合作，在严格的规范中实现快捷的接口数据与成果的交流与共享，极大地提高了人工效率，降低人为因素出错机率。

从设计技术上看，专业的设计软件、管理软件不断发展，通常采用面向共享大型数据库技术，通过局域网或因特网技术，形成跨地域的工作平台;以图形和数据相结合的技术，自动生成设计过程的两维或三维实体或虚拟实现模型，实现对数据流的管理，达到多专业同步集成的目的。

从设计理念上看，智能化设计与管理不断被采用，核电站设计与管理一体化正成为统一的设计理念，涵盖核电站设计、建设、投产及维护管理的全过程。

1 核电站仪控系统设计软件

目前，核电站仪控系统设计中主要有SmartPlant Instrumentation(SPI)、Aveva Instrument以及 LDAD 绘制软件工具这三种仪控系统设计工具[1－6]。现对这三种仪控系统设计工具介绍如下。

1.1 SmartPlant Instrumentation(SPI)

SPI软件框架示意图如图1所示。

图1 SPI软件框架示意图Fig.1 Schematic diagram of SPI software framework

InterGraph的软件SPI是为工厂业主/运营商和工程公司开发的仪表工程应用软件，提供仪控系统设计和仪表管理功能。因为所有的数据都来自相同的数据库，SPI在设计和交付全过程中保持了连贯性，所以SPI管理设计包括用于工厂运行、建设和试车阶段。SPI软件包括通过用标准报告工具和用平铺的电子表格输入简易数据产生生动的设计图形的能力，提供多重的视图。SPI也通过减少重复数据输入来节省工作时间。

SPI是工厂设计生命周期解决方案的组成部分，几乎涵盖了仪表应用的整个领域，而且它能在软件交付时提供用户化数据，例如仪表规格书、电缆表、仪表接线图、仪表回路图、材料清单、安装图以及大量的仪表报告。

1.2 Aveva Instrument

Aveva Instrument仪表模块主要用于输入和维护仪表专业设计和管理信息。Aveva Instrument仪表模块主要用于输入和维护仪表专业设计和管理信息，其功能包括:输入和更新仪表数据;输入和更新仪表子类型数据;编辑电缆接线柜;创建I/O地址;接线盒电缆配线;为配线模板分配I/O;查看编辑电缆信息;定义系统I/O数据;定义控制模式;定义设备模式;定义系统控制单元。

输入的数据经过检验、校审周期后，通过PE软件工具可产生以下可交付文档:仪表数据表或规格书;I/O示意图、回路图;用Business Objects产生的其他报告，例如仪表索引表等。

1.3 LDAD绘制软件工具

中广核设计公司在设计过程中，为提高设计效率、保障设计质量、增强图纸标准化程度并确保仿真验证的准确性，提出了AD/LD辅助制图系统软件的设计需求，由软件开发商进行软件定制开发。此软件工具作为CAD的插件形式外挂到AUTOCAD2004版本及其以上版本使用，具有支持元件库自定义功能，同时把制图中的元件及其属性与确定需要导出的数据表进行一一对应。这为实现AD/LD图元件属性与I/O清单、整定值手册和仪表信息进行相互自动导入导出提供了可能。

2 软件主要功能模块要求

2.1 管理功能模块

通常在采用仪控系统设计软件工具进行设计时，首先要通过系统管理功能模块来完成工程环境的定义和参数的配置。

2.1.1 系统管理

系统管理配置包括数据库安全管理、定义数据库参数、系统管理与域管理的切换以及系统管理的操作功能。

2.1.2 域管理

域管理也可称为业务管理，包括域管理与系统管理的切换和域管理的操作功能。

2.2 基本设计功能模块

2.2.1 仪表控制设备索引模块

仪表控制设备索引模块应能检索所有仪表和控制系统的基础数据以及回路图、线接图。

用户可使用该模块定义工程项目的仪表位号和与其相关的回路号，允许用户制定、修改、维护一个完整的涵盖全部仪表设备的数据库。该模块能提供增加、编辑和删除仪表位号和回路号的手段。所有与设备相关内容，如仪表型号、制造商、P＆ID图纸号、仪表位置、I/O类型、设备名称等均可导入数据库。数据库内容可通过过滤、分类装订等功能进行查阅，按照需要格式进行打印。

2.2.2 工艺数据模块

工艺数据模块可有效定义各种工况及检测对象。过程检测控制仪表类型主要有:流量、温度、压力、液位、控制阀和安全阀等。该模块对上述类型仪表的工艺数据类型均有现成参考表格供选择，也可根据用户要求定义符合用户的格式。这些工艺数据表格可批量制定并与数据库共享。

2.2.3 计算模块

计算模块可根据工艺条件计算流量孔板孔径相关参数、调节阀特性参数等。

计算模块应采用国际上通用的计算标准，如ISA、ANSI、API、ISO 和 IEC 60534－2 －1 等，计算结果可生成计算报告书(可自定义)。

2.2.4 仪表控制设备技术规格书模块

仪表控制设备技术规格书模块可提供详细的仪表技术资料文件，供采购方采购设备或备案。仪表控制设备技术规格书的内容来自数据库，其格式可根据用户要求定义。

2.3 详细设计功能模块

2.3.1 接线图模块

接线图模块应提供从一次仪表至上位机的所有仪表控制设备接线图的定义和管理，包括变送器、接线箱、控制机柜等，最终生成电缆接线。该模块还应包含一些常规仪控设备的接线方式供用户选择。

2.3.2 回路图(原理图)

回路图(原理图)模块是根据预先设定的仪控数据生成正确的仪表、控制系统回路图。回路图涵盖的内容包括回路中的每一个设备及其功能、接线路径、接线方式、DCS数据以及版本号等常规信息。

