核電廠安全級虛擬控制系統(tǒng)硬邏輯模擬開發(fā)

雷靜

摘 要：為解決核電廠模擬機(jī)開發(fā)過程中遇到的DCS（Digital Control System）硬接線的模擬問題，提出了基于三菱MELTAC數(shù)字化儀控系統(tǒng)的模擬實(shí)施方案。首先，通過對核電廠上游輸入文件的詳細(xì)分析，包括核電廠系統(tǒng)手冊、硬盤臺圖紙、繼電器機(jī)柜圖紙等，確定硬接線的模擬范圍。然后介紹需模擬的硬邏輯在MELTAC中轉(zhuǎn)化為DCS應(yīng)用軟件的過程。該方案的可行性在寧德核電一期全范圍模擬機(jī)開發(fā)過程中得到驗(yàn)證。該方案可應(yīng)用于新建模擬機(jī)虛擬DCS硬接線模擬和已投入培訓(xùn)的全壽期模擬機(jī)改造升級。

關(guān)鍵詞：虛擬DCS；硬接線；模擬

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）19-0161-02

核電廠全范圍模擬機(jī)（FSS，F(xiàn)ull Scope Simulator）是核電廠建設(shè)的關(guān)鍵路徑。核電廠控制系統(tǒng)的模擬、核電廠工藝系統(tǒng)的模擬是模擬機(jī)項(xiàng)目開發(fā)過程中最重要的兩個(gè)部分。目前國際上通用的核電廠模擬機(jī)主要有純模擬（Simulation）、虛擬實(shí)物模擬（Emulation）以及實(shí)物模擬（Stimulation）這3種實(shí)現(xiàn)途徑，在實(shí)際項(xiàng)目選型時(shí)需要從經(jīng)濟(jì)性、精確性、易維護(hù)性以及對工程項(xiàng)目的時(shí)間進(jìn)度影響等方面綜合考慮。

寧德全范圍模擬機(jī)項(xiàng)目對核電廠控制系統(tǒng)的模擬以虛擬實(shí)物模擬（Emulation）為主，結(jié)合實(shí)物模擬（Stimulation）和純模擬（Simulation）方式。對虛擬DCS控制機(jī)柜中的邏輯模擬，采用對控制器Emulation方式將實(shí)際DCS的工程組態(tài)轉(zhuǎn)移到虛擬DCS中，實(shí)現(xiàn)真實(shí)DCS的平臺轉(zhuǎn)移和控制功能再現(xiàn)。由于硬接線邏輯不包含在DCS工程組態(tài)的范圍內(nèi)，在實(shí)際電站中是由若干硬接線、繼電器、定時(shí)器等硬件搭建組成。硬接線和硬盤臺共同組成DCS控制系統(tǒng)故障時(shí)核電廠對機(jī)組的后備控制手段。在模擬機(jī)中如采用實(shí)物模擬（Stimulation）方式實(shí)現(xiàn)的話，成本太高，工期長，設(shè)備占據(jù)空間大，耗費(fèi)人力物力，且實(shí)施和維護(hù)不易。本文采用Simulation方式模擬，具有節(jié)約成本、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文以寧德全范圍模擬機(jī)項(xiàng)目為例，就虛擬DCS開發(fā)過程中的硬接線模擬方案進(jìn)行了分析和探討。

1 技術(shù)方案

在實(shí)際安全級控制系統(tǒng)中，大部分安全級的控制和保護(hù)邏輯是通過運(yùn)行在MELTAC（安全級控制系統(tǒng)控制器軟件）中的POL（Problem Oriented Language）實(shí)現(xiàn)的，即我們通常所說的DCS工程組態(tài)；除此以外，安全級的ARC（Auxiliary Relay Cabinet）機(jī)柜、硬盤臺與DCS的硬接線等都屬于硬接線，在模擬機(jī)項(xiàng)目的模擬范圍內(nèi)。

