核電廠安全控制顯示模擬系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

竇維維,馬忠剛,李 萌,馬建新

(北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司,北京 100094)

0 引言

核電廠安全控制顯示模擬系統(tǒng)是和睦模擬系統(tǒng)(FirmSys)中的重要人機(jī)接口裝置[1-2],在對核電廠主控室和睦系統(tǒng)操縱員培訓(xùn)的過程中起到重要作用[3]。但是國內(nèi)該領(lǐng)域的產(chǎn)品長期以國外產(chǎn)品為主。 為降低成本、便于操縱員培訓(xùn),對核電安全控制顯示模擬系統(tǒng)進(jìn)行研究、設(shè)計、實現(xiàn)。 核電廠安全控制顯示模擬系統(tǒng)是對實體和睦系統(tǒng)中安全控制顯示裝置的模擬。 該模擬系統(tǒng)要仿真實現(xiàn)與實體裝置完全一致的畫面顯示、頁面切換、安全級設(shè)備操作、設(shè)備狀態(tài)顯示、算法邏輯運(yùn)行等功能。 同時,安全控制顯示模擬系統(tǒng)要具備教、學(xué)的功能,以達(dá)到對核電站主控室操縱員進(jìn)行培訓(xùn)、考核的目標(biāo)。

1 安全控制顯示模擬系統(tǒng)的研究

1.1 技術(shù)研究

核電廠安全控制顯示模擬系統(tǒng)是對和睦系統(tǒng)中安全控制顯示裝置(safety control information device,SCID)的模擬[4]。 實體SCID 安全控制顯示裝置是和睦系統(tǒng)中重要的安全級人機(jī)接口裝置。 對應(yīng)的安全控制顯示模擬系統(tǒng)在和睦模擬系統(tǒng)的培訓(xùn)過程中提供人機(jī)交互的接口,為操縱員的培訓(xùn)提供操控設(shè)備。

但是國內(nèi)該領(lǐng)域沒有自主研發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品。 實際使用中,仍以美國、法國、日本等國的產(chǎn)品為主。 典型的產(chǎn)品為日本三菱的模擬系統(tǒng)。 因此,有必要針對實體設(shè)備的功能及模擬系統(tǒng)的特性開展自主研制。

1.2 主要功能

安全控制顯示模擬系統(tǒng)的功能主要包含2 個部分:模擬實體設(shè)備的功能和模擬系統(tǒng)的其他功能。

該模擬系統(tǒng)要模擬實現(xiàn)實體SCID 的各項功能,運(yùn)行實體組態(tài)文件及算法,無需針對模擬系統(tǒng)重新進(jìn)行工程組態(tài)。 安全控制顯示模擬系統(tǒng)要根據(jù)模型服務(wù)器的指令實現(xiàn)模擬系統(tǒng)的其他功能,具備對核電操縱員進(jìn)行培訓(xùn)、考核的功能。

1.2.1 模擬實體設(shè)備的功能[5]

①畫面顯示。 實現(xiàn)與實體SCID 完全一致的畫面顯示,可通過頁面按鈕切換頁面;接收實體組態(tài)的網(wǎng)絡(luò)變量,顯示變量的實時數(shù)值;顯示高低限報警圖符;顯示設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。

②設(shè)備操控。 實現(xiàn)與實體SCID 一致的操控設(shè)備的功能,可通過手操器完成對相關(guān)設(shè)備的啟動、停止、調(diào)節(jié)閥門參數(shù)等相關(guān)的操作;執(zhí)行實體組態(tài)的邏輯算法,產(chǎn)生與實體一致的邏輯輸出;響應(yīng)非安全級(non classified,NC)數(shù)字化儀控平臺模擬系統(tǒng)發(fā)送的調(diào)屏指令,顯示對應(yīng)的設(shè)備畫面。

1.2.2 模擬系統(tǒng)的其他功能[6]

①響應(yīng)模擬指令。 響應(yīng)模擬系統(tǒng)的運(yùn)行指令,實現(xiàn)模擬設(shè)備啟動、周期運(yùn)行、停止、回放等功能,以及模擬設(shè)備故障和日志記錄功能。

②教學(xué)功能。 設(shè)置教員站和學(xué)員站,教員站設(shè)置不同的教練模式,具備教員演示學(xué)員學(xué)習(xí)、學(xué)員操作教員考核的教學(xué)功能。

1.3 設(shè)計難點(diǎn)

