核電廠模擬機DCS仿真技術(shù)研究

俞士平+常文杰+王劍+譚虎成

摘要：隨著DCS（分散控制系統(tǒng)）在核電行業(yè)的普及和模擬機在電廠重要性的提升，如何選擇DCS模擬機的仿真方案已成為仿真開發(fā)商和模擬機維護人員關(guān)注的焦點。文章結(jié)合國內(nèi)核電模擬機的工程實踐，對其仿真DCS系統(tǒng)的實現(xiàn)形式和關(guān)鍵技術(shù)進行了闡述，提出了選擇合適的仿真方案能夠建立實用、可靠和先進的仿真環(huán)境，實現(xiàn)仿真DCS的控制邏輯功能。

關(guān)鍵詞：DCS；模擬機；編譯轉(zhuǎn)換；核電廠；仿真技術(shù)

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）27-0028-03

目前，我國核電站的發(fā)展堆型是以百萬級大機組為主，無論是以M310為基礎(chǔ)改進形成的二代半壓水堆CPR1000及CP1000，還是直接引進了三代堆技術(shù)AP1000和EPR，這四種堆型在國內(nèi)都有項目在實施，而且會成為我國一定時間內(nèi)的主流堆型。這些大機組的特點是都實施了數(shù)字化儀控系統(tǒng)，提高了機組生產(chǎn)的安全性和可靠性。作為核電站的重要培訓(xùn)設(shè)施，數(shù)字化模擬機在操縱員的培訓(xùn)和取證考試以及真實DCS系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化方面發(fā)揮著十分重要的作用。這樣一來，如何從性能、成本等多方面因素綜合考慮仿真方案開發(fā)數(shù)字化模擬機成為電站模擬機維護人員關(guān)注的重點。

1 DCS仿真的實現(xiàn)方式

與常規(guī)硬盤臺模擬機不同，數(shù)字化儀控模擬機（DCSFSS）設(shè)計開發(fā)時不僅要考慮電廠工藝系統(tǒng)的模擬，還要考慮DCS在全范圍模擬機中的實現(xiàn)方案，目前核電站模擬機DCS仿真主要有三種形式：純模擬（Simulation）、虛擬實物模擬（Emulation）、實物模擬（Stimulation）。

1.1 純模擬（Simulation）

純模擬，使用模擬機開發(fā)環(huán)境下的建模技術(shù)來復(fù)現(xiàn)參考機組的系統(tǒng)或子系統(tǒng)。被仿真的系統(tǒng)的性能和逼真度滿足基于參考機組設(shè)計和運行數(shù)據(jù)而規(guī)定的功能和運行限定。純模擬仿真機的實現(xiàn)方式主要有兩種：一種是由DCS仿真開發(fā)商使用仿真平臺下的建模軟件，根據(jù)真實機組DCS組態(tài)資料（I/O清冊、控制邏輯以及HMI人機接口圖形界面等）重新開發(fā)組態(tài)數(shù)據(jù)供模擬機使用，這一過程包括仿真DCS部件庫的建立、控制邏輯程序的編制、圖形界面的繪制及動態(tài)定義等幾個步驟。另一種是DCS仿真開發(fā)商利用成熟的工程翻譯軟件將真實機組DCS的組態(tài)數(shù)據(jù)翻譯成可供模擬機使用的數(shù)據(jù)后，再與工藝系統(tǒng)的仿真模型進行集成。而前一種方式生成的仿真DCS軟件其可逼真度相對較低，且前期開發(fā)時間較長，一般不建議考慮用該方式進行純模擬DCS仿真機的開發(fā)。

1.2 實物模擬（Stimulation）

實物模擬，在模擬機中使用電站的真實系統(tǒng)或子系統(tǒng)的真實硬件和軟件來復(fù)現(xiàn)參考機組的相應(yīng)系統(tǒng)或子系統(tǒng)。通常是簡略現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)，采用真實DCS的硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的適當或最小配置，再現(xiàn)DCS。由于真實機組的DCS一般都是由多個廠家供貨，各層級結(jié)構(gòu)之間較為復(fù)雜，采取此種方式一般要解決大量的數(shù)據(jù)通信及同步問題。所以雖然實物模擬具有很高的軟硬件逼真度，但是軟硬件實現(xiàn)成本很高，與電廠工藝系統(tǒng)模型層之間的接口復(fù)雜。

