核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)仿真與工程實施

吳 毅 王曉星 胡曉亮 莊 進 曹 暉

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

核電站核電儀控系統(tǒng)，即數(shù)字化儀控系統(tǒng)(digital control system，DCS)，除承擔(dān)電站機組的安全與經(jīng)濟運行等控制任務(wù)以外，還需承擔(dān)重要的電站核安全監(jiān)控與保護任務(wù)［1］。因此，核電站儀控系統(tǒng)具有功能繁多、系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴以及工程周期長等特點，這給新建電站的全范圍模擬機(full scope simulator，F(xiàn)SS)的DCS仿真以及FSS的工程實施帶來了困難。對于這些困難，必須在DCS及FSS工程實施開始前就給予認(rèn)真考慮并妥善解決，否則不但會造成FSS交付進度的延誤，影響電站首次裝料的按期實施;而且也會給FSS的運行維護埋下長期隱患。

根據(jù)核電DCS系統(tǒng)的特點，從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面對幾種DCS仿真方法進行了分析評估，給出了合理仿真的選擇方法，以及實現(xiàn)FSS和DCS工程進度雙贏的實施方案。

1 核電DCS功能結(jié)構(gòu)特點

核電DCS的實現(xiàn)方法與火電DCS系統(tǒng)類似，也是基于滿足實時控制要求的工業(yè)計算機與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、圖形顯示技術(shù)，以及對過程控制與保護算法、I/O、流程畫面、報警及運行規(guī)程等的自動組態(tài)編程技術(shù)而實現(xiàn)的［2］。

由于核電站的特殊性，核電DCS的設(shè)計與實施，尤其是安全級DCS系統(tǒng)的設(shè)計與實施，必須滿足單一故障、故障安全、冗余、獨立性、多樣性、可試驗性及可靠性等7大安全準(zhǔn)則［3］。核安全方面的嚴(yán)格要求，決定了核電站DCS具有功能繁多、體系龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴及工程實施周期很長等不同于其他領(lǐng)域DCS的特點。

整個儀控系統(tǒng)一般分為以下3個層次:0層為過程一次儀表、執(zhí)行機構(gòu)及被控設(shè)備接口層;1層為DCS控制與保護層(分安全級與非安全級)，其基本由DCS控制器(distributed process unit，DPU)及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備組成;2層為控制室人機接口設(shè)備層(某些系統(tǒng)也分為安全、非安全級)，其主要由控制室內(nèi)的DCS操作員站(以下簡稱OPS)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、計算機服務(wù)器及常規(guī)備用盤等組成。

對于這種以計算機及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的功能龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的儀控系統(tǒng)，僅采用以往基于設(shè)計院的控制邏輯與調(diào)節(jié)原理圖的原理性仿真方法，是遠遠達不到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對核電FSS的仿真逼真度要求的，尤其是其中的DCS部分。因此，核電FSS一般都采用直接或間接利用實際DCS工程實施所生成的DCS組態(tài)結(jié)果的高逼真度仿真方法。典型的核電儀控系統(tǒng)(包括DCS)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型核電儀控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical architecture of the instrument and control system for nuclear power

2 核電DCS的仿真方法

與火電DCS的仿真類似，核電DCS也主要有激勵式、軟激勵式和虛擬分散處理單元DPU這3種仿真方法。為緩解FSS優(yōu)先于參考機組運行所需交付的進度壓力，在具體工程實施時，核電FSS可能還會臨時采用上述直接基于設(shè)計院的控制邏輯與調(diào)節(jié)原理圖的功能原理性仿真方法。

2.1 激勵式仿真方法

在仿真技術(shù)中，激勵式仿真［4］指直接采用控制系統(tǒng)或控制室系統(tǒng)實際設(shè)備的軟硬件，與被DCS控制或監(jiān)視的仿真對象(即仿真數(shù)學(xué)模型)結(jié)合組成仿真系統(tǒng)。此時，被仿真的DCS設(shè)備與實際設(shè)備一樣，兩者的區(qū)別在于，仿真采集的信號來自過程實時仿真數(shù)學(xué)模型計算機。其發(fā)出的控制保護指令也被過程實時仿真數(shù)學(xué)模型所接收，并通過仿真計算反饋實時的響應(yīng)，由此形成閉環(huán)，以實現(xiàn)對參考機組全工況的動態(tài)實時仿真。

激勵式仿真的最大特點是逼真度高，但由于1層DCS控制系統(tǒng)的DPU數(shù)量眾多，與FSS的工藝過程實時仿真數(shù)學(xué)模型接口需要大量額外的接口卡，因此總體費用非常高，且存在FSS的某些特有功能(如IC存載、回溯、回放等)難以實現(xiàn)等諸多問題。因此該方法幾乎不用于FSS對DCS控制器(DPU)的仿真，而主要用于對控制室中DCS操作員站及其支持系統(tǒng)的仿真。

