70DCS全仿技術(shù)在核電廠全范圍模擬機(jī)中的應(yīng)用

連瑞娜

摘 要：核電站模擬機(jī)數(shù)字化儀控系統(tǒng)有多種仿真實(shí)現(xiàn)方式，相比于福清1號(hào)模擬機(jī)的虛擬仿真和實(shí)物仿真的實(shí)現(xiàn)方式，2號(hào)模擬機(jī)采用的全防仿真方式，在滿足模擬機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，節(jié)約了成本，縮短了項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間。該文著重分析了福清2號(hào)模擬機(jī)的邏輯控制層level1和人機(jī)界面監(jiān)控層level2的DCSFSS全仿技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單介紹了國(guó)產(chǎn)化（48×24）mm馬賽克盤臺(tái)、全仿技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，從精度、逼真度、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)方面分析福清1、2號(hào)模擬機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，兩臺(tái)模擬機(jī)相互參考，取長(zhǎng)補(bǔ)短，提出了優(yōu)化改進(jìn)建議，可供后續(xù)其他模擬機(jī)項(xiàng)目的開發(fā)參考。

關(guān)鍵詞：全范圍模擬機(jī) 模擬機(jī)數(shù)字化儀控系統(tǒng) 仿真

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（c）-0070-03

Abstract：There ara a few ways of the simulation for the digtal control system of the full scope simulator，compared with the emulation and the stimulation of the Fuqing 1#FSS，the fully simulation of the 2# FSS can not only meet the simulator standard but also save the cost，shorten the development time of the project. This paper focuses on the analysis of the DSCFSS technical ，which include the logic control level and human machine interface level of the 2#FSS. Introduces the nationalization（48x24mm）mosaic panel、 the difficulty of the fully simulation. Finally， combining the practical application， the paper analyses the advantages and disadvantages of the two sets of simulator about the accuracy， fidelity， stability， economy， and maintenance. and put forward the suggestion for improvement after two simulator refer each other， which can offer the reference for other project.

Key Words：Full scope simulator；DCSFSS；Simulation

核電廠全范圍模擬機(jī)（FSS）融合了反應(yīng)堆工程、熱工水力、電氣工程、自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的技術(shù)有“虛擬核電廠之稱”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)核電廠工藝系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)以及人機(jī)界面系統(tǒng)、盤臺(tái)的仿真，使操縱人員能在模擬主控室觀察到模擬電廠的信息，依據(jù)電廠規(guī)程操作能得到與實(shí)際機(jī)組相同的響應(yīng)。作為核電工程建設(shè)主路徑上的關(guān)鍵設(shè)備，它主要用于操縱員的培訓(xùn)和取照，提高核電運(yùn)行人員的素質(zhì)和能力，確保核電站安全可靠的運(yùn)行，還可以作為V&V平臺(tái)，用于對(duì)電站設(shè)計(jì)改進(jìn)與機(jī)組變更的驗(yàn)證。福清核電站模擬機(jī)數(shù)字化儀控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱DCSFSS）的實(shí)現(xiàn)是模擬機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

全范圍模擬機(jī)DCSFSS分為3層：（1）Level0：工藝系統(tǒng)層，模擬現(xiàn)場(chǎng)各類測(cè)量?jī)x表，如溫度、壓力、流量等傳感器，以及現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器，如泵、閥門、電動(dòng)機(jī)等；（2）Level1：邏輯控制層level，周期執(zhí)行控制運(yùn)算，控制和監(jiān)視電廠的不同系統(tǒng)；（3）Level2：人機(jī)界面監(jiān)控層，是操縱員實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，對(duì)電廠進(jìn)行操作和監(jiān)視的設(shè)備。