1.3 虛擬實物模擬（Emulation）

虛擬實物模擬，特指通過將電站的系統(tǒng)或子系統(tǒng)的軟件移植到模擬機運行環(huán)境下工作，其硬件平臺可以是模擬主機，也可以是獨立的計算機，來復(fù)現(xiàn)參考機組的系統(tǒng)或子系統(tǒng)。一般是通過計算機來虛擬仿真控制處理機（CP）、現(xiàn)場總線組件以及通信接口組件等硬件設(shè)備，而將真實機組的DCS組態(tài)數(shù)據(jù)和程序移植到仿真平臺下，虛擬CP直接使用實際DCS組態(tài)文件，不需要再進行編譯轉(zhuǎn)換操作。虛擬實物模擬的系統(tǒng)或子系統(tǒng)的性能和物理逼真度與參考機組的系統(tǒng)或子系統(tǒng)是完全相同的。

1.4 模擬機DCS仿真方式的組合

由于核電廠基于技術(shù)、設(shè)備及安全的多樣性原則，其DCS存在安全級和非安全級之分，所以，實際情況下現(xiàn)場設(shè)備可能不是同一個供貨商提供，而模擬機仿真DCS往往也是靠上述某種模擬方案或幾種模擬方案組合來實現(xiàn)的。因此針對不同的數(shù)字化核電廠，其全范圍模擬機中對這部分的處理會存在很大差別，但總體上都需要滿足模擬機標準的要求。

根據(jù)電站真實DCS的功能要求和層級劃分，DCS模擬機一般劃分為三個處理層級：工藝系統(tǒng)仿真模型層（Level 0）、過程控制層（Level 1）、人機界面層（Level 2），所有模擬機的工藝模型層的仿真無疑都是采取Simulation方式，而在已實施的DCS模擬機項目中，仿真方案的差異也主要是體現(xiàn)在Level 1和Level 2的仿真方式的處理上。如：方家山模擬機和福清1#模擬機Level 1采用Emulation的方式，非安全級HMI采用Stimulation的方式，安全級HMI采用Simulation的方式；而嶺澳二期和紅沿河模擬機非安全級DCSLevel 1采用Simulation、非安全級DCSLevel 2和安全級DCS采用Emulation的方式。

2 DCS仿真的關(guān)鍵技術(shù)

由于DCS模擬機要對DCS進行底層的仿真程序開發(fā)，因此在開發(fā)前必須對實際的DCS的軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組態(tài)方法、算法模塊、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)庫管理、文件管理和通信協(xié)議等有深入的了解。在此基礎(chǔ)上，以機組實際DCS的組態(tài)文件作為模擬機的設(shè)計輸入，利用仿真建模軟件或翻譯軟件重建可在模擬機仿真平臺下運行的控制算法和邏輯組態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)其控制策略。總的來說，無論模擬機DCS采用某種單一方式或多種方式復(fù)合的仿真方案，實現(xiàn)仿真DCS的技術(shù)關(guān)鍵，主要在于組態(tài)文件的編譯轉(zhuǎn)化、虛擬運行技術(shù)平臺的建立和層級接口通信的處理。

2.1 編譯轉(zhuǎn)換技術(shù)

在純模擬方案和多種仿真方式復(fù)合的方案中，為了保證仿真機的逼真度同時也是為了節(jié)省仿真機的開發(fā)時間，仿真邏輯控制組態(tài)文件一般是通過工程軟件翻譯轉(zhuǎn)換的方式獲得，仿真DCS編譯轉(zhuǎn)換工作主要體現(xiàn)在三個方面：實際DCS的控制算法模塊實現(xiàn)、實際DCS邏輯組態(tài)數(shù)據(jù)的識別和翻譯、實際DCS操作員站HMI的解析和翻譯。

