核電廠DCS全范圍驗(yàn)證系統(tǒng)0層設(shè)備仿真的實(shí)現(xiàn)

劉躍鋒，李平，馬陟，劉祖?zhèn)?/p>

（中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京100176）

1 引言

近年來，國(guó)內(nèi)的核電站建設(shè)規(guī)模不斷增大，在建和商運(yùn)核電站DCS系統(tǒng)幾乎全部用的是國(guó)外系統(tǒng)，中核控制系統(tǒng)工程有限公司所自主研發(fā)的NicsysR2000 DCS平臺(tái)，力圖打破這一外國(guó)產(chǎn)品大量壟斷的局面。然而核電站對(duì)于DCS系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠性比其他DCS系統(tǒng)的要求高，為驗(yàn)證新的DCS平臺(tái)能否在核電站非安全級(jí)DCS系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行，參照在運(yùn)行的某核電站DCS系統(tǒng)，公司在內(nèi)部搭建了一套非安全級(jí)DCS系統(tǒng)工程樣機(jī)，以驗(yàn)證NicSysR2000平臺(tái)的可用性[1]。

2 驗(yàn)證系統(tǒng)組成

為了驗(yàn)證NicsysR2000系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)中采用實(shí)物模擬方式，在工程樣機(jī)中使用真實(shí)硬件和軟件來復(fù)現(xiàn)參考核電機(jī)組的全部子系統(tǒng)。雖然由于大量采用DCS硬件，增加工程機(jī)成本，但是使用DCS真實(shí)硬件和軟件最大限度地實(shí)現(xiàn)仿真。徹底消除模擬機(jī)DCS與實(shí)際DCS的不一致以及偏差。典型的DCS系統(tǒng)分為0層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層（泵、閥門、儀表）；1層過程控制層；2層操作監(jiān)控層和信息管理層。

①核電站現(xiàn)場(chǎng)的0層是獨(dú)立的設(shè)備，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過電纜或者通訊連接到DCS 1層，在DCS樣機(jī)系統(tǒng)中，不可能有這么多的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，但為了實(shí)現(xiàn)仿真DCS系統(tǒng)的仿真運(yùn)行，在工程樣機(jī)中設(shè)立獨(dú)立的服務(wù)器來仿真0層電站真實(shí)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和儀表信息。它通過DCS 0-1層通信接口程序通過電纜和通訊與DCS1層進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)交互。②過程控制層（DCS1層）的控制系統(tǒng)工程非常復(fù)雜，一般采用分系統(tǒng)的方式對(duì)控制工程進(jìn)行劃分，并下裝至不同控制器中。因此一個(gè)核電控制過程一般包含多臺(tái)控制器，控制器之間通過局域網(wǎng)絡(luò)完成站間數(shù)據(jù)通信；而且，各個(gè)控制器作為獨(dú)立的個(gè)體向操作監(jiān)控層交換數(shù)據(jù)。③操作監(jiān)控層（DCS2層）主要面向現(xiàn)場(chǎng)操縱員，它收集DCS1層的輸出數(shù)據(jù)，進(jìn)行工藝流程圖的顯示、重要參數(shù)的趨勢(shì)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)操縱員的指令進(jìn)行系統(tǒng)控制。DCS2層的操作指令則按照上述過程的反向反饋進(jìn)DCS0層，由此形成整個(gè)DCS系統(tǒng)的信息閉環(huán)。

3 0層仿真模型服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的功能

仿真模型軟件以M310核電機(jī)組為參考機(jī)組,為DCS全范圍驗(yàn)證系統(tǒng)提供一個(gè)電廠實(shí)際工藝系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，與DCS一層、二層連接，構(gòu)成一個(gè)完整的電廠系統(tǒng)，用于NicsysR 2000系統(tǒng)的驗(yàn)證。模型軟件將實(shí)時(shí)再現(xiàn)核電廠的性能與行為，所有在模擬的計(jì)算機(jī)工作站上觀察到的現(xiàn)象以與參考機(jī)組的實(shí)際響應(yīng)相同的速度顯現(xiàn)出來。模擬的質(zhì)量保證系統(tǒng)的響應(yīng)與實(shí)際過程基本一致。

仿真模型軟件的模擬范圍涵蓋維修冷停堆狀態(tài)至滿功率運(yùn)行狀態(tài)、各事故狀態(tài)以及包括運(yùn)行規(guī)程（包括在停堆換料期間的電站狀態(tài)）內(nèi)的全部范圍。也就是說仿真模型能夠盡可能地模擬參考機(jī)組在所有電廠工況下的行為，如：①參考機(jī)組正常操作，包括主回路系統(tǒng)的排水及半管運(yùn)行等；②在任何正常運(yùn)行狀態(tài)期間的異常擾動(dòng)；③事故運(yùn)行（包括所有設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和部分超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故）。

