北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司 鄭兒，胡俊，由玉偉

核電站全范圍模擬機(jī)系統(tǒng)是核電站仿真系統(tǒng)一種，主要用于培訓(xùn)核電運(yùn)行人員，提高核電站運(yùn)行人員的素質(zhì)和能力，是確保核電站安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。全范圍模擬機(jī)系統(tǒng)對(duì)電站設(shè)計(jì)改進(jìn)以及運(yùn)行規(guī)程的變更等，也是一個(gè)重要的驗(yàn)證手段。

本文介紹的全范圍模擬機(jī)系統(tǒng)采用了目前國(guó)際上通用的核電站DCS仿真技術(shù)：純模擬、虛擬實(shí)物模擬和實(shí)物模擬這三種實(shí)現(xiàn)方式。全范圍模擬機(jī)系統(tǒng)是集成設(shè)計(jì)管理學(xué)、仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、核電工程知識(shí)領(lǐng)域的綜合工程。采用仿真一體化支撐平臺(tái)，支持模型在線修改與調(diào)試，完善的數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能、仿真運(yùn)行管理功能以及I/O和網(wǎng)絡(luò)控制功能。

非安全級(jí)DCS仿真系統(tǒng)是全范圍模擬機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，本文重點(diǎn)論述了非安全級(jí)DCS仿真系統(tǒng)的功能，并對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理、仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入分析和探討，提出了一種實(shí)物模擬和虛擬實(shí)物模擬相結(jié)合的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 全范圍模擬機(jī)系統(tǒng)

全范圍模擬機(jī)系統(tǒng)的主要用途包括：

（1）有效地培訓(xùn)操作員；

（2）進(jìn)行操作許可考試；

（3）按照國(guó)家核安全局的要求為電站進(jìn)行周期性的應(yīng)急演習(xí)提供支持；

（4）學(xué)習(xí)、驗(yàn)證和確認(rèn)電站I&C系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和修改（V&V平臺(tái)），包括：

控制室基于計(jì)算機(jī)的人機(jī)接口部分；

過(guò)程控制功能；

電站操作/應(yīng)急規(guī)程；

優(yōu)化電站控制和操作；

分析電站瞬態(tài)等。

全范圍模擬機(jī)系統(tǒng)主要面對(duì)的用戶有以下幾類，如表1所示。

表1 用戶分類

全范圍模擬機(jī)系統(tǒng)模擬的范圍包括：過(guò)程模型、電氣系統(tǒng)、Level 1控制系統(tǒng)、主控室、遠(yuǎn)程停堆室、公共機(jī)組部分以及技術(shù)支援中心的Level 2系統(tǒng)。

全范圍模擬機(jī)系統(tǒng)由Safety DCS Emulation、Non-safety DCS Stimulation& Emulation和模擬產(chǎn)生各種工況下的仿真數(shù)據(jù)的物理模型系統(tǒng)（Simulator）組成。簡(jiǎn)化的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化的全范圍模擬機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 非安全級(jí)DCS仿真系統(tǒng)功能分析

2.1 系統(tǒng)功能

非安全級(jí)DCS仿真系統(tǒng)需要具備實(shí)際非安全級(jí)DCS系統(tǒng)功能和仿真培訓(xùn)兩大功能。其中仿真培訓(xùn)功能包括與模型系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊、支持各類仿真命令、支持故障模擬功能。非安全級(jí)DCS功能可概括為以下三大類：

（1）數(shù)據(jù)處理、記錄、監(jiān)視和分析功能

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)視功能：以流程圖畫面、數(shù)值列表等方式監(jiān)視實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

歷史數(shù)據(jù)庫(kù)功能：模擬量、開(kāi)關(guān)量歷史數(shù)據(jù)記錄，以趨勢(shì)曲線、數(shù)值列表形式顯示數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)；

