核電DCS控制邏輯的離線重構(gòu)及應(yīng)用

于景瑞

摘要：作為信息技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高度結(jié)合的產(chǎn)物，數(shù)字化儀控系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于核電項(xiàng)目中。歷經(jīng)數(shù)十年的技術(shù)革新和應(yīng)用積淀，核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)朝著更加精益、高效的方向發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性提出更高要求。通訊網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)字化儀控系統(tǒng)的重要組成，承載著系統(tǒng)內(nèi)部大量的數(shù)據(jù)傳遞任務(wù)，是實(shí)現(xiàn)核電廠工藝系統(tǒng)及設(shè)備監(jiān)視和控制功能的核心環(huán)節(jié)。通訊網(wǎng)絡(luò)所基于的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)、運(yùn)行原理、可靠性逐漸成為在建電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型的要素，也勢(shì)必成為數(shù)字化儀控系統(tǒng)可靠性提升領(lǐng)域的熱點(diǎn)議題。

關(guān)鍵詞：DCS;離線構(gòu)建;有向圖;縮點(diǎn);拓?fù)渑判?/p>

引言

一般地，核電數(shù)字化控制系統(tǒng)（DCS）使用專用軟件進(jìn)行控制邏輯的組態(tài)及顯示，這些軟件依賴于機(jī)組特定軟硬件環(huán)境，可操作終端數(shù)量有限，無(wú)法滿足各專業(yè)人員頻繁查詢分析DCS控制邏輯的需求，軟件接口封閉無(wú)法利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的輔助分析。因此，如何對(duì)機(jī)組接口封閉和結(jié)構(gòu)孤立的DCS在線控制邏輯，進(jìn)行離線重構(gòu)且最大限度保持其原有控制細(xì)節(jié)，成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵。本文針對(duì)核電DCS控制邏輯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了基于有向圖模型的DCS控制邏輯離線構(gòu)建和存儲(chǔ)方法，并給出了2個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景，可為進(jìn)一步DCS控制邏輯相關(guān)的計(jì)算機(jī)輔助分析應(yīng)用提供一種簡(jiǎn)單、開(kāi)放和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源輸入。

1核電站DCS系統(tǒng)

在我國(guó)核電站的儀表及控制系統(tǒng)中，大多新建電站采用全數(shù)字化DCS（Distributed Control System）技術(shù)，即過(guò)程控制級(jí)分散配置。在本課題中，整個(gè)DCS系統(tǒng)由適用于非安全相關(guān)儀控系統(tǒng)（Operational I & CSystem）和安全相關(guān)儀控系統(tǒng)（Safety I & C System）兩部分組成，主要用于監(jiān)測(cè)和控制核電廠釋熱和電能生產(chǎn)的主要和輔助過(guò)程，完成對(duì)常規(guī)島除汽輪機(jī)本體控制系統(tǒng)外的常規(guī)控制系統(tǒng)及反應(yīng)堆控制系統(tǒng)（RRC）、反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)（RPS）及反應(yīng)堆堆芯控制系統(tǒng)（CCS）的控制。在所有運(yùn)行模式包括應(yīng)急情況下，維持電廠的安全性、可操作性和可靠性，并且在正常運(yùn)行工況下保證電廠的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)核電站的儀表及控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能要求，整個(gè)系統(tǒng)劃分為四個(gè)處理層級(jí)：LEVEL0-I/O層，過(guò)程儀表層，即現(xiàn)場(chǎng)各類測(cè)量?jī)x表及現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器;LEVEL1-過(guò)程控制層，AS620自動(dòng)化控制級(jí)，即能自動(dòng)，獨(dú)立實(shí)現(xiàn)電站控制及保護(hù)功能的設(shè)備;LEVEL2-操作監(jiān)視層，OM690人-機(jī)接口級(jí)，即操縱員實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，對(duì)電站進(jìn)行操作和監(jiān)視的設(shè)備;LEVEL3-高級(jí)應(yīng)用（信息管理）層，來(lái)自DCS系統(tǒng)的電站信息平臺(tái)。

2數(shù)據(jù)提取及處理

2.1數(shù)據(jù)提取

DCS控制邏輯的數(shù)據(jù)來(lái)源可以是Visio格式的設(shè)計(jì)文件，也可是實(shí)際機(jī)組的備份數(shù)據(jù)。編寫提取程序識(shí)別數(shù)據(jù)并根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)填充各個(gè)字段。為最大限度獲取DCS邏輯控制細(xì)節(jié)，節(jié)約后續(xù)應(yīng)用子圖處理時(shí)間，需對(duì)結(jié)點(diǎn)和邊進(jìn)行處理，主要包括邊的權(quán)值更新、節(jié)點(diǎn)出入度更新、子圖強(qiáng)連通分量計(jì)算及其縮點(diǎn)簡(jiǎn)化、確定性拓?fù)渑判虻葍?nèi)容。