編譯轉(zhuǎn)化方式的基本思路是利用專門的翻譯軟件將實際機組DCS的組態(tài)文件轉(zhuǎn)化為可以運行在仿真平臺上的文件格式，之后仿真DCS運行平臺按自己的模塊驅(qū)動方式進行實時運算處理。

組態(tài)文件的轉(zhuǎn)換工作主要包括文件格式的解析和虛擬功能模塊的編制兩大部分。

文件格式的解析是指仿真工程師通過組態(tài)環(huán)境從真實機組DCS中CP中導(dǎo)出控制邏輯程序，生成獨立的文本格式文件。翻譯軟件以所獲得的文本文件為數(shù)據(jù)源，讀取各功能塊的類型、名稱、內(nèi)部邏輯關(guān)系、調(diào)用順序、系數(shù)初始默認值等信息，并將讀取的信息按照一定的開發(fā)規(guī)約分類整理后經(jīng)過組態(tài)開發(fā)環(huán)境生成仿真開發(fā)需要的文件，從而形成與DCS組態(tài)數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系完全一致的數(shù)據(jù)。虛擬功能模塊實際上就是一個封裝好的算法程序，出于對知識產(chǎn)權(quán)的保護，一般DCS的虛擬功能模塊都是“黑盒”，所以，這需要仿真工程師根據(jù)對模塊內(nèi)部的邏輯運行機制的理解，采用手工方法構(gòu)建相應(yīng)的模塊來實現(xiàn)算法。虛擬功能模塊有基本模塊和宏模塊兩種，所謂“宏模塊”就是多個基本模塊復(fù)合在一起而構(gòu)成功能更加復(fù)雜的自定義算法模塊，在編制宏模塊過程中，一旦宏內(nèi)部的邏輯發(fā)生改變，需要參考具體的DCS設(shè)計資料進行調(diào)節(jié)。之后，虛擬DCS運行平臺中按自己的模塊驅(qū)動方式對轉(zhuǎn)換后的組態(tài)文件進行實時運算處理。

2.2 虛擬平臺技術(shù)

在虛擬實物模擬方案中，是通過計算機來虛擬仿真控制處理機CP、現(xiàn)場總線組件以及通信接口組件，這樣不僅能夠完全模擬DCS的過程控制邏輯，而且能夠大大減少用于調(diào)試和啟動控制系統(tǒng)的時間。但是由于現(xiàn)場CP數(shù)量較多，為了減少硬件設(shè)備數(shù)量同時不改變現(xiàn)場硬件組織架構(gòu)，所以一般是采用虛擬機的方式來將虛擬CP集中在一臺服務(wù)器上，每臺虛擬機由一套獨立的虛擬硬件設(shè)備組成，客戶操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序可以運行在虛擬機上。服務(wù)器中央處理芯片從系統(tǒng)中劃分出若干存儲區(qū)域供多臺虛擬CP并行運行，確保每臺虛擬CP操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運行在“保護模式”下，這樣即便某虛擬機中出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰等現(xiàn)象，也不會影響運行在虛擬機外的其他虛擬機的正常工作。

2.3 接口與數(shù)據(jù)通信

在整個DCSFSS（數(shù)字化模擬機）系統(tǒng)中，F(xiàn)SS（Full Scope Simulator，全范圍模擬機）系統(tǒng)是主模式，DCS系統(tǒng)是從模式。所以在實際的DCSFSS數(shù)據(jù)傳輸過程中，需要解決仿真DCS內(nèi)部層級之間的數(shù)據(jù)和指令交換以及仿真DCS與FSS之間的數(shù)據(jù)交換和同步問題。

