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>

【摘 要】 隨著國(guó)內(nèi)的核電站建設(shè)規(guī)模不斷增大，為了提高核電的自主供貨比例，研制開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)核電站用DCS勢(shì)在必行。因此，對(duì)于核電DCS平臺(tái)的仿真驗(yàn)證工作變得非常重要。仿真驗(yàn)證工作的關(guān)鍵，是在于如何更真實(shí)、更高效地對(duì)設(shè)備層（0層）進(jìn)行模擬。論文基于實(shí)際工程實(shí)施，講解了一種0層設(shè)備仿真功能的實(shí)現(xiàn)方式和原理。

【Abstract】With the increasing scale of nuclear power plant construction in China， it is imperative to develop the domestic DCS for nuclear power plant in order to increase the proportion of independent nuclear power supply. Therefore， the simulation of the nuclear power DCS platform is very important. The key of simulation verification is how to simulate the equipment layer （0 layer） more realistically and efficiently. Based on the implementation of the actual engineering， this paper explains the realization mode and principle of the simulation function of 0 layer equipment.

【關(guān)鍵詞】核電DCS；驗(yàn)證樣機(jī)；非安全級(jí)

【Keywords】 nuclear power DCS； verification prototype； non-security level

【中圖分類(lèi)號(hào)】TL48 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）04-0192-03

1 引言

近年來(lái)，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Nicsys 2000 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NicSys 2000平臺(tái)的可用性[1]。

2 驗(yàn)證系統(tǒng)組成

為了驗(yàn)證Nicsys 2000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(lái)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(mén)、儀表）；1層過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)DCS 0-1層通信接口程序通過(guò)電纜和通訊與DCS1層進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)交互。②過(guò)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(guò)程一般包含多臺(tái)控制器，控制器之間通過(guò)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(guò)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Nicsys 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(lái)。模擬的質(zhì)量保證系統(tǒng)的響應(yīng)與實(shí)際過(guò)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(shuō)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(mén)、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(guò)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]。控制邏輯將用布爾方程進(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(guò)程，系統(tǒng)功能是以被測(cè)物理變量和過(guò)程狀態(tài)等式來(lái)完成描述的。除狀態(tài)變量外，工藝過(guò)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Nicsys2000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(lái)實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)的仿真。有些功能無(wú)法通過(guò)IO板卡來(lái)實(shí)現(xiàn)，則通過(guò)用仿真控制器來(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(kāi)關(guān)量、模擬量輸入卡變?yōu)殚_(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)法通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kù)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(guò)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(guò)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，同時(shí)虛擬控制器系統(tǒng)過(guò)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(kāi)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。

【參考文獻(xiàn)】

【1】劉鵬飛.核電廠DCS系統(tǒng)功能驗(yàn)證工程模擬機(jī)研究[J].核動(dòng)力工程， 2009（30）：48-51.