劉躍鋒 李平 馬陟 劉祖?zhèn)?/p>

【摘 要】 隨著國內(nèi)的核電站建設規(guī)模不斷增大，為了提高核電的自主供貨比例，研制開發(fā)國產(chǎn)核電站用DCS勢在必行。因此，對于核電DCS平臺的仿真驗證工作變得非常重要。仿真驗證工作的關(guān)鍵，是在于如何更真實、更高效地對設備層（0層）進行模擬。論文基于實際工程實施，講解了一種0層設備仿真功能的實現(xiàn)方式和原理。

【Abstract】With the increasing scale of nuclear power plant construction in China， it is imperative to develop the domestic DCS for nuclear power plant in order to increase the proportion of independent nuclear power supply. Therefore， the simulation of the nuclear power DCS platform is very important. The key of simulation verification is how to simulate the equipment layer （0 layer） more realistically and efficiently. Based on the implementation of the actual engineering， this paper explains the realization mode and principle of the simulation function of 0 layer equipment.

【關(guān)鍵詞】核電DCS；驗證樣機；非安全級

【Keywords】 nuclear power DCS； verification prototype； non-security level

【中圖分類號】TL48 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）04-0192-03

1 引言

近年來，國內(nèi)的核電站建設規(guī)模不斷增大，在建和商運核電站DCS系統(tǒng)幾乎全部用的是國外系統(tǒng)，中核控制系統(tǒng)工程有限公司所自主研發(fā)的Nicsys 2000 DCS平臺，力圖打破這一外國產(chǎn)品大量壟斷的局面。然而核電站對于DCS系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠性比其他DCS系統(tǒng)的要求高，為驗證新的DCS平臺能否在核電站非安全級DCS系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定的運行，參照在運行的某核電站DCS系統(tǒng)，公司在內(nèi)部搭建了一套非安全級DCS系統(tǒng)工程樣機，以驗證NicSys 2000平臺的可用性[1]。

2 驗證系統(tǒng)組成

為了驗證Nicsys 2000系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)中采用實物模擬方式，在工程樣機中使用真實硬件和軟件來復現(xiàn)參考核電機組的全部子系統(tǒng)。雖然由于大量采用DCS硬件，增加工程機成本，但是使用DCS真實硬件和軟件最大限度地實現(xiàn)仿真。徹底消除模擬機DCS與實際DCS的不一致以及偏差。典型的DCS系統(tǒng)分為0層現(xiàn)場設備層（泵、閥門、儀表）；1層過程控制層；2層操作監(jiān)控層和信息管理層。

①核電站現(xiàn)場的0層是獨立的設備，設備的運行狀態(tài)通過電纜或者通訊連接到DCS 1層，在DCS樣機系統(tǒng)中，不可能有這么多的現(xiàn)場設備，但為了實現(xiàn)仿真DCS系統(tǒng)的仿真運行，在工程樣機中設立獨立的服務器來仿真 0層電站真實設備的運行狀態(tài)和儀表信息。它通過DCS 0-1層通信接口程序通過電纜和通訊與DCS1層進行信號數(shù)據(jù)交互。②過程控制層（DCS1層）的控制系統(tǒng)工程非常復雜，一般采用分系統(tǒng)的方式對控制工程進行劃分，并下裝至不同控制器中。因此一個核電控制過程一般包含多臺控制器，控制器之間通過局域網(wǎng)絡完成站間數(shù)據(jù)通信；而且，各個控制器作為獨立的個體向操作監(jiān)控層交換數(shù)據(jù)。③操作監(jiān)控層（DCS2層）主要面向現(xiàn)場操縱員，它收集DCS1層的輸出數(shù)據(jù)，進行工藝流程圖的顯示、重要參數(shù)的趨勢監(jiān)測，并根據(jù)操縱員的指令進行系統(tǒng)控制。DCS2層的操作指令則按照上述過程的反向反饋進DCS0層，由此形成整個DCS系統(tǒng)的信息閉環(huán)。

3 0層仿真模型服務器實現(xiàn)的功能

仿真模型軟件以M310核電機組為參考機組，為DCS全范圍驗證系統(tǒng)提供一個電廠實際工藝系統(tǒng)的仿真平臺，與DCS一層、二層連接，構(gòu)成一個完整的電廠系統(tǒng)，用于Nicsys 2000系統(tǒng)的驗證。模型軟件將實時再現(xiàn)核電廠的性能與行為，所有在模擬的計算機工作站上觀察到的現(xiàn)象以與參考機組的實際響應相同的速度顯現(xiàn)出來。模擬的質(zhì)量保證系統(tǒng)的響應與實際過程基本一致。