2.2 軟激勵式仿真方法

在仿真技術(shù)中，軟激勵式仿真(virtual simulation)集中將圖1中的1層實際DCS系統(tǒng)中分散于各控制器(DPU)的組態(tài)代碼及算法塊可執(zhí)行代碼移植到一個通用計算機，并在這個通用計算機中為每個控制器組態(tài)及算法塊可執(zhí)行代碼分別創(chuàng)建一個虛擬的運行環(huán)境，即若干個虛擬子機。這樣既從邏輯上保留了實際控制系統(tǒng)控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，又從組態(tài)代碼、算法代碼及軟硬件結(jié)構(gòu)方面最大程度地保證了逼真度。由于這些虛擬子機在主機內(nèi)是以線程或進程形式存在的，通過在虛擬主機支持軟件上加一層外殼，以及開發(fā)虛擬主機與FSS主機(過程實時仿真模型計算機)的實時通信接口，即可按FSS主機的要求實現(xiàn)對虛擬機內(nèi)的各虛擬子機的統(tǒng)一實時調(diào)度與執(zhí)行(盡管各虛擬子機計算調(diào)度周期可能與實際控制器計算周期相同)。

軟激勵式仿真的最大特點是借助主“虛擬機”，這樣既保證了最高的逼真度，又省去了1層DCS控制器等大量硬件成本。若虛擬機外殼開發(fā)應(yīng)用得當(dāng)，可確保FSS特有功能，例如，IC創(chuàng)建與存儲裝載、凍結(jié)、回溯等功能的實現(xiàn)。該方法對過程實時仿真模型的精度要求很高，在DCS實際組態(tài)中，經(jīng)過現(xiàn)場機組調(diào)試后，又可以利用它對過程模型進行精調(diào)。

2.3 虛擬DPU仿真方法

虛擬 DPU 方法［5］，俗稱“翻譯”的方法，DPU 在此即為圖1中1層DCS控制器(DPU)。它主要將導(dǎo)入實際DCS控制器的DCS工程師站組態(tài)文件也直接導(dǎo)入過程仿真系統(tǒng)的實時運行環(huán)境中，即通過專門開發(fā)的翻譯工具對實際DCS的組態(tài)文件及數(shù)據(jù)庫進行翻譯，找出對所有控制算法塊的調(diào)用關(guān)系，并自動與事先專門開發(fā)好的第三方(一般是FSS廠家)DCS仿真算法模塊庫連接。通過代碼編譯、鏈接，生成直接運行于過程仿真實時環(huán)境中“仿真”的DPU可執(zhí)行代碼。

虛擬DPU的最大特點是，其仿真或虛擬的DPU程序的運行完全受仿真主機的控制;在組態(tài)邏輯關(guān)系、控制策略及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，它能基本反映實際DCS控制器的組態(tài)邏輯、控制功能及系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但虛擬DPU的控制算法不一定與實際DCS一致，由此可能需要對實際DCS的控制參數(shù)作某些調(diào)整。

該方法首次使用成本較高，但隨著應(yīng)用的廣泛開展，它將是性價比較高的一種方法。當(dāng)某些復(fù)雜功能算法塊的仿真算法問題解決后，該方法同樣可用于對2層控制室系統(tǒng)的仿真。它現(xiàn)已在火電FSS的虛擬OPS中取得良好的效果，同時在采用傳統(tǒng)儀控系統(tǒng)的核電FSS的PPC仿真子系統(tǒng)中取得了滿意的效果。

2.4 功能原理性仿真方法

功能原理性仿真方法利用FSS廠家自有的控制系統(tǒng)仿真建模工具，根據(jù)設(shè)計院編制的邏輯控制和調(diào)節(jié)原理圖，生成參考機組儀控系統(tǒng)的邏輯控制及調(diào)節(jié)功能仿真程序，對機組的儀控系統(tǒng)進行功能原理性仿真。同樣地，對于2層的控制室系統(tǒng)，在得到設(shè)計院的相應(yīng)設(shè)計輸入后，也可采用這種方法。該方法生成的仿真程序同樣運行于過程實時仿真運行環(huán)境，其行為完全受仿真主機控制。但由于缺乏實際的DCS組態(tài)等信息，其逼真度與前3種方法存在較大差距。

2.5 仿真方法比較與選擇

前述激勵式、軟激勵式及虛擬DPU仿真方法都能確保DCS的仿真逼真度，但這都是以直接或間接利用實際DCS軟硬件(激勵式)、軟件(軟激勵式)或組態(tài)結(jié)果(虛擬DPU)為條件的。從FSS特有功能的角度來看，這3種方法都存在各自的缺陷。各種DCS仿真方法的優(yōu)缺點比較如表1所示。表1從仿真逼真度、FSS特有功能可實現(xiàn)程度、可集成性、升級維護、性價比等幾方面，對上述3種方法的5種組合方案的優(yōu)缺點進行概括。不同的組合方案，其逼真度、FSS特有功能運行特性、可集成性、升級維護及性價比不同。