安全控制顯示模擬系統(tǒng)的實現(xiàn)難點(diǎn)如下所述。

①其運(yùn)行周期、操控響應(yīng)時間要與實體的實時性能保持一致。

②教員站顯示的數(shù)據(jù)與學(xué)員站顯示的數(shù)據(jù)要保持一致性,以保證學(xué)員實時看到的數(shù)據(jù)與教員實時看到的數(shù)據(jù)相同。

③系統(tǒng)要具有真實性,使學(xué)員在培訓(xùn)、學(xué)習(xí)時感受到與實體相近的操作體驗。

2 安全控制顯示模擬系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 實時性設(shè)計

安全控制顯示模擬系統(tǒng)采用虛擬實物模擬(emulation)的技術(shù)進(jìn)行設(shè)計實現(xiàn),虛擬實物模擬在性能和物理逼真度上高于模擬(simulation)技術(shù),同時在實現(xiàn)成本和接口復(fù)雜度上都低于實物模擬(simulation)技術(shù)[7-8]。

為確保安全控制顯示模擬系統(tǒng)的實時性與實體安全控制顯示裝置的實時性保持一致,將安全控制顯示模擬系統(tǒng)的功能拆分為2 個部分:算法邏輯、控制功能、數(shù)據(jù)處理、模擬指令在仿真服務(wù)器內(nèi)的SimSCID 中實現(xiàn);畫面顯示功能在計算機(jī)上的SimDisp 中實現(xiàn)。

該結(jié)構(gòu)設(shè)計中將比較耗時的功能,以及教員站和學(xué)員站都需使用的共性功能放在服務(wù)器中進(jìn)行實現(xiàn),依靠服務(wù)器優(yōu)越的性能縮短其運(yùn)行的時間。 計算機(jī)上運(yùn)行的SimDisp 以顯示畫面為主,從而解決因計算機(jī)性能低下而引發(fā)的運(yùn)行超時的問題,使安全控制顯示模擬系統(tǒng)的時間性能與實體裝置保持一致。

安全控制顯示模擬系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1 所示。

圖1 安全控制顯示模擬系統(tǒng)總體設(shè)計圖Fig.1 Overall design of safety control display simulation system

安全控制顯示模擬系統(tǒng)的周期運(yùn)行時間要與實體一致。 因此在周期循環(huán)階段,SimSCID 每200 ms 接收一次調(diào)度指令,SimSCID 內(nèi)的主線程(main thread)接收到調(diào)度指令后執(zhí)行一次周期循環(huán)、一次算法邏輯計算,更新一次網(wǎng)絡(luò)接收的實時數(shù)據(jù),并將自身運(yùn)行周期控制在200 ms。 SimDisp 運(yùn)行周期通過時鐘設(shè)置控制在200 ms。

此外,為更好地提升模擬系統(tǒng)的響應(yīng)時間,達(dá)到實時響應(yīng)的效果,仿真服務(wù)器內(nèi)的SimSCID 模塊采用多線程并行處理的方式,即接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在一個線程中處理的同時,算法邏輯在另一線程中并行處理。 經(jīng)邏輯算法計算后的結(jié)果再分別發(fā)送給對應(yīng)的學(xué)員站和教員站,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速交互,以達(dá)到實時響應(yīng)的效果。

2.2 數(shù)據(jù)一致性設(shè)計

和睦模擬系統(tǒng)中站號相同的教員SimDisp 與學(xué)員SimDisp 顯示的數(shù)據(jù)要保持一致性。 為此,在SimSCID模塊內(nèi)對教員站與學(xué)員站共用的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、算法邏輯進(jìn)行統(tǒng)一處理。 將SimSCID 模塊拆分為主線程、教員線程、學(xué)員線程。 SimSCID 結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 SimSCID 結(jié)構(gòu)Fig.2 SimSCID structure

主線程中包含算法、手操器邏輯、收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等共有功能。 設(shè)立共享內(nèi)存,將算法執(zhí)行的結(jié)果、網(wǎng)絡(luò)收發(fā)的數(shù)據(jù)、各個數(shù)據(jù)區(qū)的實時數(shù)據(jù)均放在共享內(nèi)存中。教員線程與學(xué)員線程從共享內(nèi)存區(qū)獲取數(shù)據(jù),保證數(shù)據(jù)源的一致性,解決學(xué)員和教員各自獲取數(shù)據(jù)時存在差異性的問題。 此外,主線程響應(yīng)從仿真服務(wù)器接收到的運(yùn)行指令,依指令完成啟動、運(yùn)行、存儲IC、回放、停止等功能[9]。

