設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái)在核電廠DCS設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

邱建利 劉培邦 田波

摘 要：隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，DCS系統(tǒng)在正在新建核電工程項(xiàng)目中全面應(yīng)用，控制室的信息顯示內(nèi)容和顯示方式發(fā)生了重大變化，為提升核電控制水平提供了技術(shù)平臺(tái)。在DCS設(shè)計(jì)過程中，建立核電站設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái)（Full Scope Engineering Simulator 簡稱FES），用仿真技術(shù)模擬電廠工藝系統(tǒng)、控制邏輯和人機(jī)界面。核電設(shè)計(jì)人員在核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái)（FES）上，通過模擬核電站的運(yùn)行控制過程，驗(yàn)證主控室DCS二層畫面的設(shè)計(jì)、數(shù)字化規(guī)程界面設(shè)計(jì)以及其它DCS功能的設(shè)計(jì)是否符合人因工程的設(shè)計(jì)原則，是否能滿足核電廠操縱員的操作習(xí)慣的實(shí)際運(yùn)行控制要求。

關(guān)鍵詞：FES ?設(shè)計(jì)驗(yàn)證 ?核電廠 ?人機(jī)界面

中圖分類號(hào)：TM62 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（c）-0023-02

1 數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái)總體說明

1.1 數(shù)字化DCS人機(jī)界面綜述

核安全是核電生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，一旦發(fā)生核泄漏事故，不但造成重大的人員和經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)產(chǎn)生超出核電站自身范圍的巨大社會(huì)負(fù)面影響。而主控制室是核電廠各種信息顯示、信息處理和控制中心，對(duì)保證核電廠可靠與安全運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。迄今為止，世界上運(yùn)行核電站所發(fā)生的重大核電事故，例如：三哩島事故、切爾諾貝爾核電站事故、福島核電站事故，經(jīng)論證都有人因失誤造成一些重大的事故后果[1]。大量的核電工程實(shí)踐表明有效的控制室人因工程設(shè)計(jì)與友好的人機(jī)界面對(duì)減少人因失誤、提高核電廠的可利用率有積極的作用。因而，核電廠主控制室設(shè)計(jì)者在充分考慮電站運(yùn)行功能的同時(shí)，更注重主控室人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。

隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和儀控技術(shù)的快速發(fā)展、新建核電站反應(yīng)堆的儀表控制系統(tǒng)絕大多數(shù)采用數(shù)字化DCS技術(shù)。由于核電廠采用了數(shù)字化設(shè)備，在具有準(zhǔn)確的信息顯示和正確的操作功能前提下，可根據(jù)人因工程要求，由功能任務(wù)分析后確定人機(jī)界面的具體類型，并使得設(shè)計(jì)具有更高的靈活性，通過操縱員與控制對(duì)象以及儀控系統(tǒng)三者的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)核電廠DCS系統(tǒng)高效、可靠的運(yùn)行控制。數(shù)字化儀表系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)是控制室設(shè)計(jì)中的重要組成部分。為了滿足數(shù)字化核電站的安全運(yùn)行目標(biāo)，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)一般采用下面的幾點(diǎn)設(shè)計(jì)原則：

（1）人機(jī)界面必須對(duì)核電站操縱員是友好的，并以避免人因失誤為目標(biāo)。

（2）任務(wù)導(dǎo)向的設(shè)計(jì)原則：所設(shè)計(jì)的人機(jī)界面應(yīng)具備讓操縱員在任何情況下都能迅速評(píng)估電站總體運(yùn)行狀態(tài)的功能，操縱員可以通過數(shù)字化人機(jī)界面確認(rèn)預(yù)定的所有自動(dòng)安全動(dòng)作正確的執(zhí)行;也需清楚其自身需要采取的正當(dāng)?shù)陌踩僮餍袨?，并能充分的監(jiān)測(cè)到各相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備的參數(shù)顯示信息。