表1 各種DCS仿真方法優(yōu)缺點比較表Tab.1 Comparison of the advantages/disadvantages of various DCS simulation methods

從表1中的綜合比較結(jié)果來看，在具體選擇仿真技術(shù)方案時，應(yīng)首選虛擬OPS+虛擬DPU，其次是激勵OPS+虛擬DPU，再次是激勵OPS+軟激勵DPU的仿真方法。

在采用激勵或軟激勵方法時，務(wù)必要注意強調(diào)FSS特有功能的實現(xiàn)，尤其是IC的存儲及可編輯功能的實現(xiàn)。其次是要注意虛擬主機與仿真主機的實時調(diào)度周期等的同步問題。而在成本控制方面，應(yīng)注意激勵OPS及軟激勵DPU方法，由于DCS廠家的價格壟斷，其性價比很低。

在采用虛擬DPU或虛擬OPS方法時，則應(yīng)強調(diào)某些特殊控制算法塊或性能算法塊的正確性和精確性。在方案擬定前，必須明確提出對其算法精度的要求;同時，也需明確提出對DCS總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確“虛擬”。

3 核電DCS工程實施特點

為確保核電FSS對DCS的仿真逼真度，避免DCS仿真部分的二次開發(fā)，在總體集成測試階段，F(xiàn)SS必須采用直接或間接利用實際DCS經(jīng)出廠驗收測試后的工程組態(tài)結(jié)果的方法將DCS仿真部分集成，以盡量減少后續(xù)測試的工作量、提高集成測試的效率、確保FSS按期交付。但核電DCS(尤其是安全級及安全相關(guān)級)的工程實施，從初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、系統(tǒng)集成與工廠測試，直到出廠驗收等各個環(huán)節(jié)，都需經(jīng)過嚴(yán)格的驗證與確認(rèn)［6］(verification and validation，V＆V)，核電DCS的工程實施流程示意圖如圖2所示。這是一個十分漫長的過程，加上受DCS上游環(huán)節(jié)的工程進度制約，其實際工程進度很難滿足上述FSS集成對DCS組態(tài)結(jié)果提交進度的要求［7］，這就給FSS的總體交付進度帶來極大風(fēng)險。

圖2 工程實施流程示意圖Fig.2 Flowchart of the engineering implementation

4 核電FSS工程實施方案

核電FSS的具體工程實施方案分為被動性方案和主動性方案兩種［8－11］。

①被動性方案，即FSS對機組DCS的仿真，先臨時采用上述功能原理仿真法。該方法是唯一不受實際DCS進度制約的方法，但其逼真度低，在某些方面甚至不能達到核電運行操作人員培訓(xùn)及取照對逼真度的要求。因此，在擬定具體工程實施方案時，只能將該方法作為緩解上游DCS工程進度壓力的臨時措施，即為滿足機組裝料前1年交付的要求，先向用戶提交采用這種仿真方法實現(xiàn)的臨時版本用于用戶預(yù)培訓(xùn)，或?qū)⒃撆R時版本暫時與FSS工藝過程模型集成，以滿足模型測試的進度要求;再根據(jù)上游DCS工程進展情況，結(jié)合用戶培訓(xùn)計劃，在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)υ摬糠诌M行激勵式或虛擬DPU式最終版本的替換升級。

②主動性方案，即把FSS的工程實施與實際DCS的工程實施進行有機結(jié)合，尤其是兩者集成階段之后的測試活動的有機結(jié)合。某些核電工程案例已經(jīng)表明［7］，在FSS的集成測試階段，實際DCS僅能夠向FSS提供DCS雖已集成但未經(jīng)工廠測試的組態(tài)結(jié)果。這恰好為兩者的有機結(jié)合提供了有利條件和有效途徑。主動性方案既可以避免FSS因消極等待實際DCS最終組態(tài)結(jié)果而延誤交付;又可突破目前實際DCS工程測試與驗證只能基于靜態(tài)開環(huán)測試的局限，使得許多只有在現(xiàn)場調(diào)試階段才能發(fā)現(xiàn)的DCS控制邏輯組態(tài)或控制算法問題，在FSS及DCS的工廠測試、出廠驗收測試過程中就被提前發(fā)現(xiàn)和解決。這將大大減輕后續(xù)實際DCS現(xiàn)場調(diào)試階段的壓力。

5 結(jié)束語

為解決仿真逼真度問題，核電FSS對參考機組DCS的仿真，需采用直接或間接利用實際DCS工程實施結(jié)果的方法，這給FSS帶來了DCS的可集成性、仿真運行性能、成本造價及交付進度等新問題。本文所給出的分析結(jié)論及解決思路，既可為新建核電站FSS的DCS仿真及實施方案選擇提供有益的參考，也可為提高核電DCS的測試效率提供新的方法與思路。而如何在核電FSS與DCS工程實施之間建立更加有效的雙向反饋及雙贏機制［12－13］，是需要進一步研究的課題。

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