2.2數(shù)字孿生

通過(guò)公有云，給新建電廠進(jìn)行建模仿真、虛擬的生產(chǎn)調(diào)試，同時(shí)使用多個(gè)電廠的數(shù)據(jù)，利用中國(guó)核電公有云服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算和建模迭代。電廠的各個(gè)物理傳感器會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，公有云對(duì)這些實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)等方法進(jìn)行分析，是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)響應(yīng)、事故溯源、預(yù)測(cè)性維護(hù)等數(shù)字孿生信息反饋功能的重要技術(shù)。例如，生產(chǎn)性能的數(shù)字孿生可以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的事故等實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)值模擬驗(yàn)證等方式實(shí)現(xiàn)原因分析，并針對(duì)事故原因提出設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

2.3協(xié)議識(shí)別

根據(jù)SINECH1協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型可知，該協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層是無(wú)效的，這就意味著在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流是沒(méi)有IP及端口信息的，只能通過(guò)MAC地址對(duì)通訊設(shè)備進(jìn)行標(biāo)識(shí)。故傳統(tǒng)的基于端口的協(xié)議識(shí)別方法顯然不能滿足SINECH1協(xié)議識(shí)別，只能通過(guò)基于負(fù)載的協(xié)議識(shí)別方法對(duì)SINECH1協(xié)議進(jìn)行識(shí)別?；谪?fù)載的協(xié)議識(shí)別方法的本質(zhì)為通過(guò)識(shí)別報(bào)文內(nèi)應(yīng)用層負(fù)載關(guān)鍵字，對(duì)協(xié)議進(jìn)行初步識(shí)別，其可以快速、準(zhǔn)確地對(duì)已知協(xié)議進(jìn)行識(shí)別，是目前應(yīng)用范圍較為廣泛、較為主流的協(xié)議識(shí)別方法。

3 DCS離線控制邏輯數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用

3.1遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維修

通過(guò)讀取各個(gè)核電廠的傳感器或者控制系統(tǒng)的各種實(shí)時(shí)參數(shù)，構(gòu)建可視化的遠(yuǎn)程監(jiān)控并給予采集的歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)建層次化的部件、子系統(tǒng)乃至整個(gè)設(shè)備的健康指標(biāo)體系，并使用人工智能實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)預(yù)測(cè)?；陬A(yù)測(cè)的結(jié)果，對(duì)維修策略以及備品備件的管理策略進(jìn)行優(yōu)化，降低和避免因?yàn)榉怯?jì)劃停堆帶來(lái)的損失。

3.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及設(shè)置優(yōu)化

合理規(guī)劃子環(huán)網(wǎng)絡(luò)范圍和關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)置，對(duì)優(yōu)化傳輸路徑、降低通訊負(fù)荷和提升網(wǎng)絡(luò)故障容錯(cuò)性意義重大。在上述網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致非停事件的經(jīng)驗(yàn)反饋中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及配置存在不合理之處：“閃斷閃連”故障所在子環(huán)網(wǎng)絡(luò)范圍過(guò)大，其下連接有40對(duì)AP控制器，承載著全廠60%以上的自動(dòng)控制器通訊任務(wù);同時(shí)，冗余上行鏈路交換機(jī)和RM交換機(jī)采用緊鄰設(shè)置，位置分布不合理。上述因素疊加，致使“閃斷閃連”故障期間超過(guò)半數(shù)以上AP控制器通訊中斷，大范圍設(shè)備及其信號(hào)失去監(jiān)視。

結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是未來(lái)核電廠發(fā)展的趨勢(shì)之一，是實(shí)現(xiàn)智慧核電的關(guān)鍵性平臺(tái)，但其所應(yīng)用的如時(shí)間敏感性網(wǎng)絡(luò)、集群化服務(wù)器、控制層面的無(wú)線通信、底層控制設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化等支撐技術(shù)尚不成熟，其經(jīng)濟(jì)性、可靠性還需要通過(guò)不斷調(diào)研與實(shí)踐加以充分論證。因此，建議將已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)證的新技術(shù)，先開(kāi)展小規(guī)模試點(diǎn)，待其可靠性和經(jīng)濟(jì)性得到驗(yàn)證后，逐步推廣到全廠乃至整個(gè)行業(yè)。

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