（3）一致性原則：主控室DCS人機(jī)界面設(shè)計(jì)要保持畫面設(shè)計(jì)風(fēng)格的一致性，包括圖形元素、標(biāo)志符號(hào)、顏色、閃光的使用應(yīng)保持一致，符號(hào)和標(biāo)注文字的大小應(yīng)保持一致。

1.2 FES平臺(tái)現(xiàn)狀

針對(duì)福清方家山核電工程和海南昌江核電工程的DCS設(shè)計(jì)進(jìn)度要求，設(shè)計(jì)院聯(lián)合承包商分別開發(fā)出兩套FES平臺(tái)，以滿足在核電廠DCS設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)驗(yàn)證需求。目前，在福清方家山和海南核電工程中，F(xiàn)ES平臺(tái)已成功應(yīng)用于各自核電站主控室人機(jī)界面驗(yàn)證，進(jìn)行了多次成功的驗(yàn)證活動(dòng)。

2 利用數(shù)字化驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證活動(dòng)的過程

2.1 驗(yàn)證的對(duì)象及范圍

利用FES平臺(tái)進(jìn)行的動(dòng)態(tài)驗(yàn)證參考NUREG-0700進(jìn)行。驗(yàn)證內(nèi)容主要包括畫面、儀表控制系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、工藝系統(tǒng)流程、安全功能和參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)、工作空間設(shè)計(jì)和工作場所等設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。

每天的驗(yàn)證活動(dòng)完成后，驗(yàn)證小組成員進(jìn)行小組會(huì)議總結(jié)，同時(shí)幾方確認(rèn)生成驗(yàn)證偏差報(bào)告，作為后續(xù)的設(shè)計(jì)變更的基礎(chǔ)評(píng)估數(shù)據(jù)。

數(shù)字化儀控驗(yàn)證平臺(tái)針對(duì)目前在建的二代加及新的三代核電機(jī)組的主控制室的主要功能進(jìn)行仿真模擬，模擬的范圍包括電廠系統(tǒng)工藝流程、儀控系統(tǒng)、顯示監(jiān)測(cè)功能、DCS系統(tǒng)畫面及各種綜合畫面、數(shù)字化系統(tǒng)規(guī)程、總體規(guī)程、報(bào)警規(guī)程、事故規(guī)程和報(bào)警工況抑制等，目前數(shù)字化儀控驗(yàn)證平臺(tái)應(yīng)用正在逐步擴(kuò)展到對(duì)控制流程優(yōu)化和運(yùn)行及事故導(dǎo)則等領(lǐng)域。

2.2 數(shù)字化儀控驗(yàn)證平臺(tái)的系統(tǒng)配置

驗(yàn)證平臺(tái)的硬件主要包括驗(yàn)證控制室、主服務(wù)器、驗(yàn)證操作站、驗(yàn)證教員控制站、驗(yàn)證工程師站、相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備和文檔工作站等。

軟件配置如下。

（1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件：Linux操作系統(tǒng)和核電站圖形化建模仿真工具軟件。

（2）核電廠系統(tǒng)模型軟件：利用圖形化建模仿真工具對(duì)實(shí)際核電廠系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)化的圖形化建模，建立虛擬的核電廠系統(tǒng)模型，其次將各虛擬的核電廠系統(tǒng)模型加入聯(lián)調(diào)環(huán)境，包括設(shè)備控制邏輯程序，并與二層界面聯(lián)接。完成一個(gè)由底層模型到上層界面實(shí)時(shí)通訊的仿真平臺(tái)。

（3） 人機(jī)界面（HMI）軟件：包含各系統(tǒng)畫面、總體畫面、數(shù)字化系統(tǒng)規(guī)程、總體規(guī)程、報(bào)警規(guī)程及報(bào)警畫面、動(dòng)態(tài)部件及其對(duì)話框、操作菜單。

