核電廠安全級DCS培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計與研究

核電廠安全級DCS培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計與研究

北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司 王曉衛(wèi)，孫洪濤，梁中起，孫月亮

隨著數(shù)字控制系統(tǒng)（DCS）在核電廠的廣泛應(yīng)用，數(shù)字化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)已成為核電廠調(diào)試及運維人員上崗操作前培訓(xùn)的必備手段。本文通過分析保護系統(tǒng)功能原理及現(xiàn)場客戶實際需求，在保證保護系統(tǒng)功能完整的情況下，采用實物加仿真方式，研制出一套核電廠安全級DCS培訓(xùn)系統(tǒng)，用于實現(xiàn)核電現(xiàn)場調(diào)試及運維人員的培訓(xùn)、教學(xué)及現(xiàn)場備件的故障診斷等功能。通過這種設(shè)計方法以最少的DCS硬件系統(tǒng)，在保證與核電現(xiàn)場實際組態(tài)一致的前提下，大大提高了系統(tǒng)的使用效率，豐富了系統(tǒng)的培訓(xùn)功能。

核電廠；培訓(xùn)系統(tǒng)；診斷測試；調(diào)試

隨著核電廠安全經(jīng)濟性要求的進一步提高，對調(diào)試及運維人員的技術(shù)水平提出了更高的要求。良好的運行記錄離不開運維人員專業(yè)的基礎(chǔ)知識和豐富的實踐經(jīng)驗。如何在系統(tǒng)運維過程中降低人因錯誤，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)隨機故障時能夠較快定位故障原因，并快速解決問題，都依賴于相關(guān)人員對系統(tǒng)軟、硬件產(chǎn)品及工作原理有較清楚的認(rèn)識。僅依靠單獨的硬件產(chǎn)品分析或離線的軟件運行，無法最大程度地模擬核電站安全級儀控系統(tǒng)的運行情況，無法使調(diào)試及運維人員對核級DCS控制系統(tǒng)形成整體的概念。核電廠安全級DCS培訓(xùn)系統(tǒng)基于大量生產(chǎn)實際中發(fā)生的異常或事故狀態(tài)，用數(shù)學(xué)方法建立相應(yīng)的模型，通過搭建與核電廠DCS控制原理相同的硬件系統(tǒng)及軟件仿真系統(tǒng)[1]，構(gòu)造一個可以充當(dāng)教練的過程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可完成對核電站儀控系統(tǒng)邏輯處理原理的培訓(xùn)，還可用于對現(xiàn)場調(diào)試及運維人員進行網(wǎng)絡(luò)拓展原理及軟硬件接口維護培訓(xùn)。

1 核電廠培訓(xùn)系統(tǒng)實現(xiàn)方式

根據(jù)培訓(xùn)需求及原理不同，目前核電站培訓(xùn)系統(tǒng)主要分為最小系統(tǒng)、全范圍模擬機兩類。

（1）最小系統(tǒng)

（2）全范圍模擬機

核電廠全范圍模擬機是把實際DCS組態(tài)生成的執(zhí)行文件下裝到虛擬DCS中[3]，通過數(shù)據(jù)庫及接口與過程模型交換數(shù)據(jù)，將DCS系統(tǒng)整合到仿真系統(tǒng)中，有極高的軟件功能逼真度，實現(xiàn)成本不高，能夠完成復(fù)雜的仿真應(yīng)用功能。但是此種方式更多的是純軟件模擬來完成培訓(xùn)工作，只適用于核電廠運行人員的培訓(xùn)。對于核電廠調(diào)試及運維人員培訓(xùn)作用不大，因為虛擬系統(tǒng)無法展示實際核電的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及軟硬件維護需要的相關(guān)知識。

本文通過分析現(xiàn)有核電廠運行原理及架構(gòu)，采用控制模型與機組過程模型徹底分離的設(shè)計方法，設(shè)計一套核電廠安全級DCS培訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)從根本上保證了操作畫面和控制邏輯、網(wǎng)絡(luò)拓展、硬件配置及基本架構(gòu)與實際核電現(xiàn)場的一致性。按照這種設(shè)計思想和方法所開發(fā)的安全級DCS培訓(xùn)系統(tǒng)，不僅可滿足電廠調(diào)試及運維人員的培訓(xùn)需求，同時還可用于現(xiàn)場備件的故障診斷等工作。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

