核電廠DCS系統(tǒng)調(diào)試裝置研制

覃 華，劉培邦，張緒怡

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司 仿真中心，武漢 430223）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外新建核電站都采用分布式控制系統(tǒng)（DCS），DCS的功能和性能直接關(guān)系到核電廠的安全性與經(jīng)濟(jì)性[1]。因此，核電廠DCS系統(tǒng)投入使用之前，需要進(jìn)行大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作，以確保DCS系統(tǒng)功能及性能滿足核電廠要求。傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)調(diào)試方式是根據(jù)測(cè)試規(guī)程，通過短接線或信號(hào)發(fā)生器手動(dòng)為I/O模塊注入輸入信號(hào)，然后查看I/O模塊輸出信號(hào)。此種方式每次只能完成單個(gè)通道的測(cè)試，無(wú)法測(cè)試完整的設(shè)備聯(lián)鎖控制邏輯以及DCS機(jī)柜整體的性能，而且核電廠DCS系統(tǒng)的I/O規(guī)?；径荚?0000點(diǎn)以上，采用傳統(tǒng)調(diào)試方式，需要大量的人員和時(shí)間，而且容易引入人因失誤。

本文所描述的核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)調(diào)試裝置，通過構(gòu)建全廠的工藝系統(tǒng)和控制邏輯仿真模型，采用快速I/O接口技術(shù)以及控制邏輯虛實(shí)切換技術(shù)，與核電廠DCS構(gòu)成完整閉環(huán)，可根據(jù)調(diào)試需求靈活實(shí)現(xiàn)對(duì)通道、模塊、機(jī)柜、子系統(tǒng)以及全廠DCS系統(tǒng)的測(cè)試、驗(yàn)證。同時(shí)，利用該調(diào)試裝置可進(jìn)行核電廠DCS在穩(wěn)態(tài)、故障、事故等各類場(chǎng)景下的功能和性能驗(yàn)證。將仿真技術(shù)應(yīng)用到DCS出廠階段測(cè)試已經(jīng)逐漸被各大DCS廠商認(rèn)可，這種模式的測(cè)試也正在成為當(dāng)前DCS工程實(shí)施階段測(cè)試的主要方法[2]。

1 系統(tǒng)概述

1.1 研制流程

本裝置的研制包含了各種硬件的選型、集成，應(yīng)用軟件開發(fā)，主要開發(fā)流程如下：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

1）開發(fā)電廠工藝過程模型和仿真DCS一層。

2）選取待測(cè)試的系統(tǒng)，整理該系統(tǒng)的I/O清單。

3）根據(jù)選擇系統(tǒng)的I/O信息，配置硬件I/O板卡，制作便攜式調(diào)試箱。

4）開發(fā)接口。

5）根據(jù)清單配置I/O板卡，整理出配置文件。

6）開發(fā)IOMAP軟件。

7）編寫測(cè)試用例及規(guī)程。

根據(jù)測(cè)試規(guī)程，選取工作模式一和工作模式二，對(duì)比關(guān)鍵參數(shù)的曲線和邏輯響應(yīng)。

1.2 系統(tǒng)工作原理

在本裝置的研制及使用過程中，電廠模型與DCS一層有兩種連接模式，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

模式一（DCS一層采用仿真方式）：電廠工藝模型和DCS一層仿真系統(tǒng)在服務(wù)器內(nèi)通過接口程序構(gòu)成閉環(huán)。

模式二（DCS一層采用混合模式）：一部分DCS一層邏輯在DCS仿真系統(tǒng)中，通過接口程序與工藝系統(tǒng)模型構(gòu)成閉環(huán)；另外一部分待測(cè)試系統(tǒng)（或機(jī)柜）的DCS一層邏輯在DCS一層機(jī)柜中，經(jīng)I/O通訊板卡，通訊協(xié)議傳遞給測(cè)試系統(tǒng)（或機(jī)柜）對(duì)應(yīng)的電廠工藝模型；使DCS一層邏輯與電廠模型構(gòu)成閉環(huán)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)、DCS一層仿真軟件、電廠工藝模型軟件、調(diào)試管理軟件等部分。

2.1 硬件構(gòu)架

本裝置的硬件部分主要包括：服務(wù)器、調(diào)試箱、與DCS控制器機(jī)柜的接口，硬件架構(gòu)如圖2所示。

服務(wù)器用于運(yùn)行電廠工藝模型、DCS一層仿真系統(tǒng)軟件、通訊以及工程調(diào)試管理軟件。在開發(fā)階段，采用機(jī)架式服務(wù)器；工程應(yīng)用階段，為了方便移動(dòng)，可采用便攜式移動(dòng)終端配合服務(wù)器使用。

圖2 核電數(shù)字化系統(tǒng)調(diào)試裝置硬件架構(gòu)圖Fig.2 Hardware architecture diagram of nuclear power digital system debugging device