解決DCSFSS內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸問題，首先要分析各層級之間需要傳輸?shù)哪切?shù)據(jù)和交互指令。Level 0與Level 1之間需要解決仿真模型數(shù)據(jù)以及控制數(shù)據(jù)的傳輸，此外，在每次數(shù)據(jù)傳輸循環(huán)的過程中都需要對故障、回放、復(fù)位等教控臺的控制命令進行處理。仿真DCS與工藝系統(tǒng)模型之間傳遞的數(shù)據(jù)主要包括：教控命令、仿真時間、數(shù)據(jù)值、數(shù)據(jù)有效狀態(tài)等。Level 1與Level 2之間的接口通信軟件主要是完成模擬電廠數(shù)據(jù)的交換；以及接收Level 1傳遞的教練員站命令和時間同步信息，并送出反饋信息。具體數(shù)據(jù)傳輸機理說明

如下：

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器接受從Level 1傳遞的過程數(shù)據(jù)，進行處理；數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)服務(wù)器的實時數(shù)據(jù)處理程序，實時數(shù)據(jù)處理程序根據(jù)操縱員站的數(shù)據(jù)請求，向操縱員站發(fā)送數(shù)據(jù)包，同時將數(shù)據(jù)與其對應(yīng)時間傳遞給在線歷史管理程序。

操縱員站在人機界面軟件上的操作命令傳遞給數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器對多個操縱員站的操作命令進行統(tǒng)一管理，發(fā)送給數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器根據(jù)命令的類型進行判斷：與Level 2相關(guān)的操作命令直接在數(shù)據(jù)處理服務(wù)器中進行處理；與Level 1相關(guān)的操作命令通過通訊接口傳遞給仿真主機，經(jīng)由過程控制模型進行處理。教控命令由教練員在教練員站上的操作觸發(fā)，對仿真主機中的模型計算產(chǎn)生影響，并通過數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的通訊端口進入仿真DCS，Level 2的HMI工作站接受到相關(guān)信息并實時響應(yīng)。

在解決仿真DCS與FSS之間的數(shù)據(jù)交換和同步問題方面，模擬機實時運行時，電廠模型計算機時間計數(shù)器按一個固定的時間間隔（如：50ms）發(fā)出一次模擬機時間同步信號，喚醒仿真數(shù)據(jù)庫的主同步進程。主同步進程根據(jù)仿真計算的調(diào)度要求，按不同的時間間隔（50ms的整數(shù)倍率）分別喚醒各個實時執(zhí)行進程進行仿真運算，每個實時執(zhí)行進程包括一個或多個電廠仿真系統(tǒng)。包括主同步進程、實時執(zhí)行進程、對外通信進程和本機磁盤I/O操作進程在內(nèi)的進程間的數(shù)據(jù)交換其主要通過共享存儲區(qū)方式實現(xiàn)。

3 結(jié)語

建立全數(shù)字化模擬機系統(tǒng)，就是要以參考機組DCS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，選擇合適的仿真方案建立實用、可靠和先進的仿真環(huán)境，實現(xiàn)仿真DCS的控制邏輯功能。從而真正有效、經(jīng)濟、廣泛地實現(xiàn)操作員培訓(xùn)、設(shè)計調(diào)試、控制參數(shù)整定、控制策略優(yōu)化和系統(tǒng)反事故演練等一系列功能。

參考文獻

[1] 韓璞，王文治，翟永杰，張婧.基于虛擬DCS的混合仿真系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2006，33（4）.

[2] 史凱，蔣明瑜，馬云青.核電站儀控系統(tǒng)數(shù)字化開發(fā)仿真測試技術(shù)研究[J].核技術(shù)，2005，28（2）.

[3] 冷杉.論虛擬分散控制系統(tǒng)技術(shù)[J].中國電力，2003，36（2）.

[4] 翟永杰，張鵬，張悅.火電廠仿真機中的DCS仿真方式與關(guān)鍵技術(shù)[J].電力技術(shù)，2010，（9）.

[5] 屈曉，鄒剛.虛擬DCS開發(fā)及應(yīng)用研究[J].燕山大學(xué)學(xué)報，2006，30（5）.