1 DCSFSS幾種實(shí)現(xiàn)方式

目前，DCSFSS的仿真通常采用實(shí)物仿真、虛擬仿真、翻譯仿真、模擬仿真幾種方式[2]。其中實(shí)物仿真時(shí)采用實(shí)際DCS的硬件和軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)DCS的仿真，該方案能實(shí)現(xiàn)與DCS一致的控制邏輯或人機(jī)界面；虛擬仿真方案是實(shí)際DCS組態(tài)運(yùn)行在虛擬的DCS平臺(tái)，該平臺(tái)具有DCS組態(tài)平臺(tái)和模擬機(jī)特有的功能；模擬仿真就是在基于仿真平臺(tái)上的通用邏輯和控制模型工具、動(dòng)態(tài)圖形開發(fā)工具以及針對(duì)DCS一些特殊功能庫(kù)和動(dòng)態(tài)圖形庫(kù)開發(fā)的專用模型工具，在專用模型工具的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際DCS的仿真，是在設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制邏輯和人機(jī)界面的建模；翻譯仿真是基于仿真平臺(tái)開發(fā)與DCS功能庫(kù)、動(dòng)態(tài)圖形一致的專用模型工具，并開發(fā)組態(tài)翻譯軟件，將實(shí)際DCS組態(tài)翻譯到仿真平臺(tái)上。實(shí)物仿真和虛擬仿真采用的都是實(shí)際的DCS組態(tài)，1號(hào)模擬機(jī)DCSFSS采用的實(shí)物和虛擬兩種仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，稱之為半仿，而模擬仿真和翻譯仿真沒(méi)有直接采用DCS組態(tài)數(shù)據(jù)，通常也稱為全仿，福清第二臺(tái)模擬機(jī)DCSFSS的實(shí)現(xiàn)是基于模擬仿真和翻譯仿真結(jié)合的全仿技術(shù)方案[3]。

2 DCS全仿技術(shù)的應(yīng)用

2.1 國(guó)產(chǎn)化DCS仿真技術(shù)方案

軟件系統(tǒng)由CNPO開發(fā)，DCS的仿真實(shí)現(xiàn)如下。

Level1：安全級(jí)采用模擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)，由CNPO用建模工具SimGen圖形建模；非安全級(jí)用翻譯仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)，由翻譯軟件IATranfer來(lái)翻譯1號(hào)模擬機(jī)的IA組態(tài)數(shù)據(jù)，裝載入模型服務(wù)器。

Level2：采用模擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)，具體是由專業(yè)組態(tài)軟件DcsConf完成過(guò)程控制畫面及組態(tài)，由CNPO采用Qt軟件自主開發(fā)二層平臺(tái)。

盤臺(tái)：無(wú)紙記錄儀、部分開關(guān)、按鈕、指示燈、報(bào)警燈、鑰匙等標(biāo)準(zhǔn)組件由國(guó)外采購(gòu)，其余部分由國(guó)內(nèi)儀表生產(chǎn)商供貨。

2.2 Level1邏輯控制層的實(shí)現(xiàn)

安全級(jí)DCS控制邏輯采用的是模擬仿真的技術(shù)，依據(jù)是控制邏輯圖，利用CNPO建模工具Simgen針對(duì)DCS特殊功能庫(kù)和動(dòng)態(tài)圖形庫(kù)開發(fā)專用的模型工具，進(jìn)行控制邏輯和人機(jī)界面的建模，根據(jù)DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的IO點(diǎn)清單，在模型圖添加與其他仿真系統(tǒng)的接口，生成相應(yīng)的DCS仿真模型接口變量，裝載入工藝系統(tǒng)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)與其他模擬機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

非安全級(jí)組態(tài)數(shù)據(jù)量大，采用的是翻譯仿真的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即采用IA組態(tài)專用翻譯軟件IATranfer將導(dǎo)出iccptr文件中不同類型Block進(jìn)行分解，將組態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換Fortran代碼，為L(zhǎng)evel1的Block的每個(gè)輸入輸出和運(yùn)算步驟（step）生成一個(gè)變量名，在模型數(shù)據(jù)庫(kù)dbm中為其定義，根據(jù)關(guān)鍵字生成代碼段；用Fortran語(yǔ)言重新為有調(diào)用的有內(nèi)部算法的block控制模塊編寫程序代碼整合到代碼中，實(shí)現(xiàn)對(duì)IA組態(tài)的模擬。將生成代碼裝入模型服務(wù)器與模型一起參與運(yùn)算，并可在模型調(diào)試工具isd下觀察其每一步的計(jì)算結(jié)果。

綜上所述，福清2號(hào)模擬機(jī)DCSFSS Level1的特別之處就是使用軟件IATranfer翻譯來(lái)自1號(hào)機(jī)的非安全級(jí)組態(tài)數(shù)據(jù)，在虛擬仿真和模擬仿真技術(shù)上采用了翻譯仿真折中的方案。