日志功能：以事件方式記錄系統(tǒng)中探測(cè)到的各類事件信息；

表格功能：強(qiáng)制表、超量程表和開(kāi)關(guān)量抖動(dòng)表；

計(jì)算功能：完成各類性能計(jì)算、電站狀態(tài)計(jì)算功能；

報(bào)警功能：進(jìn)行報(bào)警的探測(cè)、處理、分類、存儲(chǔ)、通知、顯示、操作等功能；

安全參數(shù)顯示功能，包括首出報(bào)警、首出故障、安全功能監(jiān)視、電站運(yùn)行點(diǎn)監(jiān)視等；

報(bào)表功能：定時(shí)或人工請(qǐng)求生成報(bào)表，報(bào)表內(nèi)可包含實(shí)

時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及對(duì)這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息等。（2）操作功能

控制操作功能，控制操作系統(tǒng)模擬的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；

發(fā)出對(duì)安全級(jí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行控制操作的請(qǐng)求，如S-VDU切換功能；

控制操作其他第三方系統(tǒng)；

規(guī)程功能：將電站規(guī)程數(shù)字化，提供規(guī)程的啟動(dòng)、停止、暫停、執(zhí)行功能；

報(bào)警操作：包括報(bào)警確認(rèn)、消聲、存儲(chǔ)、臨時(shí)報(bào)警定義；

電站狀態(tài)管理和維護(hù)操作；

一些在線參數(shù)修改，包括：趨勢(shì)組定義，定義LDP顯示畫面

（3）診斷維護(hù)功能和輔助功能

系統(tǒng)診斷功能：診斷非安全級(jí)DCS系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備，設(shè)備故障時(shí)進(jìn)行報(bào)警；

操作幫助；

權(quán)限管理；

記事本功能。

2.2 支持仿真命令

非安全級(jí)DCS仿真系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)由模型系統(tǒng)發(fā)出指令進(jìn)行控制。運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)化如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖

系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)分為Init，Normal Frozen，Normal Running，Replay Frozen，Replay Running。

系統(tǒng)軟件啟動(dòng)后進(jìn)入Init狀態(tài)，系統(tǒng)所有功能不可用。Normal Frozen正常凍結(jié)狀態(tài)，系統(tǒng)畫面顯示的數(shù)據(jù)不再變化，為了方便操作員瀏覽數(shù)據(jù)，Normal Frozen狀態(tài)下可以登錄，但此登錄操作不能被回放。Normal Running正常運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行分為正常速度、慢速、快速3種。Replay Frozen回放過(guò)程中凍結(jié)狀態(tài)，回放凍結(jié)狀態(tài)不允許用戶登錄。Replay Running回放過(guò)程中運(yùn)行狀態(tài)。

仿真控制指令包括系統(tǒng)啟停類指令、系統(tǒng)狀態(tài)控制指令、IC管理類指令。IC 是Initial Condition的縮寫，是全范圍模擬機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的初始工況。

（1）系統(tǒng)啟停類指令：

Load：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)軟件功能。

UnLoad：停止系統(tǒng)軟件所有功能不可用。

（2）系統(tǒng)狀態(tài)控制指令：

Restore IC/BackTrack IC：指定一個(gè)IC/BackTrack IC號(hào)后加載；指令執(zhí)行完畢后系統(tǒng)進(jìn)入Normal Frozen或 Replay Frozen狀態(tài)；

Run：使系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，執(zhí)行完Run指令后，系統(tǒng)進(jìn)入Noraml Running 或Replay Running狀態(tài)；

Freeze：系統(tǒng)凍結(jié)，執(zhí)行完該指令后系統(tǒng)進(jìn)入Normal Frozen或 Replay Frozen狀態(tài)；

Replay Off：結(jié)束回放。執(zhí)行完該指令后系統(tǒng)進(jìn)入Norma Forzen狀態(tài)；

（3）IC管理類指令：

Store IC：指定一個(gè)IC號(hào)后將當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)保存到該IC中，Store IC 在 Frozen狀態(tài)下執(zhí)行。