[6] 魏來，陳森.核電站DCS仿真的三種實現(xiàn)形式探討

[J].中核核電，2004，（6）.

[7] 王立志，封官斌，等.虛擬DCS技術(shù)及實現(xiàn)[J].山東電力技術(shù)，2004，（5）.

作者簡介：俞士平（1984-），男，安徽桐城人，中核核電運行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機應(yīng)用與維護；常文杰（1983-），男，天津塘沽人，中核核電運行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機應(yīng)用與維護；王劍（1984-），

男，浙江麗水人，中核核電運行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機應(yīng)用與維護；譚虎成（1974-），男，湖北天門人，中核核電運行管理有限公司高級工程師，碩士，研究方向：仿真機開發(fā)與維護。

編譯轉(zhuǎn)化方式的基本思路是利用專門的翻譯軟件將實際機組DCS的組態(tài)文件轉(zhuǎn)化為可以運行在仿真平臺上的文件格式，之后仿真DCS運行平臺按自己的模塊驅(qū)動方式進行實時運算處理。

組態(tài)文件的轉(zhuǎn)換工作主要包括文件格式的解析和虛擬功能模塊的編制兩大部分。

文件格式的解析是指仿真工程師通過組態(tài)環(huán)境從真實機組DCS中CP中導(dǎo)出控制邏輯程序，生成獨立的文本格式文件。翻譯軟件以所獲得的文本文件為數(shù)據(jù)源，讀取各功能塊的類型、名稱、內(nèi)部邏輯關(guān)系、調(diào)用順序、系數(shù)初始默認值等信息，并將讀取的信息按照一定的開發(fā)規(guī)約分類整理后經(jīng)過組態(tài)開發(fā)環(huán)境生成仿真開發(fā)需要的文件，從而形成與DCS組態(tài)數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系完全一致的數(shù)據(jù)。虛擬功能模塊實際上就是一個封裝好的算法程序，出于對知識產(chǎn)權(quán)的保護，一般DCS的虛擬功能模塊都是“黑盒”，所以，這需要仿真工程師根據(jù)對模塊內(nèi)部的邏輯運行機制的理解，采用手工方法構(gòu)建相應(yīng)的模塊來實現(xiàn)算法。虛擬功能模塊有基本模塊和宏模塊兩種，所謂“宏模塊”就是多個基本模塊復(fù)合在一起而構(gòu)成功能更加復(fù)雜的自定義算法模塊，在編制宏模塊過程中，一旦宏內(nèi)部的邏輯發(fā)生改變，需要參考具體的DCS設(shè)計資料進行調(diào)節(jié)。之后，虛擬DCS運行平臺中按自己的模塊驅(qū)動方式對轉(zhuǎn)換后的組態(tài)文件進行實時運算處理。

2.2 虛擬平臺技術(shù)

在虛擬實物模擬方案中，是通過計算機來虛擬仿真控制處理機CP、現(xiàn)場總線組件以及通信接口組件，這樣不僅能夠完全模擬DCS的過程控制邏輯，而且能夠大大減少用于調(diào)試和啟動控制系統(tǒng)的時間。但是由于現(xiàn)場CP數(shù)量較多，為了減少硬件設(shè)備數(shù)量同時不改變現(xiàn)場硬件組織架構(gòu)，所以一般是采用虛擬機的方式來將虛擬CP集中在一臺服務(wù)器上，每臺虛擬機由一套獨立的虛擬硬件設(shè)備組成，客戶操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序可以運行在虛擬機上。服務(wù)器中央處理芯片從系統(tǒng)中劃分出若干存儲區(qū)域供多臺虛擬CP并行運行，確保每臺虛擬CP操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運行在“保護模式”下，這樣即便某虛擬機中出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰等現(xiàn)象，也不會影響運行在虛擬機外的其他虛擬機的正常工作。

