卡拉奇核電廠2號機(jī)組全模擬DCS系統(tǒng)研發(fā)

張 海，華志剛，何靖蕓，單福昌

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

全范圍模擬機(jī)是核電廠的關(guān)鍵設(shè)備，在核電廠工程建設(shè)和投入商運(yùn)后階段均發(fā)揮重要的作用。全模擬DCS系統(tǒng)和實(shí)際DCS系統(tǒng)應(yīng)用相同的工程設(shè)計(jì)輸入，全模擬DCS系統(tǒng)比實(shí)際DCS系統(tǒng)提前至少1年時(shí)間完成工程開發(fā)并投入到實(shí)際工程驗(yàn)證和核電廠運(yùn)行與維護(hù)人員的使用培訓(xùn)中。

基于現(xiàn)代核電廠高技術(shù)性和高安全性的要求，作為核電廠關(guān)鍵設(shè)備的全范圍模擬機(jī)(FSS-Full Scope Simulator)，在仿真范圍和仿真深度上提出了極高的技術(shù)要求。本文主要研究在卡拉奇核電廠中應(yīng)用的全模擬DCS系統(tǒng)。

1 仿真總體設(shè)計(jì)

1.1 仿真技術(shù)選擇

目前，核電DCS仿真技術(shù)有三種：實(shí)物模擬(Stimulation DCS)，虛擬實(shí)物模擬(Virtual DCS)，全模擬(Simulation DCS)。三種技術(shù)在研發(fā)投入，工程開發(fā)，后期維護(hù)等方面各有優(yōu)劣。三種技術(shù)的特點(diǎn)比較如表1所示。

表1 核電DCS仿真技術(shù)特點(diǎn)比較表Table 1 Comparison of the characteristics of the DCS simulation technology

卡拉奇核電廠仿真項(xiàng)目綜合考慮各方面因素，選擇了全模擬仿真技術(shù)。全模擬仿真技術(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)圖紙或DCS廠商的工程組態(tài)圖紙，通過仿真平臺軟件建模實(shí)現(xiàn)仿真開發(fā)。可完成復(fù)雜的培訓(xùn)仿真應(yīng)用功能開發(fā)，有開發(fā)進(jìn)度受實(shí)際DCS影響小，開發(fā)成本偏低，開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 仿真構(gòu)架設(shè)計(jì)

實(shí)際的DCS體系架構(gòu)分為四層。分別是工藝系統(tǒng)接口層(Level 0),過程控制層(Level 1),操作監(jiān)控層(Level 2)和信息管理層(Level 3)。每個(gè)層級都有一套冗余高速的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

全模擬DCS在系統(tǒng)在軟硬件構(gòu)架上與實(shí)際DCS有差異，工程開發(fā)中經(jīng)過綜合考慮仿真公司自有平臺的特點(diǎn)，開發(fā)工作量，開發(fā)進(jìn)度以及成本投入等因素。選擇一套最適合的軟硬件構(gòu)架。目前國內(nèi)核電廠全范圍模擬機(jī)中的全模擬DCS系統(tǒng)。弱化了信息管理層(Level 3)和工藝系統(tǒng)接口層(Level 0)的仿真開發(fā)，注重過程控制層(Level 1)和操作監(jiān)控層(Level 2)的仿真實(shí)現(xiàn)。

卡拉奇核電廠全模擬DCS系統(tǒng)所用軟件為國內(nèi)自主研發(fā)的RINSIM2.0平臺軟件。該軟件已多次成功應(yīng)用于核電站全范圍模擬機(jī)研發(fā)中，軟件可用性、仿真精度、響應(yīng)時(shí)間、可維護(hù)性以及信息安全都得到了業(yè)界的認(rèn)可。操作監(jiān)控層與過程控制層的數(shù)據(jù)通訊，采用成熟的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)開發(fā)，構(gòu)成高速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)，符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，通訊速率10 Mbps/100 Mbps，組成閉環(huán)仿真系統(tǒng)。全模擬DCS系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 仿真系統(tǒng)軟件構(gòu)架Fig.1 The architecture of the DCS simulation system software

2 全模擬系統(tǒng)研發(fā)

2.1 工藝系統(tǒng)接口層

全模擬DCS系統(tǒng)采用RIMSIM 2.0平臺軟件中的SimES軟件進(jìn)行工藝系統(tǒng)接口層(Level 0)仿真開發(fā)，通過軟件模擬實(shí)際DCS現(xiàn)場的傳感器、限位開關(guān)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等硬件設(shè)備，采用直觀的圖形化手段建立數(shù)學(xué)模型。