實(shí)現(xiàn)安全級DCS虛擬控制系統(tǒng)硬接線模擬開發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵：一是通過對上游輸入文件的分析和研究，實(shí)現(xiàn)硬件到軟件邏輯的轉(zhuǎn)換；二是建立轉(zhuǎn)換后的組態(tài)語言中I/O變量與模型變量、安全級內(nèi)部I/O變量之間的通訊。

實(shí)現(xiàn)硬件到軟件邏輯的轉(zhuǎn)換，最快捷可行的方案是將ARC機(jī)柜及其他的硬接線轉(zhuǎn)化為在MELTAC中運(yùn)行的POL，就像其他的安全級控制系統(tǒng)軟件邏輯一樣在MELTAC中運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)這一方案，首先需要將硬接線邏輯通過MELENS（安全級控制系統(tǒng)工程師組態(tài)工具）進(jìn)行組態(tài)。這些上游輸入文件和圖紙中設(shè)計(jì)的邏輯，在實(shí)際DCS系統(tǒng)工程實(shí)施時(shí)會轉(zhuǎn)化為繼電器機(jī)柜、硬接線等，而在模擬機(jī)中則轉(zhuǎn)化為軟件組態(tài)語言。POL是用于三菱核電廠儀控系統(tǒng)MELTAC -N plus R3中的控制語言，可實(shí)現(xiàn)核電廠安全級常規(guī)控制和異常保護(hù)的高可靠控制邏輯和功能組態(tài)。

1.1 邏輯轉(zhuǎn)換

邏輯轉(zhuǎn)換的過程，即運(yùn)用METAC-N plus R3系統(tǒng)的算法軟件，通過上游輸入文件實(shí)現(xiàn)實(shí)際DCS系統(tǒng)需要被虛擬的功能，在組態(tài)環(huán)境中完成功能算法的開發(fā)、I/O變量的添加、控制邏輯圖的組態(tài)、編譯和下裝功能。

根據(jù)硬接線連接的接口不同，實(shí)施方案可分為三部分。第一部分是與安全級繼電器機(jī)柜ARC相關(guān)聯(lián)的部分；第二部分是安全級專用硬件-PIF卡件模擬；第三部分是除了第一部分和第二部分以外的部分，包括安全級DCS機(jī)柜間接口和BUP/ECP/RSS的接口。在邏輯開發(fā)的過程中，將第一部分的硬邏輯轉(zhuǎn)換后生成的POL命名為ARC-A（A列繼電器柜邏輯）和ARC-B（B列繼電器柜邏輯），將第三部分的硬邏輯轉(zhuǎn)換后生成的POL命名為MISC-HW（Miscellaneous hardware）；專用硬件-PIF卡件的模擬采用專用邏輯與I/O配置相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。

1.2 繼電器機(jī)柜及關(guān)聯(lián)接口的實(shí)現(xiàn)

繼電器機(jī)柜及關(guān)聯(lián)接口共包含5種類型，分別是：（1）ARC機(jī)柜內(nèi)部；（2）ARC與BUP/ECP的接口；（3）ARC與Level 0的接口；（4）ARC與NC（非安全級控制系統(tǒng)）的接口；（5）ARC與安全級其他機(jī)柜（如SLC或ESFAC）的接口；在BUP/ECP的原理圖、信號接口圖和各機(jī)柜配線圖中，對以上五種接口類型的描述較為詳細(xì)。

通過對上游輸入文件的邏輯分析，在MELENS中新建兩個(gè)虛擬機(jī)柜，分別命名為ARC-A和ARC-B；將圖紙轉(zhuǎn)化為軟件組態(tài)語言后的POL。為了保證邏輯轉(zhuǎn)換的完整性，需逐頁確認(rèn)圖紙的硬邏輯信息。

1.3 其它硬邏輯的實(shí)現(xiàn)