仿真模型軟件的模擬范圍涵蓋維修冷停堆狀態(tài)至滿功率運行狀態(tài)、各事故狀態(tài)以及包括運行規(guī)程（包括在停堆換料期間的電站狀態(tài)）內(nèi)的全部范圍。也就是說仿真模型能夠盡可能地模擬參考機組在所有電廠工況下的行為，如：①參考機組正常操作，包括主回路系統(tǒng)的排水及半管運行等；②在任何正常運行狀態(tài)期間的異常擾動；③事故運行（包括所有設計基準事故和部分超設計基準事故）。

仿真模型軟件對參考機組的所有系統(tǒng)特性進行完全的、綜合的和實時的仿真。各系統(tǒng)模型提供與其他相關(guān)仿真系統(tǒng)之間的接口，提供一個針對參考機組正常、異常和電站事故工況條件下以連續(xù)的和重復方式進行的完整和實時的模擬。仿真模型軟件的響應不允許出現(xiàn)誤導操縱員或?qū)е虏倏v員不適當?shù)膭幼鞯让黠@偏離參考機組實際響應的行為。仿真模型軟件對各系統(tǒng)中的設備和部件如電機、泵、閥門、調(diào)節(jié)器等的動態(tài)運行特性和運行狀態(tài)進行模擬。計算機化的人機界面系統(tǒng)應以一個合理的方式進行模擬，確保仿真模型軟件對該部分系統(tǒng)模擬的逼真度。

工藝過程模型基于物理原理、參考機組的PI&D;圖，功能圖，SAMA圖等，真實地反映電廠實際狀況。所有模型都將基于“最佳估計”模型，而非“保守”模型設計。調(diào)節(jié)器的物理原理和運算都以數(shù)學模型的微積分和代數(shù)等式進行描述，特別是質(zhì)量、能量和動量守恒定理將用于模型等式的推導[1]?？刂七壿媽⒂貌紶柗匠踢M行描述，功能圖等應維持原樣導入并進行自動數(shù)據(jù)鏈接。

在仿真模型中主要包括了堆芯物理學或動力學模型、堆芯熱工水力模型、安全殼模型、汽輪機模型、發(fā)電機模型及其他設備部件模型。仿真真實電站工藝過程，系統(tǒng)功能是以被測物理變量和過程狀態(tài)等式來完成描述的。除狀態(tài)變量外，工藝過程模型的輸入數(shù)據(jù)，包括其他模塊的計算變量、泵狀態(tài)、閥和風機的遠程和就地控制，故障的狀態(tài)變量信息和外部的參數(shù)都在仿真模型軟件中設定。

4 0層設備仿真的實現(xiàn)方案

仿真系統(tǒng)的主要目的是為了驗證Nicsys2000系統(tǒng)的應用可靠性、可用性，需要對包括控制器、I/O板卡、各層軟件等進行全方位的驗證，所以本系統(tǒng)中以實物仿真為主，1：1重構(gòu)核電站非安全級DCS系統(tǒng)。0層設備的設備仿真采用與 DCS 1層相同的控制板卡，來實現(xiàn)DCS系統(tǒng)的仿真。有些功能無法通過IO板卡來實現(xiàn)，則通過用仿真控制器來實現(xiàn)，并實現(xiàn)了仿真軟件與DCS硬件的通訊。

4.1 仿真模型與DCS一層之間通過I/O板卡功能的實現(xiàn)

為了驗證Nicsys2000系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在模擬機中使用電站的真實系統(tǒng)或子系統(tǒng)的真實硬件和軟件來復現(xiàn)參考機組的相應系統(tǒng)或子系統(tǒng)，暨采用真實DCS的硬件、軟件和網(wǎng)絡系統(tǒng)的再現(xiàn)現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)。雖然實物模擬軟硬件實現(xiàn)成本很高，與電廠工藝系統(tǒng)模型層之間的接口復雜，但實物模擬具有很高的軟硬件逼真度，能夠完全驗證DCS系統(tǒng)的性能。

在驗證系統(tǒng)DCS一層按照真實核電廠非安全級DCS系統(tǒng)完全相同的配置，來配置DCS系統(tǒng)的一層，整個系統(tǒng)工應用68臺控制柜，IO點數(shù)共計15566點。

在設備仿真?zhèn)韧瑯硬捎肗icsys2000系統(tǒng)，只是把一層DCS系統(tǒng)中的開關(guān)量、模擬量輸入卡變?yōu)殚_關(guān)量、模擬量輸出卡，一層DCS輸出卡變?yōu)檩斎肟?，一層DCS系統(tǒng)與仿真0層的IO卡件通過電纜連接。