根據(jù)核電廠DCS系統(tǒng)劃分仿真系統(tǒng)。參考實(shí)際機(jī)組的現(xiàn)場設(shè)計(jì)建模，通過拖拽算法模板的方式完成系統(tǒng)仿真圖組態(tài)。建模完成后編譯生成模型程序、數(shù)據(jù)庫文件，裝載文件。通過數(shù)據(jù)下裝操作更新到仿真模型服務(wù)器中，即可仿真運(yùn)行調(diào)試。

2.2 過程控制層

過程控制層(Level 1)與工藝系統(tǒng)接口層(Level 0)和操作監(jiān)控層(Level 2)有數(shù)據(jù)接口。輸入來自Level 0的傳感器、變送器和限位開關(guān)等。輸出現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動信號。完成數(shù)據(jù)采集與處理、閉環(huán)調(diào)控、開環(huán)調(diào)控、順序控制等實(shí)際工藝調(diào)控過程。與Level 2進(jìn)行操作命令，過程值的數(shù)據(jù)交互。

全模擬DCS系統(tǒng)不模擬實(shí)際DCS現(xiàn)場物理信號的采集、電氣隔離、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等通過硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理過程，不模擬現(xiàn)場現(xiàn)場總線技術(shù)和控制柜間通過硬接線實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳遞，不分散模擬現(xiàn)場控制器(FCS)，全模擬DCS系統(tǒng)所有的控制邏輯集成于一臺物理仿真機(jī)中。所有的數(shù)據(jù)交互采用變量對點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)。全模擬DCS系統(tǒng) Level1的仿真重點(diǎn)在于基礎(chǔ)控制算法的準(zhǔn)確性，控制邏輯的準(zhǔn)確性，控制時(shí)序和調(diào)控參數(shù)準(zhǔn)確度。

工程開發(fā)中采用SimES軟件開發(fā)Level 1系統(tǒng)，仿真范圍涵蓋參考機(jī)組的所有控制邏輯，包括NC級(非安全級)和1E級(安全級)控制邏輯，硬件虛擬化模擬，軟件全模擬。

過程控制層軟件開發(fā)主要體現(xiàn)在控制算法開發(fā)和邏輯組態(tài)兩部分?？刂扑惴ǚ譃镮O算法，標(biāo)準(zhǔn)算法，通用算法，組態(tài)模板算法和自組算法。包含常見的：PID、微分、積分、超前滯后、伺服放大、三角函數(shù)以及基礎(chǔ)四則運(yùn)算等算法，也有DCS廠商根據(jù)多年行業(yè)經(jīng)驗(yàn)積累下來的專有控制算法，比如氣動閥(雙電控電磁閥)模板算法，氣動閥模板算法等。算法源碼采用C語言開發(fā)?？刂七壿嫷慕M態(tài)，是在DCS仿真項(xiàng)目下，以控制器為單位劃分仿真控制系統(tǒng)，模擬實(shí)物DCS的軟件結(jié)構(gòu)。在各個(gè)控制仿真系統(tǒng)中，根據(jù)設(shè)計(jì)邏輯圖(FD)和模擬圖(SAMA)，從算法庫中拖拽控制部件至組態(tài)畫面，配置參數(shù)、算法執(zhí)行序號等，實(shí)現(xiàn)串級、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測控制等先進(jìn)控制。仿真系統(tǒng)控制邏輯運(yùn)行效果圖如圖2所示。SimES支持仿真邏輯圖的在線修改及下裝。

圖2 Level 1 控制邏輯圖Fig.2 Level 1 control logic

實(shí)際DCS中，有一部分非圖形化的控制邏輯和功能計(jì)算程序，全模擬DCS系統(tǒng)中也采用非圖形化計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)這部分功能。

2.3 操作監(jiān)控層

操作監(jiān)控層是一個(gè)友好的人機(jī)交互平臺，基于日益精進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力和圖形顯示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資源數(shù)據(jù)高度集成。對核電廠實(shí)際生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)高級控制策略、故障診斷、質(zhì)量評估等。

