邱建利 劉培邦 田波

摘 要：隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，DCS系統(tǒng)在正在新建核電工程項目中全面應(yīng)用，控制室的信息顯示內(nèi)容和顯示方式發(fā)生了重大變化，為提升核電控制水平提供了技術(shù)平臺。在DCS設(shè)計過程中，建立核電站設(shè)計驗證平臺（Full Scope Engineering Simulator 簡稱FES），用仿真技術(shù)模擬電廠工藝系統(tǒng)、控制邏輯和人機界面。核電設(shè)計人員在核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計驗證平臺（FES）上，通過模擬核電站的運行控制過程，驗證主控室DCS二層畫面的設(shè)計、數(shù)字化規(guī)程界面設(shè)計以及其它DCS功能的設(shè)計是否符合人因工程的設(shè)計原則，是否能滿足核電廠操縱員的操作習(xí)慣的實際運行控制要求。

關(guān)鍵詞：FES ?設(shè)計驗證 ?核電廠 ?人機界面

中圖分類號：TM62 ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? 文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0023-02

1 數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計驗證平臺總體說明

1.1 數(shù)字化DCS人機界面綜述

核安全是核電生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，一旦發(fā)生核泄漏事故，不但造成重大的人員和經(jīng)濟損失，也會產(chǎn)生超出核電站自身范圍的巨大社會負(fù)面影響。而主控制室是核電廠各種信息顯示、信息處理和控制中心，對保證核電廠可靠與安全運行有著至關(guān)重要的作用。迄今為止，世界上運行核電站所發(fā)生的重大核電事故，例如：三哩島事故、切爾諾貝爾核電站事故、福島核電站事故，經(jīng)論證都有人因失誤造成一些重大的事故后果[1]。大量的核電工程實踐表明有效的控制室人因工程設(shè)計與友好的人機界面對減少人因失誤、提高核電廠的可利用率有積極的作用。因而，核電廠主控制室設(shè)計者在充分考慮電站運行功能的同時，更注重主控室人機界面的設(shè)計。

隨著計算機軟件技術(shù)和儀控技術(shù)的快速發(fā)展、新建核電站反應(yīng)堆的儀表控制系統(tǒng)絕大多數(shù)采用數(shù)字化DCS技術(shù)。由于核電廠采用了數(shù)字化設(shè)備，在具有準(zhǔn)確的信息顯示和正確的操作功能前提下，可根據(jù)人因工程要求，由功能任務(wù)分析后確定人機界面的具體類型，并使得設(shè)計具有更高的靈活性，通過操縱員與控制對象以及儀控系統(tǒng)三者的有機結(jié)合，實現(xiàn)核電廠DCS系統(tǒng)高效、可靠的運行控制。數(shù)字化儀表系統(tǒng)的人機界面設(shè)計是控制室設(shè)計中的重要組成部分。為了滿足數(shù)字化核電站的安全運行目標(biāo)，人機界面的設(shè)計一般采用下面的幾點設(shè)計原則：

（1）人機界面必須對核電站操縱員是友好的，并以避免人因失誤為目標(biāo)。

（2）任務(wù)導(dǎo)向的設(shè)計原則：所設(shè)計的人機界面應(yīng)具備讓操縱員在任何情況下都能迅速評估電站總體運行狀態(tài)的功能，操縱員可以通過數(shù)字化人機界面確認(rèn)預(yù)定的所有自動安全動作正確的執(zhí)行;也需清楚其自身需要采取的正當(dāng)?shù)陌踩僮餍袨?，并能充分的監(jiān)測到各相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備的參數(shù)顯示信息。

（3）一致性原則：主控室DCS人機界面設(shè)計要保持畫面設(shè)計風(fēng)格的一致性，包括圖形元素、標(biāo)志符號、顏色、閃光的使用應(yīng)保持一致，符號和標(biāo)注文字的大小應(yīng)保持一致。

1.2 FES平臺現(xiàn)狀

針對福清方家山核電工程和海南昌江核電工程的DCS設(shè)計進度要求，設(shè)計院聯(lián)合承包商分別開發(fā)出兩套FES平臺，以滿足在核電廠DCS設(shè)計中的設(shè)計驗證需求。目前，在福清方家山和海南核電工程中，F(xiàn)ES平臺已成功應(yīng)用于各自核電站主控室人機界面驗證，進行了多次成功的驗證活動。