2.3 接口與數(shù)據(jù)通信

在整個DCSFSS（數(shù)字化模擬機）系統(tǒng)中，F(xiàn)SS（Full Scope Simulator，全范圍模擬機）系統(tǒng)是主模式，DCS系統(tǒng)是從模式。所以在實際的DCSFSS數(shù)據(jù)傳輸過程中，需要解決仿真DCS內(nèi)部層級之間的數(shù)據(jù)和指令交換以及仿真DCS與FSS之間的數(shù)據(jù)交換和同步問題。

解決DCSFSS內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸問題，首先要分析各層級之間需要傳輸?shù)哪切?shù)據(jù)和交互指令。Level 0與Level 1之間需要解決仿真模型數(shù)據(jù)以及控制數(shù)據(jù)的傳輸，此外，在每次數(shù)據(jù)傳輸循環(huán)的過程中都需要對故障、回放、復(fù)位等教控臺的控制命令進行處理。仿真DCS與工藝系統(tǒng)模型之間傳遞的數(shù)據(jù)主要包括：教控命令、仿真時間、數(shù)據(jù)值、數(shù)據(jù)有效狀態(tài)等。Level 1與Level 2之間的接口通信軟件主要是完成模擬電廠數(shù)據(jù)的交換；以及接收Level 1傳遞的教練員站命令和時間同步信息，并送出反饋信息。具體數(shù)據(jù)傳輸機理說明

如下：

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器接受從Level 1傳遞的過程數(shù)據(jù)，進行處理；數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)服務(wù)器的實時數(shù)據(jù)處理程序，實時數(shù)據(jù)處理程序根據(jù)操縱員站的數(shù)據(jù)請求，向操縱員站發(fā)送數(shù)據(jù)包，同時將數(shù)據(jù)與其對應(yīng)時間傳遞給在線歷史管理程序。

操縱員站在人機界面軟件上的操作命令傳遞給數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器對多個操縱員站的操作命令進行統(tǒng)一管理，發(fā)送給數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器根據(jù)命令的類型進行判斷：與Level 2相關(guān)的操作命令直接在數(shù)據(jù)處理服務(wù)器中進行處理；與Level 1相關(guān)的操作命令通過通訊接口傳遞給仿真主機，經(jīng)由過程控制模型進行處理。教控命令由教練員在教練員站上的操作觸發(fā)，對仿真主機中的模型計算產(chǎn)生影響，并通過數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的通訊端口進入仿真DCS，Level 2的HMI工作站接受到相關(guān)信息并實時響應(yīng)。

在解決仿真DCS與FSS之間的數(shù)據(jù)交換和同步問題方面，模擬機實時運行時，電廠模型計算機時間計數(shù)器按一個固定的時間間隔（如：50ms）發(fā)出一次模擬機時間同步信號，喚醒仿真數(shù)據(jù)庫的主同步進程。主同步進程根據(jù)仿真計算的調(diào)度要求，按不同的時間間隔（50ms的整數(shù)倍率）分別喚醒各個實時執(zhí)行進程進行仿真運算，每個實時執(zhí)行進程包括一個或多個電廠仿真系統(tǒng)。包括主同步進程、實時執(zhí)行進程、對外通信進程和本機磁盤I/O操作進程在內(nèi)的進程間的數(shù)據(jù)交換其主要通過共享存儲區(qū)方式實現(xiàn)。

3 結(jié)語

建立全數(shù)字化模擬機系統(tǒng)，就是要以參考機組DCS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，選擇合適的仿真方案建立實用、可靠和先進的仿真環(huán)境，實現(xiàn)仿真DCS的控制邏輯功能。從而真正有效、經(jīng)濟、廣泛地實現(xiàn)操作員培訓(xùn)、設(shè)計調(diào)試、控制參數(shù)整定、控制策略優(yōu)化和系統(tǒng)反事故演練等一系列功能。

參考文獻

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[5] 屈曉，鄒剛.虛擬DCS開發(fā)及應(yīng)用研究[J].燕山大學(xué)學(xué)報，2006，30（5）.

[6] 魏來，陳森.核電站DCS仿真的三種實現(xiàn)形式探討

[J].中核核電，2004，（6）.