其它硬邏輯的實(shí)現(xiàn)方式與繼電器機(jī)柜的實(shí)現(xiàn)方法相似，但是涉及到的輸入文件范圍更廣。其它硬邏輯包含兩種類型接口：（1）安全級控制系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)柜間；（2）BUP/ECP/RSS內(nèi)部的硬邏輯；在機(jī)柜原理圖和邏輯圖中包含其它硬邏輯的相關(guān)設(shè)計(jì)輸入信息。

通過對上游輸入文件的邏輯分析，在MELENS中新建一個(gè)虛擬機(jī)柜，命名為MISC-HW。

1.4 PIF卡件模擬

對安全級DCS中用到的4種PIF卡進(jìn)行專項(xiàng)模擬，并在I/O配置文件中根據(jù)上游設(shè)計(jì)文件進(jìn)行配置。開發(fā)好的專項(xiàng)模擬邏輯程序運(yùn)行于安全級仿真服務(wù)器中，在MELTAC運(yùn)行時(shí)由SCHEDULE統(tǒng)一調(diào)用。I/O配置文件的設(shè)置見第3節(jié)說明。

2 通訊實(shí)現(xiàn)

2.1 IO配置

安全級控制系統(tǒng)與模型服務(wù)器之間的通訊，通過I/O變量的地址對應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。在開發(fā)POL的過程中，會產(chǎn)生一些虛擬的I/O變量。這些變量在實(shí)際DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件中原本不存在，在硬接線邏輯模擬實(shí)施過程中由工程師添加到MELENS中。這就需要對I/O變量表進(jìn)行修改。

安全級DCS與模型之間的通訊原理見圖1。

模型服務(wù)器周期發(fā)送AI/DI指令，發(fā)送周期為100ms；安全級虛擬DCS發(fā)送AO/DO信號。其中，AI為模擬量輸入信號；DI為數(shù)字量輸入信號；AO為模擬量輸出信號；DO為數(shù)字量輸出信號。這四種類型的信號參數(shù)（包括信號名稱、描述、量程等）在IO sheet中定義。

2.2 PIF卡件的I/O配置

PIF卡件僅僅在安全級DCS DI/DO信號中使用，因此僅需要對DI Sheet和DO Sheet進(jìn)行配置。PIF卡件類型及輸入輸出序號信息可從接口配線圖（Wiring Diagram （IF））中獲取。

2.3 內(nèi)部通訊配置文件（PIO.INI）

安全級內(nèi)部信號之間的通訊，采用名為PIO.INI的配置文件來定義。它定義了在安全級DCS內(nèi)部的所有硬接線點(diǎn)的通訊，包括MELTAC and MELTAC（控制機(jī)柜之間）、MELTAC and ARC（控制機(jī)柜與繼電器柜之間）、MELTAC and DAC（控制機(jī)柜與DAC機(jī)柜之間）、MELTAC and MISC-HW（控制機(jī)柜與其他硬接線虛擬機(jī)柜之間）。

3 開發(fā)輸出

在硬邏輯模擬實(shí)施完成后，產(chǎn)生的輸出軟件程序及文件包含Relay Cabinet POL、Miscellaneous hardware logic POL、IO Sheet、pio.ini file。

4 結(jié)語

本文運(yùn)用Simulation方式實(shí)現(xiàn)了寧德全范圍模擬項(xiàng)目安全級控制系統(tǒng)硬接線邏輯模擬和開發(fā)。它充分利用已有控制系統(tǒng)提供的組態(tài)功能、變量增減功能、配置文件修改功能、軟件應(yīng)用開發(fā)功能，通過對上游設(shè)計(jì)文件的詳細(xì)分析，實(shí)現(xiàn)了硬接線邏輯虛擬化，控制邏輯全面化。該方案不僅具有節(jié)約成本、功能和性能完善、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，還避免了重新開發(fā)工具軟件。它不僅能夠?yàn)椴煌愋偷腄CS控制系統(tǒng)模擬提供參考方法，也可用于從實(shí)際DCS應(yīng)用軟件到虛擬DCS應(yīng)用軟件的升級改造。

參考文獻(xiàn)

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