便攜式調(diào)試裝置主要包括電源、通訊控制器、I/O模塊和小型交換機(jī)等，主要用于將模型軟件計(jì)算出的工藝過程數(shù)據(jù)傳遞給實(shí)際機(jī)組的DCS控制機(jī)柜，同時(shí)將DCS控制機(jī)柜的控制輸出信號(hào)反饋到服務(wù)器中。調(diào)試裝置將根據(jù)電廠實(shí)際DCS機(jī)柜的通道類型和通道數(shù)，來(lái)配置不同種類和數(shù)量的I/O模塊。為了在工程應(yīng)用中方便攜帶，移動(dòng)測(cè)試不同系統(tǒng)的DCS控制機(jī)柜，所有的I/O模塊集成在旅行箱形狀的調(diào)試裝置中。

2.2 工藝系統(tǒng)模型與仿真的DCS一層

電廠工藝系統(tǒng)模型和仿真的DCS一層參考機(jī)組設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在RINSIM平臺(tái)上開發(fā)，對(duì)各主要系統(tǒng)采用不同的軟件建模。以下軟件/工具都是有廣泛的工程應(yīng)用、成熟的軟件。

1）堆芯物理：SimCore

2）主冷卻劑系統(tǒng)：SimTherm

3）安全殼：SimCont

4）流體和電氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：SimGen

5）DCS控制層：SimGen

采用純模擬方式（simulation），按DCS一層控制器的功能分布實(shí)現(xiàn)了DCS的控制層的圖形化建模，按機(jī)柜設(shè)計(jì)圖進(jìn)行了I/O點(diǎn)表的配置。

DCS一層機(jī)柜：在研制過程中，采用仿真的DCS一層機(jī)柜代替。機(jī)柜的I/O接口部分采用NI的I/O板卡代替；控制邏輯部分在服務(wù)器中仿真。

2.3 通訊接口

通信接口軟件用于建立仿真模型主機(jī)的I/O變量和一層DCS機(jī)柜的硬件設(shè)備點(diǎn)之間的映射關(guān)系，完成軟件變量與硬件設(shè)備點(diǎn)之間的通信傳輸。為了提高軟件的重構(gòu)能力，以及軟件的通用性，本裝置專門設(shè)計(jì)了軟件變量與硬件I/O設(shè)備的映射關(guān)系工具，該工具的主要功能是建立系統(tǒng)軟件變量和硬件設(shè)備點(diǎn)之間的映射關(guān)系，并產(chǎn)生一系列配置文件供通信接口軟件使用。

圖3 工程調(diào)試管理軟件運(yùn)行界面Fig.3 Engineering debugging management software running interface

通信接口軟件為C/S架構(gòu)，分為模型主機(jī)端（客戶端）和數(shù)據(jù)板卡端（服務(wù)器端）。其中，數(shù)據(jù)板卡端的接口軟件運(yùn)行在通信控制器中，作為數(shù)據(jù)收發(fā)的服務(wù)器端，接受來(lái)自模型主機(jī)端請(qǐng)求。同時(shí)，數(shù)據(jù)板卡端的接口軟件通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)同步至數(shù)據(jù)板卡模塊中，進(jìn)而由其通過硬接線的方式傳送至DCS機(jī)柜。模型主機(jī)端的接口軟件作為仿真支撐平臺(tái)的一部分，由仿真主控程序MST進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。電廠模型啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，通信接口軟件將同時(shí)啟動(dòng)，同步連接數(shù)據(jù)板卡端的服務(wù)器程序。

因?yàn)楹穗姀SDCS系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)于I/O采集響應(yīng)時(shí)間有較高的要求，所以在該方案選擇了NI的CRIO系列，DCS采樣速度最快可到微秒級(jí)，滿足反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)快速響應(yīng)測(cè)試的需求（通過FPGA進(jìn)行精確的數(shù)字I/O時(shí)間控制和延時(shí)計(jì)算），I/O模塊通過MXI進(jìn)行擴(kuò)展。

2.4 控制切換及配置

工程調(diào)試管理軟件具備“DCS”和“SIM”兩種運(yùn)行模式：即一般意義上的仿真模式（SIM）和切換至真實(shí)控制系統(tǒng)的DCS模式。在SIM模式下，電站過程模型由內(nèi)部搭建的I&C策略控制運(yùn)行，在DCS模式下，過程模型由實(shí)際DCS控制組態(tài)控制，以滿足單獨(dú)控制保護(hù)系統(tǒng)一對(duì)一的分步功能測(cè)試和若干控制保護(hù)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)運(yùn)行的開/閉環(huán)控制功能測(cè)試、邏輯預(yù)演及瞬態(tài)分析要求 。

根據(jù)DCS I/O點(diǎn)清單信息，建立相應(yīng)的I/O點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，每次試驗(yàn)前根據(jù)調(diào)試規(guī)程選取需要通訊的點(diǎn)進(jìn)行配置，其界面如圖3所示。該軟件具有如下功能：

◇ 完整的電廠DCS I/O點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)支持導(dǎo)入、導(dǎo)出和查詢等功能。