仿真模型軟件對(duì)參考機(jī)組的所有系統(tǒng)特性進(jìn)行完全的、綜合的和實(shí)時(shí)的仿真。各系統(tǒng)模型提供與其他相關(guān)仿真系統(tǒng)之間的接口，提供一個(gè)針對(duì)參考機(jī)組正常、異常和電站事故工況條件下以連續(xù)的和重復(fù)方式進(jìn)行的完整和實(shí)時(shí)的模擬。仿真模型軟件的響應(yīng)不允許出現(xiàn)誤導(dǎo)操縱員或?qū)е虏倏v員不適當(dāng)?shù)膭?dòng)作等明顯偏離參考機(jī)組實(shí)際響應(yīng)的行為。仿真模型軟件對(duì)各系統(tǒng)中的設(shè)備和部件如電機(jī)、泵、閥門、調(diào)節(jié)器等的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬。計(jì)算機(jī)化的人機(jī)界面系統(tǒng)應(yīng)以一個(gè)合理的方式進(jìn)行模擬，確保仿真模型軟件對(duì)該部分系統(tǒng)模擬的逼真度。

工藝過程模型基于物理原理、參考機(jī)組的PI&D圖，功能圖，SAMA圖等，真實(shí)地反映電廠實(shí)際狀況。所有模型都將基于“最佳估計(jì)”模型，而非“保守”模型設(shè)計(jì)。調(diào)節(jié)器的物理原理和運(yùn)算都以數(shù)學(xué)模型的微積分和代數(shù)等式進(jìn)行描述，特別是質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒定理將用于模型等式的推導(dǎo)[1]?？刂七壿媽⒂貌紶柗匠踢M(jìn)行描述，功能圖等應(yīng)維持原樣導(dǎo)入并進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)鏈接。

在仿真模型中主要包括了堆芯物理學(xué)或動(dòng)力學(xué)模型、堆芯熱工水力模型、安全殼模型、汽輪機(jī)模型、發(fā)電機(jī)模型及其他設(shè)備部件模型。仿真真實(shí)電站工藝過程，系統(tǒng)功能是以被測(cè)物理變量和過程狀態(tài)等式來完成描述的。除狀態(tài)變量外，工藝過程模型的輸入數(shù)據(jù)，包括其他模塊的計(jì)算變量、泵狀態(tài)、閥和風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程和就地控制，故障的狀態(tài)變量信息和外部的參數(shù)都在仿真模型軟件中設(shè)定。

4 0層設(shè)備仿真的實(shí)現(xiàn)方案

仿真系統(tǒng)的主要目的是為了驗(yàn)證NicsysR2000系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性、可用性，需要對(duì)包括控制器、I/O板卡、各層軟件等進(jìn)行全方位的驗(yàn)證，所以本系統(tǒng)中以實(shí)物仿真為主，1:1重構(gòu)核電站非安全級(jí)DCS系統(tǒng)。0層設(shè)備的設(shè)備仿真采用與DCS 1層相同的控制板卡，來實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)的仿真。有些功能無法通過IO板卡來實(shí)現(xiàn)，則通過用仿真控制器來實(shí)現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)了仿真軟件與DCS硬件的通訊。

4.1 仿真模型與DCS一層之間通過I/O板卡功能的實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證Nicsys2000系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在模擬機(jī)中使用電站的真實(shí)系統(tǒng)或子系統(tǒng)的真實(shí)硬件和軟件來復(fù)現(xiàn)參考機(jī)組的相應(yīng)系統(tǒng)或子系統(tǒng)，暨采用真實(shí)DCS的硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。雖然實(shí)物模擬軟硬件實(shí)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，但實(shí)物模擬具有很高的軟硬件逼真度，能夠完全驗(yàn)證DCS系統(tǒng)的性能。

在驗(yàn)證系統(tǒng)DCS一層按照真實(shí)核電廠非安全級(jí)DCS系統(tǒng)完全相同的配置，來配置DCS系統(tǒng)的一層，整個(gè)系統(tǒng)工應(yīng)用68臺(tái)控制柜，IO點(diǎn)數(shù)共計(jì)15566點(diǎn)。

在設(shè)備仿真?zhèn)韧瑯硬捎肗icsys2000系統(tǒng)，只是把一層DCS系統(tǒng)中的開關(guān)量、模擬量輸入卡變?yōu)殚_關(guān)量、模擬量輸出卡，一層DCS輸出卡變?yōu)檩斎肟?，一層DCS系統(tǒng)與仿真0層的IO卡件通過電纜連接。