為了使系統(tǒng)能夠體現(xiàn)核電站保護系統(tǒng)的典型架構(gòu)及工作原理，系統(tǒng)在實際壓水堆核電站控制架構(gòu)上簡化硬件配置，同時保證系統(tǒng)能夠充分展示保護系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓展、邏輯運算以及設(shè)備監(jiān)視控制等功能。系統(tǒng)采用核電現(xiàn)場實際的DCS硬件和軟件系統(tǒng)，除了DCS的控制站和操作站以外還包括為現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器提供接口的I/O組件、隔離設(shè)備、光電設(shè)備和電源等設(shè)備。現(xiàn)場設(shè)備的控制策略、信息管理和操作顯示功能都在實際DCS系統(tǒng)中完成。而與DCS連接的現(xiàn)場設(shè)備是采用過程模型來替代的，該系統(tǒng)整體工作原理是：以實際的DCS系統(tǒng)為中心，采用DCS的基礎(chǔ)硬件和軟件，結(jié)合反映實際被控物理對象動態(tài)規(guī)律的過程模型，構(gòu)成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括三個部分：第一部分為參數(shù)模擬系統(tǒng)，用于模擬核電現(xiàn)場各種傳感器參數(shù)及設(shè)備控制和反饋信號。第二部分為邏輯處理系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)的采集、運算和輸出。第三部分為監(jiān)視控制系統(tǒng)，用于報警、停堆及專設(shè)驅(qū)動等工藝流程畫面的指示。核電廠安全級DCS培訓(xùn)系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

3 系統(tǒng)詳細設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計原則，核電廠安全級DCS培訓(xùn)系統(tǒng)主要包括三個部分：參數(shù)模擬系統(tǒng)、邏輯處理系統(tǒng)及監(jiān)視控制系統(tǒng)。

3.1 參數(shù)模擬系統(tǒng)

Labview是虛擬儀器的圖形化開發(fā)平臺，其有功能強大的硬件驅(qū)動和控件，在核電站計算仿真系統(tǒng)的設(shè)計中，以虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀器，可以有效提高工作效率，快速開發(fā)出核電站計算機仿真模型。

本系統(tǒng)設(shè)計過程中為了能夠更接近實際電站運行工況，參數(shù)模擬系統(tǒng)使用Labview平臺開發(fā)仿真模型，選用NI公司的數(shù)據(jù)采集板卡，配合其硬件驅(qū)動DAQmx對數(shù)據(jù)進行輸入/輸出處理。通過Labview軟件建模完成壓水堆核電站主一、二回路工藝系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的動態(tài)實時計算，實時接收來自邏輯處理系統(tǒng)和監(jiān)視控制系統(tǒng)的操作命令，并向監(jiān)視控制系統(tǒng)傳遞需要顯示的數(shù)據(jù)。

圖2 參數(shù)模擬系統(tǒng)原理圖

3.2 邏輯處理系統(tǒng)

此次升級的D13柴油發(fā)動機還采用了新型VDS—5低黏度機油和新型活塞環(huán)，可有效降低發(fā)動機油耗和內(nèi)部摩 擦。此外，其新配備的500馬力發(fā)動機相較460和420馬力發(fā)動機，在保持相同高壓縮比的同時，可節(jié)省更多燃料，實現(xiàn)更高的燃油效率。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，核動力廠安全重要儀表控制系統(tǒng)完成的安全功能主要是：反應(yīng)性控制、堆芯余熱的導(dǎo)出，以及放射性物質(zhì)約束和運行排放控制等[4]。

通過分析上述要求，反應(yīng)堆保護系統(tǒng)的典型功能應(yīng)主要包括：

（1）保護功能；

（2）控制功能；

（3）監(jiān)測和顯示功能。

為了使系統(tǒng)能夠涵蓋上述功能要求，同時最大限度減少硬件規(guī)模，本系統(tǒng)方案基于實際核電廠DCS控制架構(gòu)及硬件產(chǎn)品展開設(shè)計工作。系統(tǒng)設(shè)計2個保護通道的反應(yīng)堆保護系統(tǒng)（RPC-I/ III），用來完成參數(shù)采集、邏輯處理及控制輸出等功能。按照安全級DCS設(shè)計的多樣性原則，每個通道由2個子組組成，實現(xiàn)保護功能的多樣性。每個保護通道將各自的閾值比較結(jié)果通過點對點網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給另一通道進行表決邏輯計算。同時根據(jù)表決邏輯處理結(jié)果產(chǎn)生“局部停堆信號”，用來控制一組停堆斷路器的動作。