BackTrack IC：運(yùn)行時(shí)自動(dòng)周期地將仿真對(duì)象狀態(tài)存儲(chǔ)到BackTrack IC中。

3 分析設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

非安全級(jí)DCS仿真系統(tǒng)分為L(zhǎng)2仿真軟件和L1仿真軟件兩大部分。L2仿真軟件采用實(shí)物模擬方式，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)置與實(shí)際非安全級(jí)DCS系統(tǒng)保持一致。L1軟件采用虛擬實(shí)物模擬方式模擬現(xiàn)場(chǎng)控制站、通訊站、L1網(wǎng)關(guān)物理設(shè)備，模擬的設(shè)備功能與實(shí)際非安全級(jí)DCS系統(tǒng)中的設(shè)備功能一致，L1仿真軟件還支持算法工程的下裝和運(yùn)行。軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 非安全級(jí)DCS仿真系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

L2仿真軟件結(jié)構(gòu)為典型的C/S結(jié)構(gòu)。 L2仿真軟件包括服務(wù)器軟件、HMI軟件。服務(wù)器軟件功能包括：與L1軟件交換數(shù)據(jù)、各類數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、為HMI軟件提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

L1仿真軟件接收網(wǎng)關(guān)的命令和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給L2仿真軟件，并把數(shù)據(jù)打包通過(guò)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給模型系統(tǒng)。

圖3中網(wǎng)關(guān)軟件負(fù)責(zé)非安全級(jí)DCS仿真系統(tǒng)與模型系統(tǒng)的通訊。網(wǎng)關(guān)接收模型的命令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給L2、L1仿真軟件進(jìn)行處理；反饋的數(shù)據(jù)包和命令包通過(guò)網(wǎng)關(guān)軟件轉(zhuǎn)發(fā)給模型系統(tǒng)處理。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 IC存儲(chǔ)、加載的數(shù)據(jù)分析

L1仿真軟件主要是對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理，所以L1仿真軟件存儲(chǔ)、加載IC時(shí)處理的數(shù)據(jù)主要是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。L2 軟件存儲(chǔ)、加載IC時(shí)需要處理的數(shù)據(jù)分類如表2所示。

表2 L2仿真軟件存儲(chǔ)、加載IC處理數(shù)據(jù)分類

3.2.2 歷史信息處理

在非安全級(jí)DCS仿真系統(tǒng)中，L1仿真軟件主要處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。L2仿真軟件存儲(chǔ)的歷史信息包括：模擬量和開(kāi)關(guān)量的歷史數(shù)據(jù)、日志信息、記事本信息等。歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用如下原則：

（1）IC、Backtrack中不存儲(chǔ)歷史信息；

（2）處于Frozen狀態(tài)下，操作人員應(yīng)能查詢從Restore IC后開(kāi)始運(yùn)行到凍結(jié)時(shí)刻的歷史趨勢(shì)；如果是Restore IC后進(jìn)入Frozen，則操作人員不能查看歷史數(shù)據(jù)；

（3）Running、Replay過(guò)程中，操作人員能查詢從Restore IC、BackTrack IC 后開(kāi)始運(yùn)行到查詢時(shí)刻的歷史趨勢(shì)，歷史數(shù)據(jù)處理如圖4所示。

圖4 加載IC、BackTrack IC時(shí)歷史數(shù)據(jù)處理

3.3 仿真功能

3.3.1 故障模擬

故障模擬是非安全級(jí)DCS仿真系統(tǒng)的一個(gè)重要功能，利用故障模擬功能可以使系統(tǒng)維護(hù)人員熟悉實(shí)際非安全級(jí)DCS系統(tǒng)的故障，以便在實(shí)際DCS系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)盡快排除故障。根據(jù)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)故障模擬劃分為兩部分：

L1設(shè)備故障模擬：控制站、通訊站、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)、鏈路通道、板卡故障模擬。

L2設(shè)備故障模擬：服務(wù)器、OPS、網(wǎng)絡(luò)、連接設(shè)備的故障模擬。

故障信息在模型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送到非安全級(jí)仿真系統(tǒng)。L1設(shè)備故障邏輯由L1仿真軟件實(shí)現(xiàn)，L2仿真軟件負(fù)責(zé)顯示L1設(shè)備故障。L2設(shè)備故障邏輯由L2仿真軟件實(shí)現(xiàn)并顯示。故障現(xiàn)象與實(shí)際DCS系統(tǒng)保持一致。