◇ 建立調(diào)試箱（I/O模塊）的接口點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

◇ 設(shè)置合理的選擇條件對(duì)DCS I/O點(diǎn)進(jìn)行篩選。

◇ 全圖形化操作界面，方便進(jìn)行DCS點(diǎn)與仿真點(diǎn)的匹配或刪除等操作。

◇ 自動(dòng)檢測(cè)DCS I/O點(diǎn)是否重復(fù)匹配，如果是，將報(bào)警提示。

◇ 可保存試驗(yàn)I/O點(diǎn)列表，以便下次試驗(yàn)時(shí)直接導(dǎo)入

3 應(yīng)用測(cè)試

圖4 調(diào)試參數(shù)曲線Fig.4 Debugging parameter curves

對(duì)于數(shù)字量系統(tǒng)測(cè)試，在調(diào)試過程中，根據(jù)調(diào)試需要可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到DCS I/O點(diǎn)的計(jì)算值，并可對(duì)通訊的值進(jìn)行操作干預(yù)，以圖形化形式顯示。主要包括功能：實(shí)時(shí)顯示被調(diào)試DCS I/O點(diǎn)的動(dòng)態(tài)輸出值；針對(duì)AI、DI類型變量，可進(jìn)行超控，強(qiáng)制改變從仿真系統(tǒng)傳遞輸入至DCS的值，相當(dāng)于常規(guī)調(diào)試的信號(hào)注入；對(duì)于AO、DO類型變量，可對(duì)其在“實(shí)際DCS輸出”與“仿真DCS計(jì)算值”之間進(jìn)行比較，當(dāng)偏差大于一定值時(shí)將變?yōu)榧t色以警示。如圖4所示。軟件部分的測(cè)試主要是針對(duì)電廠實(shí)際DCS level 1控制部分的測(cè)試。方法如下：

◇ 根據(jù)測(cè)試規(guī)程，整理出所有相關(guān)I/O點(diǎn)。

◇ 將這些I/O點(diǎn)置于“SIM”模式。

◇ 按照測(cè)試規(guī)程，復(fù)位相應(yīng)IC條件，操作模型（模型服務(wù)器中的機(jī)柜邏輯參考DCS level 1的設(shè)計(jì)文件），觀察變量響應(yīng)。

◇ 將這些I/O點(diǎn)從“SIM”模式切換到“DCS”模式。

◇ 復(fù)位同樣IC條件，在模型上做同樣操作，觀察變量響應(yīng)。

◇ 響應(yīng)一致說(shuō)明DCS中邏輯正確，不一致再查找原因。

由于本裝置尚處于開發(fā)研制階段，為了驗(yàn)證本裝置的實(shí)際可用性，特采用仿真DCS的形式，模擬電廠RCV系統(tǒng)的控制邏輯部分。分別在滿工況和事故工況下對(duì)兩種模式下RCV系統(tǒng)的重要參數(shù)進(jìn)行比較。

復(fù)位滿工況IC，分別采用模式一“SIM”模式和模式二“DCS”模式構(gòu)成回環(huán)，運(yùn)行3min左右，輸出這段時(shí)間內(nèi)上充下泄流量、容控箱液位、堆芯硼濃度、三四號(hào)穩(wěn)壓器電加熱器功率等參數(shù)曲線，如圖4(a)、圖4(c)所示。復(fù)位滿工況IC，分別采用模式一“SIM”模式和模式二“DCS”模式構(gòu)成回環(huán)，運(yùn)行60s后，插入高壓下泄孔板下游和RCV010VP上游的管線泄漏；再運(yùn)行2min左右，輸出這段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)壓器實(shí)際水位、壓力、上充下泄流量、容控箱液位以及上充閥開度變化曲線，如圖4(b)、圖4(d)所示。

滿工況和事故工況下兩組重要參數(shù)曲線的對(duì)比表明，在DCS機(jī)柜配置和組態(tài)邏輯與設(shè)計(jì)資料一致，模式二與模式一下參數(shù)響應(yīng)時(shí)間、參數(shù)變化趨勢(shì)都幾乎是一致的，仿真DCS可以實(shí)現(xiàn)與實(shí)際DCS切換，控制工藝系統(tǒng)運(yùn)行，進(jìn)一步證明此裝置可以起到核電廠實(shí)際DCS控制邏輯的驗(yàn)證需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究核電DCS系統(tǒng)的工程調(diào)試驗(yàn)證技術(shù)，對(duì)于國(guó)內(nèi)核電技術(shù)的發(fā)展和核安全的保障具有重要的意義[3]。本文的核電數(shù)字化系統(tǒng)調(diào)試裝置已投入實(shí)際工程應(yīng)用，但對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用中需要的功能如快速端接替換、測(cè)試場(chǎng)景的適用性、可操作性等方面考慮不夠充分，隨著依托項(xiàng)目的進(jìn)行，將會(huì)逐步完善這些功能，本裝置也將會(huì)在核電廠現(xiàn)場(chǎng)DCS調(diào)試中發(fā)揮更大的作用。