為實現(xiàn)專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動功能，系統(tǒng)設(shè)計了一系列安全專設(shè)系統(tǒng)（ESFAC）和安全邏輯驅(qū)動系統(tǒng)（SLC）。保護通道將保護參數(shù)進行閾值判斷后的結(jié)果通過點對點網(wǎng)絡(luò)送至ESFAC，ESFAC對結(jié)果進行表決邏輯運算，從而產(chǎn)生系統(tǒng)級安全專設(shè)驅(qū)動命令。設(shè)計SLC作為現(xiàn)場設(shè)備驅(qū)動控制系統(tǒng)，不僅通過安全級網(wǎng)絡(luò)接收來自ESFAC的系統(tǒng)級安全專設(shè)驅(qū)動信號，還可以接收來自操作員的手動控制信號，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的手動控制功能。邏輯處理系統(tǒng)架構(gòu)圖，如圖3所示。

圖3 邏輯處理系統(tǒng)架構(gòu)圖

為了模擬核電站設(shè)備手動控制功能，邏輯處理系統(tǒng)配置一臺安全顯示單元，用于實現(xiàn)運行工況的監(jiān)視、報警顯示以及手動控制安全級設(shè)備的操作。運行操作人員可從監(jiān)視控制系統(tǒng)調(diào)用安全級設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)將調(diào)用信號傳送給安全顯示單元。安全顯示單元根據(jù)調(diào)用請求顯示相應(yīng)的操作面板，操作員可通過操作面板實現(xiàn)對設(shè)備對象的控制。安全顯示單元設(shè)備操作畫面，如圖4所示。

圖4 安全顯示單元畫面

3.3 監(jiān)視控制系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計監(jiān)視控制系統(tǒng)用于模擬實際核電站的NC-VDU功能。系統(tǒng)接收邏輯控制系統(tǒng)傳送的各種過程參數(shù)，實時顯示在計算機大屏上，實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)視、報警及工藝控制過程指示等功能。監(jiān)視控制系統(tǒng)控制原理及軟硬件系統(tǒng)均采用與實際核電站一致的非安DCS平臺實現(xiàn)，系統(tǒng)與邏輯處理系統(tǒng)通訊原理，如圖5所示。

圖5 監(jiān)視控制系統(tǒng)原理圖

監(jiān)視控制系統(tǒng)畫面示例，如圖6所示。

圖6 監(jiān)視控制系統(tǒng)畫面

4 系統(tǒng)實施優(yōu)點

本系統(tǒng)在設(shè)計過程中采用與實際核電站一致的硬件DCS產(chǎn)品，使系統(tǒng)更接近于核電廠實際情況，有利于調(diào)試人員以及運維人員培訓(xùn)。系統(tǒng)在設(shè)計過程中基本架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓展及邏輯運算、設(shè)備監(jiān)視控制等與實際核電站相近，只是在原系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上最小化配置減少了硬件數(shù)量。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)培訓(xùn)系統(tǒng)相比具有如下的優(yōu)勢和特點：

（1）系統(tǒng)涵蓋了核電站中的控制保護層、監(jiān)視控制層以及LEVEL0層工藝模型，整個系統(tǒng)的控制和監(jiān)視設(shè)備均與實際核電一致，軟件邏輯及工藝參數(shù)均來自于實際核電站的工程組態(tài)文件，這樣就使整個系統(tǒng)的控制策略以及監(jiān)視手段與實際核電現(xiàn)場基本一致，系統(tǒng)更逼真，更有利于核電現(xiàn)場人員的培訓(xùn)；

（2）系統(tǒng)克服了現(xiàn)有核電站培訓(xùn)系統(tǒng)的完全虛擬化與實際硬件系統(tǒng)不兼容的缺點，通過開發(fā)LEVEL0層工藝模型，使實際DCS系統(tǒng)與現(xiàn)場工藝模型連接在一起，組成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求完成核電站典型工況的模擬及培訓(xùn)；