在0層系統(tǒng)中配置模型服務器1臺，實現(xiàn)現(xiàn)場設備的仿真，模型服務器通過以太網(wǎng)與通訊網(wǎng)關(guān)相連，通訊網(wǎng)關(guān)將模型服務器設備仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Nicsys2000系統(tǒng)的通信協(xié)議，并將0層通訊控制器數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后發(fā)給模型服務器，進行雙向數(shù)據(jù)通信。0層通訊控制器通過以太網(wǎng)接收到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)后，經(jīng)由NicBusII總線將數(shù)據(jù)和命令發(fā)送IO板卡，0層IO板卡在通過硬接線電纜間數(shù)據(jù)發(fā)給1層控制器IO板卡，1層控制器接收到數(shù)據(jù)后進行邏輯運行，并把運行結(jié)果和下一步的命令反向發(fā)給模型服務器，模型進行下一步的運行。同時1層控制器并把設備數(shù)據(jù)發(fā)送給2層進行數(shù)據(jù)顯示和操作員操作，現(xiàn)場設備形成一個閉環(huán)的控制，達到現(xiàn)場設備的仿真運行。

4.2 仿真模型與DCS一層通過虛擬控制器連接的實現(xiàn)

有些現(xiàn)場設備中輸入無法通過硬接線將數(shù)據(jù)發(fā)送給1層控制器，比如溫度信號，熱電偶信號等，這些信號處理需要用到虛擬機控制器，虛擬機控制器通過一層監(jiān)控網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，設備仿真控制。

虛擬控制器通過移植實物控制器的控制軟件實現(xiàn)，它是執(zhí)行控制組態(tài)程序的核心。通過修改系統(tǒng)接口和資源分配策略，將實物控制器中的下位機軟件移植進Windows系統(tǒng)中，并保持其核心執(zhí)行代碼不變，可以直接加載運行控制組態(tài)程序。虛擬控制器和實物控制器采用相同的運行環(huán)境配置和控制組態(tài)程序，可以確保對于同樣的輸入信號，兩者具有同樣的輸出響應，并保證了實物控制器的組態(tài)程序和虛擬機的組態(tài)程序相互通用。

虛擬控制器的通信包括： DCS 0層端通信、DCS 2層端通信、控制器站間通信三部分。

①DCS 0層端通信。虛擬DCS 0層端通信接口程序負責與DCS 0層的數(shù)據(jù)交互，仿真模型服務器（與實務控制器模型仿真為同一套模型）將數(shù)據(jù)發(fā)送給通訊網(wǎng)關(guān)，通訊網(wǎng)關(guān)將接收到的仿真數(shù)據(jù)通過共享內(nèi)存直接轉(zhuǎn)發(fā)至虛擬I/O 通信板卡中，由 I/O 驅(qū)動傳送至虛擬控制器中，虛擬控制器進行邏輯處理和模擬量處理，處理完成后，虛擬機控制器下發(fā)指令進行逆向處理 ，仿真模型服務器。②控制器站間通信。站間通信服務程序主要負責虛擬控制器、虛擬控制器與實物控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。為了能夠?qū)崿F(xiàn)與實物控制器的通信協(xié)議兼容，虛擬控制器間采用實物控制器的站間通信協(xié)議，并按照配置文件的配置信息進行站間數(shù)據(jù)發(fā)送，同時采用定周期方式發(fā)送。同時控制器通訊數(shù)據(jù)后，根據(jù)自身配置信息，判斷是否保存至自身的實時數(shù)據(jù)庫中，供虛擬I/O設備驅(qū)動讀取。虛擬控制器與實務控制器之間的站間通訊是通過DCS 1層控制網(wǎng)絡實現(xiàn)。③DCS 2層端通信。DCS 2層端通信負責虛擬控制器和DCS 2 層之間的數(shù)據(jù)交互。它主要完成以下工作 ：將 DCS 1 層的過程控制變量傳送至 DCS 2 層 ；接收 DCS 2 層的操作指令。虛擬控制器不僅僅是補充了硬接線仿真系統(tǒng)中無法實現(xiàn)的功能，同時虛擬控制器系統(tǒng)過程控制層軟件也為DCS工程控制組態(tài)提供了一整套測試、驗證調(diào)試的平臺，能夠用于DCS工程組態(tài)和仿真驗證，有效的壓縮DCS工程組態(tài)開發(fā)調(diào)試時間，而且該軟件具有與真實DCS系統(tǒng)一致的仿真度，對于全范圍模擬的性能和仿真度也有極大的改善。

5 結(jié)論

針對自主研制的 Nicsys2000系統(tǒng)工程樣機，以參考機組DCS系統(tǒng)為基礎，建立全套、實用、可靠和先進的仿真環(huán)境，再現(xiàn)核電站DCS的控制邏輯功能設計調(diào)試、控制參數(shù)整定、控制策略優(yōu)化和事故工況，為驗證Nicsys2000樣機系統(tǒng)的高性能和高可靠性提供了有力的保障。

【參考文獻】

【1】劉鵬飛.核電廠DCS系統(tǒng)功能驗證工程模擬機研究[J].核動力工程， 2009（30）：48-51.