實(shí)際DCS 操作監(jiān)控層是服務(wù)器/客戶端結(jié)構(gòu)，操作員站(OPS)分布于主控室(MCR)、遠(yuǎn)停室(RSS)、技術(shù)支持室(TSC)、機(jī)房(CR)、TC房、SLR室中，通過冗余的二層隔離環(huán)網(wǎng)S-NET與IO服務(wù)器、歷史服務(wù)器、計(jì)算服務(wù)器、Level 3網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。全模擬DCS系統(tǒng)Level 2在軟硬件上，除了硬件主備冗余不模擬外，其它方面全模擬實(shí)際DCS系統(tǒng)。全模擬DCS系統(tǒng)Level 2的仿真重點(diǎn)在于工藝流程畫面的準(zhǔn)確性，設(shè)備操作和響應(yīng)準(zhǔn)確性，報(bào)警、趨勢、日志、規(guī)程等軟件的功能準(zhǔn)確性以及軟件本身的響應(yīng)速度等。

全模擬DCS仿真人機(jī)界面，開發(fā)內(nèi)容包括設(shè)計(jì)圖元庫，組態(tài)流程畫面，開發(fā)特殊軟件功能模塊，服務(wù)器功能開發(fā)。

圖元分為設(shè)備、模擬量顯示器、狀態(tài)指示燈、信息窗、選擇器、導(dǎo)航鏈接、柱狀圖、圖表、曲線圖等，這些動態(tài)圖元的設(shè)計(jì)會遵循人因工程的設(shè)計(jì)原則，開發(fā)成標(biāo)準(zhǔn)化圖元庫。圖元庫的動態(tài)屬性使用JavaScript語法腳本語言開發(fā)，支持JavaScript的各種語言元素，包括常量、變量、表達(dá)式、if…else等條件語句，for…while…等循環(huán)語句；通過內(nèi)置對象可以實(shí)現(xiàn)腳本與圖形的交互，動態(tài)圖元的顯示變化是數(shù)據(jù)狀態(tài)的外在反應(yīng)。流程圖組態(tài)依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，按系統(tǒng)新建圖紙，通過拖拽圖元的方式完成流程圖繪制，依據(jù)設(shè)備點(diǎn)表完成設(shè)備點(diǎn)、操作窗、運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示窗等必要參數(shù)的組態(tài)，流程畫面保存成dvg格式圖文件。

操作監(jiān)控層仿真運(yùn)行軟件為SimOS，采用C++編程軟件包開發(fā)，調(diào)用dvg格式的HMI組態(tài)圖，仿真效果逼真、形象、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。仿真系統(tǒng)Level 2運(yùn)行效果圖如圖3所示。

圖3 Level 2 人機(jī)界面Fig.3 Level 2 HMI

Level 2實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器(Real Time Data Server)主要進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，歷史數(shù)據(jù)讀寫，報(bào)警產(chǎn)生計(jì)算和報(bào)警操作管理等。

Level 2計(jì)算服務(wù)器(Calculation Server)主要進(jìn)行二層中間量內(nèi)部計(jì)算，包括核電廠安全參數(shù)監(jiān)測，識別第一故障，安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)監(jiān)督，核電廠主設(shè)備監(jiān)督，事故運(yùn)行規(guī)程，報(bào)警抑制計(jì)算等。每一個(gè)功能計(jì)算都有一套邏輯方程，邏輯方程定義了始發(fā)事件的產(chǎn)生與事件結(jié)果之間的聯(lián)系，邏輯方程根據(jù)其功能和特點(diǎn)又進(jìn)一步的劃分，比如原因方程、命令方程、轉(zhuǎn)移方程、不一致方程等。

/*主泵RCS003PO斷路器打開導(dǎo)致停機(jī)停堆的邏輯方程*/

XRPA116VC=F2/3(XRPA242KS,XRPA155KS,XRPA222KS)·XRPA103VR

2.4 信息管理層

實(shí)際核電廠的信息管理層(Management lnformation System，MIS)，屬于廠級管理層，主要為核電廠重要決策者提供實(shí)時(shí)和事件類型的數(shù)據(jù)，滿足核電廠的監(jiān)管要求。例如應(yīng)急指揮中心(ECC)。

全模擬儀控系統(tǒng)是主要面向于操作員和維護(hù)人員的培訓(xùn)使用需求。所以弱化了在信息管理層的模擬?；緦?shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的監(jiān)視和管理功能。

3 仿真測試與設(shè)計(jì)驗(yàn)證

本章結(jié)合兩個(gè)實(shí)例介紹在全模擬DCS中的仿真測試與設(shè)計(jì)驗(yàn)證。通過典型的滿功率跳機(jī)不跳堆場景驗(yàn)證仿真可靠性，通過RHR001PO故障報(bào)警無法恢復(fù)問題介紹系統(tǒng)在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)驗(yàn)證中的應(yīng)用。

