核電數字化儀控系統仿真與工程實施

吳 毅 王曉星 胡曉亮 莊 進 曹 暉

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

核電站核電儀控系統，即數字化儀控系統(digital control system，DCS)，除承擔電站機組的安全與經濟運行等控制任務以外，還需承擔重要的電站核安全監控與保護任務［1］。因此，核電站儀控系統具有功能繁多、系統龐大、結構復雜、造價昂貴以及工程周期長等特點，這給新建電站的全范圍模擬機(full scope simulator，FSS)的DCS仿真以及FSS的工程實施帶來了困難。對于這些困難，必須在DCS及FSS工程實施開始前就給予認真考慮并妥善解決，否則不但會造成FSS交付進度的延誤，影響電站首次裝料的按期實施;而且也會給FSS的運行維護埋下長期隱患。

根據核電DCS系統的特點，從技術和經濟兩方面對幾種DCS仿真方法進行了分析評估，給出了合理仿真的選擇方法，以及實現FSS和DCS工程進度雙贏的實施方案。

1 核電DCS功能結構特點

核電DCS的實現方法與火電DCS系統類似，也是基于滿足實時控制要求的工業計算機與網絡通信技術、數據庫技術、圖形顯示技術，以及對過程控制與保護算法、I/O、流程畫面、報警及運行規程等的自動組態編程技術而實現的［2］。

由于核電站的特殊性，核電DCS的設計與實施，尤其是安全級DCS系統的設計與實施，必須滿足單一故障、故障安全、冗余、獨立性、多樣性、可試驗性及可靠性等7大安全準則［3］。核安全方面的嚴格要求，決定了核電站DCS具有功能繁多、體系龐大、結構復雜、造價昂貴及工程實施周期很長等不同于其他領域DCS的特點。

整個儀控系統一般分為以下3個層次:0層為過程一次儀表、執行機構及被控設備接口層;1層為DCS控制與保護層(分安全級與非安全級)，其基本由DCS控制器(distributed process unit，DPU)及網絡通信設備組成;2層為控制室人機接口設備層(某些系統也分為安全、非安全級)，其主要由控制室內的DCS操作員站(以下簡稱OPS)、網絡通信設備、計算機服務器及常規備用盤等組成。

對于這種以計算機及網絡系統為基礎的功能龐大、結構復雜的儀控系統，僅采用以往基于設計院的控制邏輯與調節原理圖的原理性仿真方法，是遠遠達不到相關標準對核電FSS的仿真逼真度要求的，尤其是其中的DCS部分。因此，核電FSS一般都采用直接或間接利用實際DCS工程實施所生成的DCS組態結果的高逼真度仿真方法。典型的核電儀控系統(包括DCS)的總體結構如圖1所示。

圖1 典型核電儀控系統結構Fig.1 Typical architecture of the instrument and control system for nuclear power

2 核電DCS的仿真方法

與火電DCS的仿真類似，核電DCS也主要有激勵式、軟激勵式和虛擬分散處理單元DPU這3種仿真方法。為緩解FSS優先于參考機組運行所需交付的進度壓力，在具體工程實施時，核電FSS可能還會臨時采用上述直接基于設計院的控制邏輯與調節原理圖的功能原理性仿真方法。

2.1 激勵式仿真方法

在仿真技術中，激勵式仿真［4］指直接采用控制系統或控制室系統實際設備的軟硬件，與被DCS控制或監視的仿真對象(即仿真數學模型)結合組成仿真系統。此時，被仿真的DCS設備與實際設備一樣，兩者的區別在于，仿真采集的信號來自過程實時仿真數學模型計算機。其發出的控制保護指令也被過程實時仿真數學模型所接收，并通過仿真計算反饋實時的響應，由此形成閉環，以實現對參考機組全工況的動態實時仿真。

激勵式仿真的最大特點是逼真度高，但由于1層DCS控制系統的DPU數量眾多，與FSS的工藝過程實時仿真數學模型接口需要大量額外的接口卡，因此總體費用非常高，且存在FSS的某些特有功能(如IC存載、回溯、回放等)難以實現等諸多問題。因此該方法幾乎不用于FSS對DCS控制器(DPU)的仿真，而主要用于對控制室中DCS操作員站及其支持系統的仿真。

2.2 軟激勵式仿真方法

在仿真技術中，軟激勵式仿真(virtual simulation)集中將圖1中的1層實際DCS系統中分散于各控制器(DPU)的組態代碼及算法塊可執行代碼移植到一個通用計算機，并在這個通用計算機中為每個控制器組態及算法塊可執行代碼分別創建一個虛擬的運行環境，即若干個虛擬子機。這樣既從邏輯上保留了實際控制系統控制器的拓撲結構，又從組態代碼、算法代碼及軟硬件結構方面最大程度地保證了逼真度。由于這些虛擬子機在主機內是以線程或進程形式存在的，通過在虛擬主機支持軟件上加一層外殼，以及開發虛擬主機與FSS主機(過程實時仿真模型計算機)的實時通信接口，即可按FSS主機的要求實現對虛擬機內的各虛擬子機的統一實時調度與執行(盡管各虛擬子機計算調度周期可能與實際控制器計算周期相同)。