2 利用數(shù)字化驗證平臺進行驗證活動的過程

2.1 驗證的對象及范圍

利用FES平臺進行的動態(tài)驗證參考NUREG-0700進行。驗證內(nèi)容主要包括畫面、儀表控制系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、工藝系統(tǒng)流程、安全功能和參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)字化規(guī)程系統(tǒng)、工作空間設(shè)計和工作場所等設(shè)計的相關(guān)要求。

每天的驗證活動完成后，驗證小組成員進行小組會議總結(jié)，同時幾方確認(rèn)生成驗證偏差報告，作為后續(xù)的設(shè)計變更的基礎(chǔ)評估數(shù)據(jù)。

數(shù)字化儀控驗證平臺針對目前在建的二代加及新的三代核電機組的主控制室的主要功能進行仿真模擬，模擬的范圍包括電廠系統(tǒng)工藝流程、儀控系統(tǒng)、顯示監(jiān)測功能、DCS系統(tǒng)畫面及各種綜合畫面、數(shù)字化系統(tǒng)規(guī)程、總體規(guī)程、報警規(guī)程、事故規(guī)程和報警工況抑制等，目前數(shù)字化儀控驗證平臺應(yīng)用正在逐步擴展到對控制流程優(yōu)化和運行及事故導(dǎo)則等領(lǐng)域。

2.2 數(shù)字化儀控驗證平臺的系統(tǒng)配置

驗證平臺的硬件主要包括驗證控制室、主服務(wù)器、驗證操作站、驗證教員控制站、驗證工程師站、相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備和文檔工作站等。

軟件配置如下。

（1）計算機系統(tǒng)軟件：Linux操作系統(tǒng)和核電站圖形化建模仿真工具軟件。

（2）核電廠系統(tǒng)模型軟件：利用圖形化建模仿真工具對實際核電廠系統(tǒng)進行計算機化的圖形化建模，建立虛擬的核電廠系統(tǒng)模型，其次將各虛擬的核電廠系統(tǒng)模型加入聯(lián)調(diào)環(huán)境，包括設(shè)備控制邏輯程序，并與二層界面聯(lián)接。完成一個由底層模型到上層界面實時通訊的仿真平臺。

（3） 人機界面（HMI）軟件：包含各系統(tǒng)畫面、總體畫面、數(shù)字化系統(tǒng)規(guī)程、總體規(guī)程、報警規(guī)程及報警畫面、動態(tài)部件及其對話框、操作菜單。

2.3 驗證活動中的人員配備

在每一次驗證中的，應(yīng)該包括的角色分工有：驗證觀察員，電廠持照操縱員，數(shù)字化儀控驗證平臺技術(shù)支持人員和設(shè)計驗證技術(shù)指導(dǎo)組。他們的分工如下。

（1） 電廠測試操縱員組：由參考的核電廠持照操縱員組成。其主要職責(zé)是在驗證平臺上根據(jù)電廠系統(tǒng)運行規(guī)程基于設(shè)計完成的到電廠人機界面進行操作，對界面設(shè)計進行評估，指出其中可能存在的不足或存在問題得到地方并給出具體建議。

（2） VV驗證過程的觀察員組：觀察員組主要由主控室二層人機界面的設(shè)計人員，人因工程分析人員組成。其職責(zé)是跟蹤觀察驗證人員對畫面的各種操縱，隨時記錄驗證人員發(fā)現(xiàn)的問題以及操縱員提出的各種建議同時觀察驗證人員在執(zhí)行規(guī)程相關(guān)操作是的人響應(yīng)因素，分析何種原因?qū)е乱陨蠁栴}的發(fā)生。

（3） 設(shè)計驗證平臺技術(shù)支持組：由驗證平臺的開發(fā)測試維護人員組成。負(fù)責(zé)處理驗證過程中仿真機出現(xiàn)的各種運行問題。

2.4 基于FES平臺的驗證工作的執(zhí)行過程

目前在FES平臺上已經(jīng)實現(xiàn)了系統(tǒng)畫面、總體畫面、數(shù)字化系統(tǒng)規(guī)程、總體規(guī)程、報警規(guī)程及報警畫面、事故規(guī)程及其畫面、動態(tài)部件及其對話框、操作菜單的驗證。驗證活動在基于電廠主要工藝系統(tǒng)仿真模型的儀控驗證平臺上進行，根據(jù)電廠各類運行操作規(guī)程對各系統(tǒng)及設(shè)備進行操作，覆蓋各種運行工況下的不同的設(shè)備及控制。根據(jù)到電廠系統(tǒng)設(shè)計手冊和P&ID流程圖，同時參考相關(guān)的定值及IO清單。驗證平臺的設(shè)計輸入資料還包括系統(tǒng)畫面、設(shè)備測點圖、電廠設(shè)備動態(tài)特性技術(shù)文件等，操縱員測試二層界面上的顯示信息是否齊全，是否合理可行。每一次驗證活動開始前的驗證輸入文件包括：電廠工藝系統(tǒng)驗證任務(wù)分析報告、電廠工藝系統(tǒng)人機界面設(shè)計文件。根據(jù)不同的FES開發(fā)階段和需達(dá)到不同的驗證目的，有不同的要求。進行驗證活動的輸入條件最少應(yīng)包括以下內(nèi)容：