3.1 可靠性測試

全模擬DCS系統(tǒng)出廠需要經(jīng)過業(yè)內(nèi)專家的嚴(yán)格測試驗(yàn)收，在全范圍模擬機(jī)上運(yùn)行特定的核電廠工況和瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)是重要的驗(yàn)收環(huán)節(jié)，測試結(jié)果是評價(jià)系統(tǒng)質(zhì)量的一個(gè)重要參考。以下介紹一個(gè)典型的測試場景。

滿功率跳機(jī)不跳堆是一個(gè)典型測試場景，在1 min時(shí)間插入跳機(jī)故障，汽機(jī)停機(jī)，控制棒開始下插，核功率開始下降，一回路平均溫度下降，汽機(jī)由于跳機(jī)，轉(zhuǎn)速開始下降。約650 s后，核功率穩(wěn)定在30%附近，穩(wěn)壓器壓力、一回路溫度、穩(wěn)壓器水位趨于穩(wěn)定。

從控制的角度分析實(shí)驗(yàn)過程，插入跳機(jī)故障后，全模擬DCS系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前工況下G棒組調(diào)節(jié)設(shè)定值，計(jì)算輸出G棒組下插驅(qū)動信號，同時(shí)，全模擬DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收仿真工藝系統(tǒng)反饋的一回路平均溫度監(jiān)測值，通過R棒組的控制邏輯，計(jì)算輸出R棒組的調(diào)節(jié)驅(qū)動信號，動態(tài)的控制G棒組和R棒組的插拔達(dá)到調(diào)整核功率的目的。約650 s后核功率穩(wěn)定在預(yù)期的30%Pn。過程中，GCT排冷凝器和除氧器的四組閥，噴淋閥，加熱器等眾多設(shè)備也參與了調(diào)節(jié)控制。仿真運(yùn)行曲線如圖4所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合實(shí)際工藝系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的響應(yīng)。

圖4 滿功率跳機(jī)不跳堆工況運(yùn)行曲線Fig.4 Operating curve of full power turbine trip without reactor trip

3.2 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

卡拉奇核電廠全范圍模擬機(jī)具有完整的工藝仿真系統(tǒng)和全模擬DCS系統(tǒng)，能夠仿真核電廠的運(yùn)行工況，具備驗(yàn)證全模擬DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入的條件。

設(shè)計(jì)輸入驗(yàn)證的范圍包括流程顯示驗(yàn)證、邏輯功能驗(yàn)證、接口驗(yàn)證、整定值驗(yàn)證。在驗(yàn)證測試中，以測試規(guī)程為依據(jù)，在全范圍模擬機(jī)上運(yùn)行核電廠工況(如穩(wěn)態(tài)、30%Pn功率以及10%階躍升降功率等)，測試人員根據(jù)規(guī)程進(jìn)行操作后，在二層界面進(jìn)行狀態(tài)檢查，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，依次從流程顯示畫面→邏輯功能→整定值→接口逐一排查，定位問題。

以卡拉奇核電廠全模擬DCS系統(tǒng)中RHR001PO故障報(bào)警無法恢復(fù)問題為例，設(shè)置如下測試場景：復(fù)位100%Pn功率工況，RHR001PO正常運(yùn)行，在仿真教控臺中插入故障跳閘故障，設(shè)備出現(xiàn)run fault，此時(shí)二層畫面中無法操作泵停運(yùn)按鈕，故障報(bào)警無法復(fù)位；刪除故障信號，合上BRK后，泵立即啟動。依次排查，問題定位在一層控制邏輯中，泵的啟動命令一直在觸發(fā)保持狀態(tài)，與現(xiàn)場設(shè)備反饋狀態(tài)不一致出現(xiàn)故障，泵故障后，無法通過二層手動操作使故障信號消失，為DCS設(shè)計(jì)問題。

4 總結(jié)

通過全模擬DCS系統(tǒng)在卡拉奇核電廠中的使用反饋，全模擬DCS系統(tǒng)在仿真相似度，仿真精度，系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全可靠性方面滿足操作員培訓(xùn)需求。全模擬技術(shù)受實(shí)際DCS影響小，研發(fā)進(jìn)度可控，還具備易于改造的特性，能比較容易的實(shí)現(xiàn)后期的需求變更，在首堆的模擬系統(tǒng)研發(fā)中具有優(yōu)勢。全模擬DCS系統(tǒng)的全范圍模擬機(jī)除了應(yīng)用于操作員取照培訓(xùn)外，也可用于核電廠特殊功能試驗(yàn)，設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，DCS廠家的工程分析等。使用范圍廣泛，極具推廣價(jià)值。