（3）系統(tǒng)采用實際核電站的真實軟、硬件產(chǎn)品，因此系統(tǒng)可以實現(xiàn)對現(xiàn)場調(diào)試及運維人員進行平臺硬件接口、系統(tǒng)擴展原理、邏輯組態(tài)、軟件下裝、參數(shù)整定、變量監(jiān)視等培訓(xùn)。同時現(xiàn)場運維人員可定期將電廠庫存和新購的備品備件替換到本系統(tǒng)上，利用本系統(tǒng)實現(xiàn)對核電站庫存和新購備品備件烤電、測試等工作，完成到期或失效易損件的剔除，保證安全級儀控系統(tǒng)備件的良好可用狀態(tài)。

5 結(jié)論

核電站保護系統(tǒng)是核電站最重要的安全儀控系統(tǒng)，屬于核電廠1E級電氣設(shè)備，其中安全級系統(tǒng)硬件產(chǎn)品多，硬接線數(shù)量龐大。本文通過分析保護系統(tǒng)功能原理，在保證保護系統(tǒng)功能完整的情況下，系統(tǒng)地提出了核電廠安全級DCS培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計思想及其實現(xiàn)方法。采用安全級DCS平臺并下裝與實際項目相同的控制邏輯，利用軟件建模模擬現(xiàn)場各種運行工況，邏輯控制系統(tǒng)通過硬接線與過程模型傳遞保護參數(shù)，完整模擬了各種停堆工況及典型功能。通過此種方法開發(fā)的系統(tǒng)在華北站DCS模擬培訓(xùn)系統(tǒng)、華龍一號推演系統(tǒng)及陽江5&6號機組FirmSys最小化系統(tǒng)及虛擬機平臺等項目中得到了充分驗證。系統(tǒng)在保證軟件組態(tài)與實際核電廠一致的前提下，大大提高了培訓(xùn)系統(tǒng)的使用效率，豐富了培訓(xùn)系統(tǒng)的功能，從根本上保證了核電廠安全級DCS培訓(xùn)系統(tǒng)從外觀到內(nèi)核與實際核電廠DCS控制系統(tǒng)的一致性。

同時，按照這種設(shè)計思想和方法所開發(fā)的系統(tǒng)不但可以用于培訓(xùn)調(diào)試及運維人員，還可用于實際核電現(xiàn)場DCS系統(tǒng)硬件故障診斷等工作，系統(tǒng)可對核電站庫存和新購備品備件進行測試、烤電等工作，對即將安裝到在線系統(tǒng)上的備件進行預(yù)測試，確定其性能處于可用狀態(tài)，保證安全儀控系統(tǒng)備件的良好可用狀態(tài)，從而有效地拓寬了核電站培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

[1] 夏濤，吳重光，楚紀(jì)正. 通用DCS仿真環(huán)境的研究[J]. 計算機仿真，2003，20（4）：48 - 50.

[2] 劉鵬飛，林 萌. 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（5）：48 - 51.

[3] 段新會，姜 萍. 基于虛擬DCS仿真的控制系統(tǒng)試驗驗證平臺開發(fā)[J]. 電力科學(xué)與工程，2008，24 (8) ：56 - 59.

[4] IAEA - NS - G - 1.3. 核動力廠安全重要儀表控制系統(tǒng)[S].

Design and Research of Safety Level DCS Training System for Nuclear Power Plant

With the wide applications of digital control system (DCS) in nuclear power plants, digital simulation training systems have become an essential means for the pre-service training of the debug and maintenance personnel in nuclear power plants. This paper analyzes the functional principles of the protection systems and the practical requirements of the field customers. With the full functional conditions guaranteed, we use both physical and simulated methods to develop a set of safety level DCS training systems for nuclear power plants. The systems can be used for nuclear power site commissioning, maintenance personnel training and teaching, on-site fault diagnosis and so on. With this design method, once the actual confguration of the nuclear power feld is guaranteed, the effciency of the systems can be largely improved, and the training function of the system is also enriched.

Nuclear Power Plants; Training system; Diagnostic test; Debugging

王曉衛(wèi)（1981-），男，滿，河北人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事核電廠安全級DCS工程設(shè)計工作。

孫洪濤（1977-），男，山東人，高級工程師，碩士，現(xiàn)任北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司工程部副總工，主要從事核電廠安全級DCS工程設(shè)計工作。

梁中起（1968-），男，漢，河北人，高級工程師，大學(xué)本科，現(xiàn)主要從事核電站數(shù)字化儀控項目實施工作。

孫月亮（1986-），女，河北人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事核電廠安全級DCS工程設(shè)計工作。