（1） 電廠主要系統(tǒng)模型系統(tǒng)開發(fā)完成，并且加入聯(lián)調(diào)運行環(huán)境;

（2） 數(shù)字化儀控驗證平臺可以完整地模擬核電廠從穩(wěn)態(tài)滿功率至熱備用直至達(dá)到冷停堆工況為止;

（3） 其它相關(guān)設(shè)計資料包括所需驗證工程資料、工藝流程畫面開發(fā)、相關(guān)系統(tǒng)控制邏輯完整;

（4） 與電廠DCS畫面相關(guān)的定值及IO清單;

（5） 所需驗證的功能或者畫面測試用例及規(guī)程編制完善。

進行驗證的具體步驟：

（1） 按照分系統(tǒng)測試規(guī)程，列出需驗證的畫面清單和驗證順序;

（2） 確認(rèn)各功能模塊與模型已有效連接，該步驟應(yīng)由模型工程師和測試操縱員以及相關(guān)功能畫面等的開發(fā)人員共同參與并完成;

（3） HMI模塊功能驗證：在動態(tài)驗證測試前，確認(rèn)仿真驗證平臺的全廠模擬模型的動態(tài)功能已開發(fā)完成，包括流程圖操作功能、主菜單功能和顯示部件;

（4） 流程圖操作功能根據(jù)參考電站的系統(tǒng)運行規(guī)程要求，為仿真模型加載一個合適的運行工況（滿功率穩(wěn)定運行工況、冷停堆維修工況和熱備用工況等）;

（5） 主菜單功能可以驗證流程圖的分層結(jié)構(gòu)，流程圖的調(diào)用，流程圖畫面的鏈接切換導(dǎo)航關(guān)系。通過主菜單的功能按鍵實現(xiàn);

（6） 被驗證畫面的控制部件，當(dāng)選中畫面的控制部件時，控制部件是否能按相應(yīng)人機接口數(shù)據(jù)鏈接報告中的規(guī)定，顯示合適的控制選項;

（7） 被驗證畫面的顯示部件，是否能夠按相應(yīng)人機接口數(shù)據(jù)鏈接報告中的規(guī)定，顯示合適的指示信息;

（8） 所有被驗證畫面的報警部件，是否能夠按相應(yīng)人機接口數(shù)據(jù)鏈接報告中的規(guī)定，顯示合適的報警信息。

3 對驗證報告中的產(chǎn)生的不符合項處理流程

驗證小組全體成員需要對驗證活動中產(chǎn)生的不符合項進行全面分析，如果是由于DCS軟件平臺或仿真模型程序不完善而造成的FES不符合項，應(yīng)該由FES技術(shù)支持組相應(yīng)的開發(fā)工程師對仿真模型進行相應(yīng)設(shè)計修改，測試完畢后提交驗證平臺需求人員復(fù)測通過;如果是由于DCS人機界面設(shè)計不合理造成的系統(tǒng)或設(shè)備功能不能完整的按照需求來實現(xiàn)，那么應(yīng)由組織相應(yīng)的設(shè)計人員進行處理分析，更改設(shè)計或針對相關(guān)不符合項修訂相應(yīng)的二層DCS畫面，再導(dǎo)入數(shù)字化儀控驗證平臺進行測試驗證。平臺測試人員對修改后的不符合項進行回歸測試，確認(rèn)該問題修改正常后關(guān)閉不符合項報告。否則交由相關(guān)的平臺開發(fā)人員或者系統(tǒng)設(shè)計負(fù)責(zé)人重新修改直至滿足要求。

4 結(jié)語

隨著仿真技術(shù)在核電工程設(shè)計和工程調(diào)試中的應(yīng)用范圍的不斷拓展和技術(shù)能力的成熟，采用驗證平臺進行動態(tài)驗證的范圍越來越廣泛，在核電工藝系統(tǒng)設(shè)計、一體化設(shè)計平臺的數(shù)據(jù)共享、虛擬建造等領(lǐng)域有更廣闊的應(yīng)用發(fā)展空間。

參考文獻

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