軟激勵式仿真的最大特點是借助主“虛擬機”，這樣既保證了最高的逼真度，又省去了1層DCS控制器等大量硬件成本。若虛擬機外殼開發應用得當，可確保FSS特有功能，例如，IC創建與存儲裝載、凍結、回溯等功能的實現。該方法對過程實時仿真模型的精度要求很高，在DCS實際組態中，經過現場機組調試后，又可以利用它對過程模型進行精調。

2.3 虛擬DPU仿真方法

虛擬 DPU 方法［5］，俗稱“翻譯”的方法，DPU 在此即為圖1中1層DCS控制器(DPU)。它主要將導入實際DCS控制器的DCS工程師站組態文件也直接導入過程仿真系統的實時運行環境中，即通過專門開發的翻譯工具對實際DCS的組態文件及數據庫進行翻譯，找出對所有控制算法塊的調用關系，并自動與事先專門開發好的第三方(一般是FSS廠家)DCS仿真算法模塊庫連接。通過代碼編譯、鏈接，生成直接運行于過程仿真實時環境中“仿真”的DPU可執行代碼。

虛擬DPU的最大特點是，其仿真或虛擬的DPU程序的運行完全受仿真主機的控制;在組態邏輯關系、控制策略及拓撲結構上，它能基本反映實際DCS控制器的組態邏輯、控制功能及系統拓撲結構。但虛擬DPU的控制算法不一定與實際DCS一致，由此可能需要對實際DCS的控制參數作某些調整。

該方法首次使用成本較高，但隨著應用的廣泛開展，它將是性價比較高的一種方法。當某些復雜功能算法塊的仿真算法問題解決后，該方法同樣可用于對2層控制室系統的仿真。它現已在火電FSS的虛擬OPS中取得良好的效果，同時在采用傳統儀控系統的核電FSS的PPC仿真子系統中取得了滿意的效果。

2.4 功能原理性仿真方法

功能原理性仿真方法利用FSS廠家自有的控制系統仿真建模工具，根據設計院編制的邏輯控制和調節原理圖，生成參考機組儀控系統的邏輯控制及調節功能仿真程序，對機組的儀控系統進行功能原理性仿真。同樣地，對于2層的控制室系統，在得到設計院的相應設計輸入后，也可采用這種方法。該方法生成的仿真程序同樣運行于過程實時仿真運行環境，其行為完全受仿真主機控制。但由于缺乏實際的DCS組態等信息，其逼真度與前3種方法存在較大差距。

2.5 仿真方法比較與選擇

前述激勵式、軟激勵式及虛擬DPU仿真方法都能確保DCS的仿真逼真度，但這都是以直接或間接利用實際DCS軟硬件(激勵式)、軟件(軟激勵式)或組態結果(虛擬DPU)為條件的。從FSS特有功能的角度來看，這3種方法都存在各自的缺陷。各種DCS仿真方法的優缺點比較如表1所示。表1從仿真逼真度、FSS特有功能可實現程度、可集成性、升級維護、性價比等幾方面，對上述3種方法的5種組合方案的優缺點進行概括。不同的組合方案，其逼真度、FSS特有功能運行特性、可集成性、升級維護及性價比不同。

表1 各種DCS仿真方法優缺點比較表Tab.1 Comparison of the advantages/disadvantages of various DCS simulation methods

從表1中的綜合比較結果來看，在具體選擇仿真技術方案時，應首選虛擬OPS+虛擬DPU，其次是激勵OPS+虛擬DPU，再次是激勵OPS+軟激勵DPU的仿真方法。

在采用激勵或軟激勵方法時，務必要注意強調FSS特有功能的實現，尤其是IC的存儲及可編輯功能的實現。其次是要注意虛擬主機與仿真主機的實時調度周期等的同步問題。而在成本控制方面，應注意激勵OPS及軟激勵DPU方法，由于DCS廠家的價格壟斷，其性價比很低。

在采用虛擬DPU或虛擬OPS方法時，則應強調某些特殊控制算法塊或性能算法塊的正確性和精確性。在方案擬定前，必須明確提出對其算法精度的要求;同時，也需明確提出對DCS總體拓撲結構的正確“虛擬”。