[7] 王立志，封官斌，等.虛擬DCS技術(shù)及實現(xiàn)[J].山東電力技術(shù)，2004，（5）.

作者簡介：俞士平（1984-），男，安徽桐城人，中核核電運行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機應(yīng)用與維護；常文杰（1983-），男，天津塘沽人，中核核電運行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機應(yīng)用與維護；王劍（1984-），

男，浙江麗水人，中核核電運行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機應(yīng)用與維護；譚虎成（1974-），男，湖北天門人，中核核電運行管理有限公司高級工程師，碩士，研究方向：仿真機開發(fā)與維護。

編譯轉(zhuǎn)化方式的基本思路是利用專門的翻譯軟件將實際機組DCS的組態(tài)文件轉(zhuǎn)化為可以運行在仿真平臺上的文件格式，之后仿真DCS運行平臺按自己的模塊驅(qū)動方式進行實時運算處理。

組態(tài)文件的轉(zhuǎn)換工作主要包括文件格式的解析和虛擬功能模塊的編制兩大部分。

文件格式的解析是指仿真工程師通過組態(tài)環(huán)境從真實機組DCS中CP中導(dǎo)出控制邏輯程序，生成獨立的文本格式文件。翻譯軟件以所獲得的文本文件為數(shù)據(jù)源，讀取各功能塊的類型、名稱、內(nèi)部邏輯關(guān)系、調(diào)用順序、系數(shù)初始默認值等信息，并將讀取的信息按照一定的開發(fā)規(guī)約分類整理后經(jīng)過組態(tài)開發(fā)環(huán)境生成仿真開發(fā)需要的文件，從而形成與DCS組態(tài)數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系完全一致的數(shù)據(jù)。虛擬功能模塊實際上就是一個封裝好的算法程序，出于對知識產(chǎn)權(quán)的保護，一般DCS的虛擬功能模塊都是“黑盒”，所以，這需要仿真工程師根據(jù)對模塊內(nèi)部的邏輯運行機制的理解，采用手工方法構(gòu)建相應(yīng)的模塊來實現(xiàn)算法。虛擬功能模塊有基本模塊和宏模塊兩種，所謂“宏模塊”就是多個基本模塊復(fù)合在一起而構(gòu)成功能更加復(fù)雜的自定義算法模塊，在編制宏模塊過程中，一旦宏內(nèi)部的邏輯發(fā)生改變，需要參考具體的DCS設(shè)計資料進行調(diào)節(jié)。之后，虛擬DCS運行平臺中按自己的模塊驅(qū)動方式對轉(zhuǎn)換后的組態(tài)文件進行實時運算處理。

2.2 虛擬平臺技術(shù)

在虛擬實物模擬方案中，是通過計算機來虛擬仿真控制處理機CP、現(xiàn)場總線組件以及通信接口組件，這樣不僅能夠完全模擬DCS的過程控制邏輯，而且能夠大大減少用于調(diào)試和啟動控制系統(tǒng)的時間。但是由于現(xiàn)場CP數(shù)量較多，為了減少硬件設(shè)備數(shù)量同時不改變現(xiàn)場硬件組織架構(gòu)，所以一般是采用虛擬機的方式來將虛擬CP集中在一臺服務(wù)器上，每臺虛擬機由一套獨立的虛擬硬件設(shè)備組成，客戶操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序可以運行在虛擬機上。服務(wù)器中央處理芯片從系統(tǒng)中劃分出若干存儲區(qū)域供多臺虛擬CP并行運行，確保每臺虛擬CP操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運行在“保護模式”下，這樣即便某虛擬機中出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰等現(xiàn)象，也不會影響運行在虛擬機外的其他虛擬機的正常工作。

2.3 接口與數(shù)據(jù)通信

在整個DCSFSS（數(shù)字化模擬機）系統(tǒng)中，F(xiàn)SS（Full Scope Simulator，全范圍模擬機）系統(tǒng)是主模式，DCS系統(tǒng)是從模式。所以在實際的DCSFSS數(shù)據(jù)傳輸過程中，需要解決仿真DCS內(nèi)部層級之間的數(shù)據(jù)和指令交換以及仿真DCS與FSS之間的數(shù)據(jù)交換和同步問題。