2.3 驗(yàn)證活動(dòng)中的人員配備

在每一次驗(yàn)證中的，應(yīng)該包括的角色分工有：驗(yàn)證觀察員，電廠持照操縱員，數(shù)字化儀控驗(yàn)證平臺(tái)技術(shù)支持人員和設(shè)計(jì)驗(yàn)證技術(shù)指導(dǎo)組。他們的分工如下。

（1） 電廠測(cè)試操縱員組：由參考的核電廠持照操縱員組成。其主要職責(zé)是在驗(yàn)證平臺(tái)上根據(jù)電廠系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程基于設(shè)計(jì)完成的到電廠人機(jī)界面進(jìn)行操作，對(duì)界面設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，指出其中可能存在的不足或存在問題得到地方并給出具體建議。

（2） VV驗(yàn)證過程的觀察員組：觀察員組主要由主控室二層人機(jī)界面的設(shè)計(jì)人員，人因工程分析人員組成。其職責(zé)是跟蹤觀察驗(yàn)證人員對(duì)畫面的各種操縱，隨時(shí)記錄驗(yàn)證人員發(fā)現(xiàn)的問題以及操縱員提出的各種建議同時(shí)觀察驗(yàn)證人員在執(zhí)行規(guī)程相關(guān)操作是的人響應(yīng)因素，分析何種原因?qū)е乱陨蠁栴}的發(fā)生。

（3） 設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái)技術(shù)支持組：由驗(yàn)證平臺(tái)的開發(fā)測(cè)試維護(hù)人員組成。負(fù)責(zé)處理驗(yàn)證過程中仿真機(jī)出現(xiàn)的各種運(yùn)行問題。

2.4 基于FES平臺(tái)的驗(yàn)證工作的執(zhí)行過程

目前在FES平臺(tái)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)畫面、總體畫面、數(shù)字化系統(tǒng)規(guī)程、總體規(guī)程、報(bào)警規(guī)程及報(bào)警畫面、事故規(guī)程及其畫面、動(dòng)態(tài)部件及其對(duì)話框、操作菜單的驗(yàn)證。驗(yàn)證活動(dòng)在基于電廠主要工藝系統(tǒng)仿真模型的儀控驗(yàn)證平臺(tái)上進(jìn)行，根據(jù)電廠各類運(yùn)行操作規(guī)程對(duì)各系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行操作，覆蓋各種運(yùn)行工況下的不同的設(shè)備及控制。根據(jù)到電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)和P&ID流程圖，同時(shí)參考相關(guān)的定值及IO清單。驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)輸入資料還包括系統(tǒng)畫面、設(shè)備測(cè)點(diǎn)圖、電廠設(shè)備動(dòng)態(tài)特性技術(shù)文件等，操縱員測(cè)試二層界面上的顯示信息是否齊全，是否合理可行。每一次驗(yàn)證活動(dòng)開始前的驗(yàn)證輸入文件包括：電廠工藝系統(tǒng)驗(yàn)證任務(wù)分析報(bào)告、電廠工藝系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)文件。根據(jù)不同的FES開發(fā)階段和需達(dá)到不同的驗(yàn)證目的，有不同的要求。進(jìn)行驗(yàn)證活動(dòng)的輸入條件最少應(yīng)包括以下內(nèi)容：

（1） 電廠主要系統(tǒng)模型系統(tǒng)開發(fā)完成，并且加入聯(lián)調(diào)運(yùn)行環(huán)境;

（2） 數(shù)字化儀控驗(yàn)證平臺(tái)可以完整地模擬核電廠從穩(wěn)態(tài)滿功率至熱備用直至達(dá)到冷停堆工況為止;

（3） 其它相關(guān)設(shè)計(jì)資料包括所需驗(yàn)證工程資料、工藝流程畫面開發(fā)、相關(guān)系統(tǒng)控制邏輯完整;

（4） 與電廠DCS畫面相關(guān)的定值及IO清單;