教員線程與教員SimDisp 進(jìn)行通信,學(xué)員線程與學(xué)員SimDisp 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。 他們均使用TCP/IP 協(xié)議,通過Socket 建立連接。 將各個數(shù)據(jù)區(qū)的實時數(shù)據(jù)與仿真服務(wù)器的其他狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給各自對應(yīng)的SimDisp;同時,接收從SimDisp 反饋的狀態(tài)數(shù)據(jù)及觸屏操作的坐標(biāo)信息,并更新至共享內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)供算法邏輯運(yùn)算使用,至此完成SimSCID 與SimDisp 之間數(shù)據(jù)及狀態(tài)的傳輸功能。 SimSCID 與SimDisp 之間的數(shù)據(jù)流如圖3 所示。

圖3 SimSCID 與SimDisp 之間的數(shù)據(jù)流Fig.3 Data flow between SimSCID and SimDisp

為更好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性,對畫面有效操作的唯一性也進(jìn)行限定。 教員SimDisp 設(shè)置3 種不同模式,有監(jiān)控模式、演示模式和超控模式。 監(jiān)控模式為教員授課模式,SimSCID 只處理教員SimDisp 上傳的操作信息。 演示模式為學(xué)員學(xué)習(xí)、考核模式,SimSCID 只處理學(xué)員SimDisp 上傳的操作信息,使畫面有效操作具有唯一性,從而實現(xiàn)教員在教課時學(xué)員在學(xué)員SimDisp端即可觀看并學(xué)習(xí)當(dāng)前教員的所有操作和教員站畫面顯示的數(shù)據(jù),完成教學(xué)。 在學(xué)員考核時,教員在教員站即可觀看到當(dāng)前學(xué)員的所有操作和學(xué)員端畫面顯示的所有數(shù)據(jù),以完成學(xué)員考核。

2.3 真實性設(shè)計

安全控制顯示模擬系統(tǒng)中直接與人進(jìn)行交互的部分為SimDisp 端。 SimDisp 運(yùn)行于計算機(jī)上,主要完成安全控制顯示畫面的顯示。 為盡可能地提高仿真的真實性,分別從硬件層面和軟件層面進(jìn)行實現(xiàn)。

①硬件層面。 SimDisp 直接由操縱員進(jìn)行操控,采用10.4 英寸(1 英寸=25.4 mm)顯示器作為工業(yè)可觸控顯示屏。 其頁面長寬與實體一致,為800×600 的像素,可實現(xiàn)畫面中圖元的位置、大小與實體畫面一致的效果。 其次,顯示屏的外形、顏色與實體安全控制顯示裝置的外觀保持一致。 其操控觸感接近實體裝置的實際操作,使操縱員在培訓(xùn)過程中有更真實的操控體驗,從硬件設(shè)備的層面實現(xiàn)仿真的真實性。

②軟件層面。 SimDisp 功能模塊主要有初始化解析實體設(shè)備組態(tài)文件模塊、獲取觸摸屏操作信息模塊、接收數(shù)據(jù)模塊、發(fā)送數(shù)據(jù)模塊、教學(xué)模式切換模塊、顯示模塊、頁面切換模塊。 SimDisp 與SimSCID 在初始化階段解析的配置文件、算法文件、畫面文件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)文件與實體設(shè)備使用的下裝文件一致。 這在避免組態(tài)文件二次轉(zhuǎn)換的同時,使模擬顯示的畫面內(nèi)容與實際設(shè)備顯示的畫面完全一致,從而使其頁面的切換功能、手操器操控功能、下發(fā)指令功能、頁面的實時數(shù)據(jù)、設(shè)備的實時狀態(tài)與實體設(shè)備一致。

此外,SimDisp 調(diào)用與實體設(shè)備完全一致的字庫,可確保數(shù)字、漢字、字母顯示的高度及寬度與實體保持一致的效果,同時保證仿真字庫中針對實體產(chǎn)品特定效果設(shè)置的特殊字符的正常顯示。 由此,系統(tǒng)從軟件及功能的層面實現(xiàn)仿真的真實性。