解決DCSFSS內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸問題，首先要分析各層級之間需要傳輸?shù)哪切?shù)據(jù)和交互指令。Level 0與Level 1之間需要解決仿真模型數(shù)據(jù)以及控制數(shù)據(jù)的傳輸，此外，在每次數(shù)據(jù)傳輸循環(huán)的過程中都需要對故障、回放、復(fù)位等教控臺的控制命令進行處理。仿真DCS與工藝系統(tǒng)模型之間傳遞的數(shù)據(jù)主要包括：教控命令、仿真時間、數(shù)據(jù)值、數(shù)據(jù)有效狀態(tài)等。Level 1與Level 2之間的接口通信軟件主要是完成模擬電廠數(shù)據(jù)的交換；以及接收Level 1傳遞的教練員站命令和時間同步信息，并送出反饋信息。具體數(shù)據(jù)傳輸機理說明

如下：

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器接受從Level 1傳遞的過程數(shù)據(jù)，進行處理；數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)服務(wù)器的實時數(shù)據(jù)處理程序，實時數(shù)據(jù)處理程序根據(jù)操縱員站的數(shù)據(jù)請求，向操縱員站發(fā)送數(shù)據(jù)包，同時將數(shù)據(jù)與其對應(yīng)時間傳遞給在線歷史管理程序。

操縱員站在人機界面軟件上的操作命令傳遞給數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器對多個操縱員站的操作命令進行統(tǒng)一管理，發(fā)送給數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器根據(jù)命令的類型進行判斷：與Level 2相關(guān)的操作命令直接在數(shù)據(jù)處理服務(wù)器中進行處理；與Level 1相關(guān)的操作命令通過通訊接口傳遞給仿真主機，經(jīng)由過程控制模型進行處理。教控命令由教練員在教練員站上的操作觸發(fā)，對仿真主機中的模型計算產(chǎn)生影響，并通過數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的通訊端口進入仿真DCS，Level 2的HMI工作站接受到相關(guān)信息并實時響應(yīng)。

在解決仿真DCS與FSS之間的數(shù)據(jù)交換和同步問題方面，模擬機實時運行時，電廠模型計算機時間計數(shù)器按一個固定的時間間隔（如：50ms）發(fā)出一次模擬機時間同步信號，喚醒仿真數(shù)據(jù)庫的主同步進程。主同步進程根據(jù)仿真計算的調(diào)度要求，按不同的時間間隔（50ms的整數(shù)倍率）分別喚醒各個實時執(zhí)行進程進行仿真運算，每個實時執(zhí)行進程包括一個或多個電廠仿真系統(tǒng)。包括主同步進程、實時執(zhí)行進程、對外通信進程和本機磁盤I/O操作進程在內(nèi)的進程間的數(shù)據(jù)交換其主要通過共享存儲區(qū)方式實現(xiàn)。

3 結(jié)語

建立全數(shù)字化模擬機系統(tǒng)，就是要以參考機組DCS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，選擇合適的仿真方案建立實用、可靠和先進的仿真環(huán)境，實現(xiàn)仿真DCS的控制邏輯功能。從而真正有效、經(jīng)濟、廣泛地實現(xiàn)操作員培訓(xùn)、設(shè)計調(diào)試、控制參數(shù)整定、控制策略優(yōu)化和系統(tǒng)反事故演練等一系列功能。

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作者簡介：俞士平（1984-），男，安徽桐城人，中核核電運行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機應(yīng)用與維護；常文杰（1983-），男，天津塘沽人，中核核電運行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機應(yīng)用與維護；王劍（1984-），

男，浙江麗水人，中核核電運行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機應(yīng)用與維護；譚虎成（1974-），男，湖北天門人，中核核電運行管理有限公司高級工程師，碩士，研究方向：仿真機開發(fā)與維護。