（5） 所需驗(yàn)證的功能或者畫面測(cè)試用例及規(guī)程編制完善。

進(jìn)行驗(yàn)證的具體步驟：

（1） 按照分系統(tǒng)測(cè)試規(guī)程，列出需驗(yàn)證的畫面清單和驗(yàn)證順序;

（2） 確認(rèn)各功能模塊與模型已有效連接，該步驟應(yīng)由模型工程師和測(cè)試操縱員以及相關(guān)功能畫面等的開發(fā)人員共同參與并完成;

（3） HMI模塊功能驗(yàn)證：在動(dòng)態(tài)驗(yàn)證測(cè)試前，確認(rèn)仿真驗(yàn)證平臺(tái)的全廠模擬模型的動(dòng)態(tài)功能已開發(fā)完成，包括流程圖操作功能、主菜單功能和顯示部件;

（4） 流程圖操作功能根據(jù)參考電站的系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程要求，為仿真模型加載一個(gè)合適的運(yùn)行工況（滿功率穩(wěn)定運(yùn)行工況、冷停堆維修工況和熱備用工況等）;

（5） 主菜單功能可以驗(yàn)證流程圖的分層結(jié)構(gòu)，流程圖的調(diào)用，流程圖畫面的鏈接切換導(dǎo)航關(guān)系。通過主菜單的功能按鍵實(shí)現(xiàn);

（6） 被驗(yàn)證畫面的控制部件，當(dāng)選中畫面的控制部件時(shí)，控制部件是否能按相應(yīng)人機(jī)接口數(shù)據(jù)鏈接報(bào)告中的規(guī)定，顯示合適的控制選項(xiàng);

（7） 被驗(yàn)證畫面的顯示部件，是否能夠按相應(yīng)人機(jī)接口數(shù)據(jù)鏈接報(bào)告中的規(guī)定，顯示合適的指示信息;

（8） 所有被驗(yàn)證畫面的報(bào)警部件，是否能夠按相應(yīng)人機(jī)接口數(shù)據(jù)鏈接報(bào)告中的規(guī)定，顯示合適的報(bào)警信息。

3 對(duì)驗(yàn)證報(bào)告中的產(chǎn)生的不符合項(xiàng)處理流程

驗(yàn)證小組全體成員需要對(duì)驗(yàn)證活動(dòng)中產(chǎn)生的不符合項(xiàng)進(jìn)行全面分析，如果是由于DCS軟件平臺(tái)或仿真模型程序不完善而造成的FES不符合項(xiàng)，應(yīng)該由FES技術(shù)支持組相應(yīng)的開發(fā)工程師對(duì)仿真模型進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)修改，測(cè)試完畢后提交驗(yàn)證平臺(tái)需求人員復(fù)測(cè)通過;如果是由于DCS人機(jī)界面設(shè)計(jì)不合理造成的系統(tǒng)或設(shè)備功能不能完整的按照需求來實(shí)現(xiàn)，那么應(yīng)由組織相應(yīng)的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行處理分析，更改設(shè)計(jì)或針對(duì)相關(guān)不符合項(xiàng)修訂相應(yīng)的二層DCS畫面，再導(dǎo)入數(shù)字化儀控驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。平臺(tái)測(cè)試人員對(duì)修改后的不符合項(xiàng)進(jìn)行回歸測(cè)試，確認(rèn)該問題修改正常后關(guān)閉不符合項(xiàng)報(bào)告。否則交由相關(guān)的平臺(tái)開發(fā)人員或者系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人重新修改直至滿足要求。

4 結(jié)語

隨著仿真技術(shù)在核電工程設(shè)計(jì)和工程調(diào)試中的應(yīng)用范圍的不斷拓展和技術(shù)能力的成熟，采用驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)驗(yàn)證的范圍越來越廣泛，在核電工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)、一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)的數(shù)據(jù)共享、虛擬建造等領(lǐng)域有更廣闊的應(yīng)用發(fā)展空間。

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