SimDisp 根據(jù)配置信息的不同,對學(xué)員SimDisp 和教員SimDisp 進(jìn)行區(qū)分。 培訓(xùn)過程需所有教員站同時在同一計算機(jī)上運(yùn)行,通過批處理的方式實現(xiàn)所有教員SimDisp 的同時啟動、同時關(guān)閉,并通過鍵盤快捷鍵解決不同教員之間切換的問題。

3 關(guān)鍵技術(shù)驗證

安全控制顯示模擬系統(tǒng)作為一個包含上、下兩部分的系統(tǒng),其系統(tǒng)整體運(yùn)行的時間性能、不同終端數(shù)據(jù)顯示的一致性問題以及仿真的真實性,是系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)及質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)。 這些因素會影響操縱員操作設(shè)備的響應(yīng)速度及教學(xué)過程的效率。 系統(tǒng)實現(xiàn)效果驗證如下。

3.1 時間性能驗證

①系統(tǒng)周期運(yùn)行時間。

和睦模擬系統(tǒng)接收模型服務(wù)器的調(diào)度時間為100 ms,周期循環(huán)階段每200 ms 向SimSCID 發(fā)送一次調(diào)度指令。 SimSCID 在 200 ms 內(nèi)執(zhí)行完成,且CPU 負(fù)荷在70%以內(nèi)。 其次,SimDisp 在固定周期200 ms 內(nèi)執(zhí)行的CPU 負(fù)荷保持在70%以下。 由此SimSCID 和SimDisp 組成的系統(tǒng)保持200 ms 的運(yùn)行周期,使仿真系統(tǒng)的周期時間與實體設(shè)備的周期時間實現(xiàn)一致性。

②系統(tǒng)響應(yīng)指令時間。

安全控制顯示模擬系統(tǒng)的性能指標(biāo)中提出頁面有效操作要在400 ms 內(nèi)完成響應(yīng),與實體設(shè)備的要求保持一致。 但是在安全控制顯示模擬系統(tǒng)中,算法和顯示被拆分為2 個部分實現(xiàn),且SimSCID 和SimDisp 異步運(yùn)行,無法直接固定運(yùn)行周期。 即從SimDisp 產(chǎn)生的頁面切換的有效操作指令,經(jīng)仿真服務(wù)器處理后在SimDisp完成新頁面的顯示需要在400 ms 內(nèi)完成。 經(jīng)測試,操控指令從被獲取到頁面完成響應(yīng)均在400 ms 內(nèi)完成。

3.2 數(shù)據(jù)一致性驗證

數(shù)據(jù)一致性驗證以1 號站的學(xué)員SimDisp 和教員SimDisp 培訓(xùn)過程的畫面顯示為例。 1 站教員SimDisp設(shè)置為監(jiān)控模式,其畫面跟隨1 站的學(xué)員SimDisp 的實時畫面進(jìn)行顯示。 兩者均顯示模擬量手操器,且畫面內(nèi)數(shù)據(jù)顯示一致。

3.3 仿真的真實性驗證

仿真的真實性驗證過程中,將SimDisp 最終設(shè)備的實物外形、顯示畫面、操控效果與實體設(shè)備分別進(jìn)行對比驗證。 其實物外形與實體設(shè)備一致,畫面顯示與實體設(shè)備完全相同,操控效果、響應(yīng)的靈敏性與實體設(shè)備一致。 由此表明,該系統(tǒng)能夠從實物外形、功能、性能、體驗感等多維度實現(xiàn)仿真的真實性。

4 結(jié)論

核電廠安全控制顯示模擬系統(tǒng)已成功應(yīng)用在5 個核電項目中,運(yùn)行穩(wěn)定,為核電主控室操縱員的培訓(xùn)、考核提供操作設(shè)備,提高了操縱員對安全級設(shè)備的操控能力,盡可能地避免了操控失誤,提升了操縱員在實際操控過程中的安全性。

安全控制顯示模擬系統(tǒng)按功能模塊進(jìn)行模擬實現(xiàn)。 經(jīng)實踐驗證,該裝置后期可以應(yīng)用到對核電站實際應(yīng)用的工程設(shè)計組態(tài)的邏輯功能的驗證[10]、核電站現(xiàn)場DCS 問題修改方案的驗證、核電站內(nèi)維修人員培訓(xùn)等場景中,能夠適配各種堆型,具備極高的工程應(yīng)用價值。 該模擬系統(tǒng)降低了核電廠采購該類產(chǎn)品的成本,為產(chǎn)品的后期維護(hù)提供了便利。