2.2.3 安装详图模块

安装图纸是仪控设计中出图量较大的一部分，通过该软件可实现对设备安装图中的数据进行在线和离线修改。

安装详图模块可定义所有仪控设备安装详图中的安装数据，并进行管理。最终生成详细安装图、设备安装明细表、材料清单等用户需求的图纸和各种表格。全部数据均纳入数据库统一管理。

3 设计软件比较分析

在以上三种设计软件中，LDAD绘制软件工具作为一种自定义制图插件，并不属于专业化的仪控设计软件，在功能上比较随意，完全根据用户的需求进行定义，且本身为CAD制图软件的插件，具有实现功能的局限性。相比较而言，作为专业化的仪表、控制设计软件，InterGraph公司的SPI和Aveva Instrument均能不同程度地满足设计的要求。两个专业软件的功能比较如表1所示。

表1 SPI与Aveva Instrument软件功能比较Tab.1 Comparison of the software functions of SPI and Aveva Instrument

3.1 管理功能

Aveva Instrument对整个专业的系统管理较弱。由于其模块功能相对简单，设计初始化条件设置过于简化，如只能定义系统I/O数据、控制模式、设备模式、系统控制单元等基本元素;针对更为详细的信息，如核电站设计要求的对仪表和控制系统的划分，包括安全级别划分、设计原则的规定等无法在程序中体现出来。SPI软件可以经过二次开发进行自定义，格式和内容灵活多变。

3.2 设计功能

Aveva Instrument仪表模块只具备输入和维护仪表专业信息的功能，是一个纯数据管理软件。出版相关的仪表数据报或规格书，需借助PE的软件工具Document Wizard来完成;同样，其I/O示意图、回路图也需通过PE的软件工具ASPECT Assistant来完成;仪表索引表则是通过Business Objects实现。由于仪控的图纸文档不是在一个软件中生成，导致设计过程中操作较为复杂;其I/O示意图、回路图的格式较为单一，修改不便。

4 软件二次开发

作为一种专业性较强的应用软件，在初次使用前要做好准备工作，以适应工作中的设计输入和输出条件，完成基本的设计管理任务。在应用基础上，根据工程项目的具体要求，进一步开发是提高软件应用效率的重要方法，同时能够进一步积累应用经验，提出更高的应用需求。

4.1 二次开发内容

为充分发挥软件的功能和促进设计与管理工作的标准化、规范化，更好地体现个性化设计特色，充分利用有效的软硬件资源，提高综合水平，更好地满足用户的需求。二次开发的主要内容如下。

①在一定工程应用和初步设计管理规定的基础上，编制出整套不断完善的严格易行的设计与管理标准化工作程序。这一工作是保证软件长期有效应用的基础性工作，将形成一套制度文件，减少人员流动等人因对工作的影响。另外，工作程序的建立是一个长期的过程，需要在实际应用中不断总结归纳，借鉴其他同类单位的经验，并在应用中及时修正完善。对于不同类型的工程，如核电项目、化工项目、民用工程等，根据不同的特点、规模、行业习惯等因素应有相应不同的具体规定，形成一个逐步完善的工作程序体系。

②建立一个完备的自控仪表及相关材料的选型库。

③应用各类软件适用的工具编辑出满足各种工程项目需求的标准规格书模板。

④建立完善的HOOK-UP图及其他可纳入信息化管理的标准的工程图库。

⑤根据能满足用户及文件资料交换要求的原则进行开发(如汉化模板、汉化报表、双语报表等)。

⑥以已有的软件平台的基本设计与管理功能为基础，进行应用接口开发，如与三维设计软件、电缆敷设软件等之间的接口，逐步推动并实现相关专业间的智能化接口，减轻工作强度、提高效率、减少出错的机会。当条件成熟时，可以进一步引进适用于其他专业的功能模块和更高层次的管理体系。

4.2 开发方式

根据开发的阶段和开发的不同内容，根据软件应用和管理的实际需要，综合考虑成本和效率、专业人员培养和锻炼等多种因素确定适宜的开发方式。根据对SPI与相关软件的应用考察，对同类用户与不同开发者，建议可采用以下几种开发方式。

4.2.1 自主开发

自主开发主要用在初期适应性应用阶段，以实现对基本数据定义、表格等的开发和后期针对不同工程项目的需要，在直接应用者中组织人力进行开发。这种方式有利于提高设计人员的应用水平和软件的推广力度。

4.2.2 合作开发

由直接应用者联合其他专业人员甚至外单位人员共同执行开发计划，完成预期任务。内部合作主要是针对不同工种和其他工程应用软件间的接口开发，充分利用内部资源和合作优势，与各接口专业合作定制合理的需求，联合计算机中心的计算机专业人员共同开发，加强合作，为更高层次的智能化设计与管理体系的建立做好基础工作。合作开发必要时可与外单位专业人员合作，主要是利用更了解或具有该类项目开发经验的计算机IT专业人员优势和借用软件体系方面人员的丰富经验。

4.2.3 外包开发

部分专业技术较强，费时费力且是必要的开发内容，如关系到数据库及系统底层，并与一般设计应用功能直接关联度较小的内容，可以综合评估后，并在明确的软件需求和要求下，外包给专业的开发公司配合完成。该方式主要是借用外来技术，节约开发周期和成本。

4.2.4 采购结合开发

事实上，针对软件应用标准化方面的积累工作也有专门的机构和公司在不断开发与完善。如现有的SPI中国标准模块、自动化仪表设计工程数据库等，已经完成了基本的汉化和基础数据库等工作，完全可以直接采购，通过部分适应性修改和开发即可大大加快应用进程，提高应用水平。