2.3 level2人機(jī)界面監(jiān)控層的實(shí)現(xiàn)

人機(jī)界面監(jiān)控層的過(guò)程控制畫面采用模擬仿真的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，即采用工控組態(tài)軟件DcsConf來(lái)開發(fā)的二層過(guò)程控制畫面和數(shù)據(jù)組態(tài)，將visio格式的設(shè)計(jì)文件直接導(dǎo)入、轉(zhuǎn)換為DcsConf軟件格式的過(guò)程控制畫面文件。而對(duì)于少量沒(méi)有visio輸入文件的畫面則通過(guò)手動(dòng)繪制圖形組態(tài)完成。

在DCSConf的標(biāo)準(zhǔn)部件庫(kù)中并沒(méi)有模擬機(jī)DCS一些特殊功能庫(kù)和動(dòng)態(tài)圖形庫(kù)專用模型工具，需要擴(kuò)充開發(fā)動(dòng)態(tài)部件庫(kù)以及過(guò)程畫面中的靜態(tài)部件和導(dǎo)航鏈接等庫(kù)部件。

利用導(dǎo)出的數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)XML文件進(jìn)行配置，在二層顯示工作站和數(shù)據(jù)處理服務(wù)器上生成數(shù)據(jù)庫(kù)變量，將生成對(duì)點(diǎn)文件放在模型主機(jī)，實(shí)現(xiàn)OWP與模型主機(jī)上運(yùn)行的Level1和工藝系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)交換。

2.4 盤臺(tái)的仿真

福清2號(hào)模擬機(jī)用國(guó)產(chǎn)化（24 mm×48 mm）馬賽克盤臺(tái)替代進(jìn)口盤臺(tái)。國(guó)外采購(gòu)方案造價(jià)高，后續(xù)維護(hù)和技術(shù)支持難以保障[4]。考慮到模擬機(jī)整體造價(jià)和進(jìn)度控制的需求，針對(duì)2#模擬機(jī)盤臺(tái)國(guó)產(chǎn)化的可行性，F(xiàn)QNPC聯(lián)合CNPO進(jìn)行了調(diào)研，調(diào)研結(jié)果說(shuō)明，國(guó)內(nèi)制造商的盤臺(tái)、馬賽克工藝能滿足核電模擬機(jī)盤臺(tái)的要求，盤裝設(shè)備可以通過(guò)國(guó)內(nèi)已有的渠道采購(gòu)。結(jié)合調(diào)研結(jié)果和CNPO既往工程經(jīng)驗(yàn)分析，福清2#模擬機(jī)后備盤國(guó)產(chǎn)化方案是可行的，通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施，可以進(jìn)一步提高電廠設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率，并可以顯著降低FSS總體價(jià)格。盤臺(tái)國(guó)產(chǎn)化在設(shè)計(jì)上也有更多靈活性，比如對(duì)接口機(jī)箱的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，2號(hào)模擬機(jī)盤臺(tái)設(shè)計(jì)中采用分布式接口機(jī)箱，廠家將接口系統(tǒng)布置在盤柜內(nèi)部，模型主機(jī)與接口機(jī)箱通過(guò)網(wǎng)線相連，縮短了信號(hào)線之間的距離，降低了布線工作量和節(jié)約了成本的同時(shí)為前期的開發(fā)調(diào)試和后期的維護(hù)帶來(lái)了很大的便利；2號(hào)模擬機(jī)數(shù)碼顯示表采用串口通訊方式，避免了1號(hào)模擬機(jī)數(shù)顯表的數(shù)據(jù)采集誤差和顯示誤差，保持模型服務(wù)器中的數(shù)據(jù)和盤臺(tái)儀表顯示完全一致，同時(shí)，減少了123個(gè)AO模塊，降低設(shè)備故障概率。

3 1、2號(hào)模擬機(jī)比較

（1）從精度和逼真度分析，2號(hào)模擬機(jī)采用的全仿技術(shù)實(shí)現(xiàn)的DCSFSS系統(tǒng)，相比1號(hào)模擬機(jī)采用的Emulation和Stimulation的仿真技術(shù)，雖然能滿足模擬機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，但精度和逼真度要低于1號(hào)模擬機(jī)。