在0層系統(tǒng)中配置模型服務(wù)器1臺(tái)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的仿真，模型服務(wù)器通過以太網(wǎng)與通訊網(wǎng)關(guān)相連，通訊網(wǎng)關(guān)將模型服務(wù)器設(shè)備仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Nicsys2000系統(tǒng)的通信協(xié)議，并將0層通訊控制器數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后發(fā)給模型服務(wù)器，進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。0層通訊控制器通過以太網(wǎng)接收到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)后，經(jīng)由NicBusII總線將數(shù)據(jù)和命令發(fā)送IO板卡，0層IO板卡在通過硬接線電纜間數(shù)據(jù)發(fā)給1層控制器IO板卡，1層控制器接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行邏輯運(yùn)行，并把運(yùn)行結(jié)果和下一步的命令反向發(fā)給模型服務(wù)器，模型進(jìn)行下一步的運(yùn)行。同時(shí)1層控制器并把設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送給2層進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和操作員操作，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備形成一個(gè)閉環(huán)的控制，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的仿真運(yùn)行。

4.2 仿真模型與DCS一層通過虛擬控制器連接的實(shí)現(xiàn)

有些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中輸入無法通過硬接線將數(shù)據(jù)發(fā)送給1層控制器，比如溫度信號(hào)，熱電偶信號(hào)等，這些信號(hào)處理需要用到虛擬機(jī)控制器，虛擬機(jī)控制器通過一層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，設(shè)備仿真控制。

虛擬控制器通過移植實(shí)物控制器的控制軟件實(shí)現(xiàn)，它是執(zhí)行控制組態(tài)程序的核心。通過修改系統(tǒng)接口和資源分配策略，將實(shí)物控制器中的下位機(jī)軟件移植進(jìn)Windows系統(tǒng)中，并保持其核心執(zhí)行代碼不變，可以直接加載運(yùn)行控制組態(tài)程序。虛擬控制器和實(shí)物控制器采用相同的運(yùn)行環(huán)境配置和控制組態(tài)程序，可以確保對(duì)于同樣的輸入信號(hào)，兩者具有同樣的輸出響應(yīng)，并保證了實(shí)物控制器的組態(tài)程序和虛擬機(jī)的組態(tài)程序相互通用。

虛擬控制器的通信包括：DCS 0層端通信、DCS 2層端通信、控制器站間通信三部分。

①DCS 0層端通信。虛擬DCS 0層端通信接口程序負(fù)責(zé)與DCS 0層的數(shù)據(jù)交互，仿真模型服務(wù)器（與實(shí)務(wù)控制器模型仿真為同一套模型）將數(shù)據(jù)發(fā)送給通訊網(wǎng)關(guān)，通訊網(wǎng)關(guān)將接收到的仿真數(shù)據(jù)通過共享內(nèi)存直接轉(zhuǎn)發(fā)至虛擬I/O通信板卡中，由I/O驅(qū)動(dòng)傳送至虛擬控制器中，虛擬控制器進(jìn)行邏輯處理和模擬量處理，處理完成后，虛擬機(jī)控制器下發(fā)指令進(jìn)行逆向處理，仿真模型服務(wù)器。②控制器站間通信。站間通信服務(wù)程序主要負(fù)責(zé)虛擬控制器、虛擬控制器與實(shí)物控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。為了能夠?qū)崿F(xiàn)與實(shí)物控制器的通信協(xié)議兼容，虛擬控制器間采用實(shí)物控制器的站間通信協(xié)議，并按照配置文件的配置信息進(jìn)行站間數(shù)據(jù)發(fā)送，同時(shí)采用定周期方式發(fā)送。同時(shí)控制器通訊數(shù)據(jù)后，根據(jù)自身配置信息，判斷是否保存至自身的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，供虛擬I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)讀取。虛擬控制器與實(shí)務(wù)控制器之間的站間通訊是通過DCS 1層控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。③DCS 2層端通信。DCS 2層端通信負(fù)責(zé)虛擬控制器和DCS 2層之間的數(shù)據(jù)交互。它主要完成以下工作：將DCS 1層的過程控制變量傳送至DCS 2層；接收DCS 2層的操作指令。虛擬控制器不僅僅是補(bǔ)充了硬接線仿真系統(tǒng)中無法實(shí)現(xiàn)的功能，同時(shí)虛擬控制器系統(tǒng)過程控制層軟件也為DCS工程控制組態(tài)提供了一整套測(cè)試、驗(yàn)證調(diào)試的平臺(tái)，能夠用于DCS工程組態(tài)和仿真驗(yàn)證，有效的壓縮DCS工程組態(tài)開發(fā)調(diào)試時(shí)間，而且該軟件具有與真實(shí)DCS系統(tǒng)一致的仿真度，對(duì)于全范圍模擬的性能和仿真度也有極大的改善。

5 結(jié)論

針對(duì)自主研制的Nicsys2000系統(tǒng)工程樣機(jī)，以參考機(jī)組DCS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立全套、實(shí)用、可靠和先進(jìn)的仿真環(huán)境，再現(xiàn)核電站DCS的控制邏輯功能設(shè)計(jì)調(diào)試、控制參數(shù)整定、控制策略優(yōu)化和事故工況，為驗(yàn)證Nicsys2000樣機(jī)系統(tǒng)的高性能和高可靠性提供了有力的保障。