3 核電DCS工程實施特點

為確保核電FSS對DCS的仿真逼真度，避免DCS仿真部分的二次開發，在總體集成測試階段，FSS必須采用直接或間接利用實際DCS經出廠驗收測試后的工程組態結果的方法將DCS仿真部分集成，以盡量減少后續測試的工作量、提高集成測試的效率、確保FSS按期交付。但核電DCS(尤其是安全級及安全相關級)的工程實施，從初步設計、詳細設計、系統集成與工廠測試，直到出廠驗收等各個環節，都需經過嚴格的驗證與確認［6］(verification and validation，V＆V)，核電DCS的工程實施流程示意圖如圖2所示。這是一個十分漫長的過程，加上受DCS上游環節的工程進度制約，其實際工程進度很難滿足上述FSS集成對DCS組態結果提交進度的要求［7］，這就給FSS的總體交付進度帶來極大風險。

圖2 工程實施流程示意圖Fig.2 Flowchart of the engineering implementation

4 核電FSS工程實施方案

核電FSS的具體工程實施方案分為被動性方案和主動性方案兩種［8－11］。

①被動性方案，即FSS對機組DCS的仿真，先臨時采用上述功能原理仿真法。該方法是唯一不受實際DCS進度制約的方法，但其逼真度低，在某些方面甚至不能達到核電運行操作人員培訓及取照對逼真度的要求。因此，在擬定具體工程實施方案時，只能將該方法作為緩解上游DCS工程進度壓力的臨時措施，即為滿足機組裝料前1年交付的要求，先向用戶提交采用這種仿真方法實現的臨時版本用于用戶預培訓，或將該臨時版本暫時與FSS工藝過程模型集成，以滿足模型測試的進度要求;再根據上游DCS工程進展情況，結合用戶培訓計劃，在適當的時候對該部分進行激勵式或虛擬DPU式最終版本的替換升級。

②主動性方案，即把FSS的工程實施與實際DCS的工程實施進行有機結合，尤其是兩者集成階段之后的測試活動的有機結合。某些核電工程案例已經表明［7］，在FSS的集成測試階段，實際DCS僅能夠向FSS提供DCS雖已集成但未經工廠測試的組態結果。這恰好為兩者的有機結合提供了有利條件和有效途徑。主動性方案既可以避免FSS因消極等待實際DCS最終組態結果而延誤交付;又可突破目前實際DCS工程測試與驗證只能基于靜態開環測試的局限，使得許多只有在現場調試階段才能發現的DCS控制邏輯組態或控制算法問題，在FSS及DCS的工廠測試、出廠驗收測試過程中就被提前發現和解決。這將大大減輕后續實際DCS現場調試階段的壓力。

5 結束語

為解決仿真逼真度問題，核電FSS對參考機組DCS的仿真，需采用直接或間接利用實際DCS工程實施結果的方法，這給FSS帶來了DCS的可集成性、仿真運行性能、成本造價及交付進度等新問題。本文所給出的分析結論及解決思路，既可為新建核電站FSS的DCS仿真及實施方案選擇提供有益的參考，也可為提高核電DCS的測試效率提供新的方法與思路。而如何在核電FSS與DCS工程實施之間建立更加有效的雙向反饋及雙贏機制［12－13］，是需要進一步研究的課題。

［1］章建青，王根生.核電廠重要儀表及控制體系標準概述［J］.自動化儀表，2010，31(9):41 －43.

［2］楊岐.核電廠數字化儀表與控制系統的應用現狀與發展趨勢［J］.核動力工程，1998，19(2):124.

［3］傅龍舟.核反應堆控制［M］.北京:原子能出版社，1995.

［4］趙文升，張聰師，孫志英，等.600 MW火電機組激勵式DCS仿真系統的研究與實現［J］.華北電力大學學報:自然科學版，2005，30(2):41－45.

［5］張平，徐成，何季，等.虛擬DPU技術在火電機組仿真機中的應用［J］.電力科學與工程，2005(2):57－59.

［6］IAEA.核動力廠基于計算機的安全重要系統的軟件［S］.奧地利:國際原子能機構，2005.

［7］王曉星，莊進.核電廠全范圍模擬機調試和測試進度安排優化淺談［C］//2011核能行業仿真技術及應用研討會會議論文集，北京:中國核能行業協會，2011:320－324.

［8］廣東核電培訓中心.900MW壓力堆核電站系統與設備［M］.北京:原子能出版社，2004.

［9］盛青，王枙天.國外核電站閥門［J］.閥門，1993(3):31 －39.

［10］明賜東.調節閥計算、選型、使用［M］.成都:成都科技大學出版社，1999:30－35.

［11］黃明亞，張宗列，張繼偉.百萬千瓦核電站閥門國產化探討［J］.GM通用機械，2006(9):34－38.

［12］國家石油和化學工業局.HG/T 20507－2000自動化儀表選型設計規定［S］.北京:全國化工工程建設標準編輯中心，2001.

［13］房汝洲.新編調節閥設計及應用實務全書［M］.西安:中國知識出版社，2006:1089－1164.