（2）在運(yùn)行性能上，1號(hào)模擬機(jī)自2012年4月投入運(yùn)行以來(lái)，運(yùn)行狀況比較穩(wěn)定，除有時(shí)出現(xiàn)OWP單組黑屏（后臺(tái)重啟即可恢復(fù)），基本上不會(huì)給培訓(xùn)造成影響。而2號(hào)模擬機(jī)發(fā)生黑屏卡屏通訊故障的頻率高于1號(hào)模擬機(jī)，DCSFSS二層平臺(tái)穩(wěn)定性低于1號(hào)模擬機(jī)。

（3）成本上，2號(hào)模擬機(jī)由于硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，總包商CNPO采用全仿的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，開發(fā)、采購(gòu)等工作均在國(guó)內(nèi)完成，降低了成本。

（4）從維護(hù)角度1號(hào)模擬機(jī)啟停需要20～30 min、復(fù)位IC需要3～5 min，若出現(xiàn)運(yùn)行異常，恢復(fù)時(shí)間也比較久。2號(hào)模擬機(jī)采用全仿的方式，設(shè)備硬件數(shù)量大幅度降低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單，啟停模擬機(jī)10 min左右，復(fù)位IC不到1 min，異常恢復(fù)迅速。

4 1、2號(hào)模擬機(jī)優(yōu)化改進(jìn)

針對(duì)使用中的1、2號(hào)模擬機(jī)性能和今后模擬機(jī)的發(fā)展前景，結(jié)合文章對(duì)2號(hào)模擬機(jī)DCS全仿技術(shù)的分析和兩臺(tái)模擬機(jī)性能對(duì)比，提出優(yōu)化改進(jìn)建議如下。

1號(hào)機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)，由于1號(hào)模擬機(jī)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)鍵設(shè)備多，對(duì)任一關(guān)鍵設(shè)備故障導(dǎo)致模擬機(jī)不可用，且有的機(jī)器是定制機(jī)器，一旦停產(chǎn)對(duì)今后模擬機(jī)帶來(lái)嚴(yán)重不可用影響，為提高可用性、提高維護(hù)性有必要進(jìn)行改造。參考2號(hào)模擬機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將8臺(tái)FSIM集成到1臺(tái)服務(wù)器上、將5臺(tái)二層服務(wù)器集成到1臺(tái)服務(wù)器上。

2號(hào)模擬機(jī)由于翻譯后的是Fortran代碼，查找問(wèn)題較1號(hào)機(jī)復(fù)雜，維護(hù)難度相對(duì)較高，借鑒1號(hào)模擬機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)Level1圖形化維護(hù)界面。

功能改進(jìn)：集成嚴(yán)重事故模擬機(jī)，目前國(guó)內(nèi)僅有嶺澳二期在全范圍模擬機(jī)基礎(chǔ)上集成了成熟的嚴(yán)重事故分析程序MAAP5，其他均為單獨(dú)的嚴(yán)重事故模擬機(jī)，且是小范圍的；借鑒嶺澳二期方案對(duì)1、2號(hào)模擬機(jī)進(jìn)行功能改進(jìn)。

5 結(jié)語(yǔ)

福清2號(hào)模擬機(jī)自2013年10月份投用至今，總體運(yùn)行情況良好，其DCS全仿技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為國(guó)內(nèi)其他電廠起到了積極的借鑒意義，也可以作為后續(xù)模擬機(jī)項(xiàng)目的參考，部分技術(shù)如國(guó)產(chǎn)化盤臺(tái)已開始在實(shí)際電廠中應(yīng)用。由于測(cè)試不充分、機(jī)組數(shù)據(jù)資料不健全、偏差處理不及時(shí)等各種原因，2號(hào)模擬機(jī)仍存在不少的缺陷和偏差，仍然需要進(jìn)行測(cè)試和改進(jìn)來(lái)進(jìn)一步完善DCS仿真系統(tǒng)。在“模擬機(jī)界”有一種觀點(diǎn)：好的模擬機(jī)不是造出來(lái)的，而是調(diào)出來(lái)的。這說(shuō)明了模擬機(jī)的性能好壞，很大程度取決于對(duì)模擬機(jī)的調(diào)試工作[5]。筆者由此相信，2號(hào)模擬機(jī)經(jīng)過(guò)不斷地完善和改進(jìn)，將會(huì)達(dá)到用戶滿意的狀態(tài)。

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