3.3.2 回放處理

回放是非安全級(jí)DCS仿真系統(tǒng)另一個(gè)重要功能，此功能用于培訓(xùn)過(guò)程回放，檢查操作員在培訓(xùn)過(guò)程中的操作是否正確。在培訓(xùn)過(guò)程中，操作人員通過(guò)軌跡球和專用鍵盤在HMI軟件上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，可回放的操作來(lái)自軌跡球和專用鍵盤，這些操作可分為四類：

（1）模擬流程圖中已經(jīng)影響了模擬機(jī)系統(tǒng)和全局的數(shù)據(jù)的操作，例如控制操作、電站的狀態(tài)操作；

（2）模擬流程圖的切換；

（3）在當(dāng)前的屏幕下，不影響模擬機(jī)和重要的全局?jǐn)?shù)據(jù)變化的操作，例如數(shù)據(jù)的查詢、翻頁(yè)、查詢條件的變化和趨勢(shì)查詢時(shí)趨勢(shì)組的選擇；

（4）鼠標(biāo)的移動(dòng)和鍵盤的輸入操作。

只有(1)(2)類操作的回放在培訓(xùn)中才具有意義，因此非安全級(jí)仿真系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了(1)(2)類操作回放。在回放過(guò)程中，非安全級(jí)仿真系統(tǒng)與模型機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)，操作記錄在回放過(guò)程中根據(jù)時(shí)間順序及時(shí)注入系統(tǒng)中。注入系統(tǒng)的操作在非安全級(jí)DCS仿真系統(tǒng)服務(wù)器或模型機(jī)系統(tǒng)生效后，非安全級(jí)DCS仿真系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)的變化以及系統(tǒng)的操作日志功能就實(shí)現(xiàn)了回放過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

本文描述的非安全級(jí)DCS仿真系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于紅沿河、寧德、陽(yáng)江等核電站。系統(tǒng)采用Stimulation和Emulation方式，實(shí)現(xiàn)了與實(shí)際非安全級(jí)DCS系統(tǒng)完全相同的人機(jī)界面和功能，便于維護(hù)；系統(tǒng)能快速存儲(chǔ)、加載IC，耗時(shí)不超過(guò)10秒；非安全級(jí)DCS仿真軟件升級(jí)時(shí)可兼容舊系統(tǒng)軟件生成的IC；支持全面的回放功能，包括在人機(jī)界面上進(jìn)行操作回放；支持故障模擬功能，可模擬實(shí)際DCS系統(tǒng)支持的所有故障。

在紅沿河、寧德、陽(yáng)江等核電現(xiàn)場(chǎng)的操縱員模擬機(jī)考試中，非安全級(jí)DCS仿真系統(tǒng)軟件經(jīng)受各方面考驗(yàn)，未發(fā)生一起嚴(yán)重影響模擬機(jī)考試的故障，軟件可用率達(dá)到99%以上，得到了電廠領(lǐng)導(dǎo)和考評(píng)委考官的一致好評(píng)。

[1]蘇林森,楊輝玉,等.900 MW 壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京:原子能出版社，2007.

[2]中國(guó)核工業(yè)總公司.核電廠操縱員培訓(xùn)及考試用模擬機(jī)[M].EJ/T 442-1998，1998.

[3]北京和利時(shí)系統(tǒng)工程股份有限公司.HOLLiAS-MACS應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)手冊(cè)[M].北京，2005.

[4]Jamshid Gharajedaghi.System thinking [M]. Morgan Kaufmann，2011.

[5]北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司.非安全級(jí)DCS系統(tǒng)軟件需求規(guī)格說(shuō)明書[Z].中國(guó)，2007.

[6]ANSI/ANS.Nuclear Power Plant Simulators for Use in Operator Training and Examination [J].ANSI/ANS-3.5-1998，1998.