用于核電設計驗證的工程仿真機仿真技術分析

鄭明

【摘 要】利用工程仿真機實現對核電機組設計的評估驗證已經實現，本文收集分析了一些工程仿真機主流的仿真技術，以總結分析各種技術方法的特點，供核電站設計、核電安全評估參考。工程仿真機從仿真技術上來說可以分為三層：底層工藝系統，儀控系統的控制和保護層（DCS level 1），儀控系統的操作和信息管理層（DCS level 2）。本文分別就這三個部分的仿真技術進行分析，總結不同技術方法各自特點及優缺點對比。

【關鍵詞】工程仿真機；DCS level 1；DCS level 2

0 前言

計算機仿真技術在核動力領域的應用已經非常廣泛，包含核電嚴重事故分析，核設備設計、核電設計驗證、核電培訓、核電機組調試、核動力相關實驗等等。在這些應用中各有特點：核電嚴重事故分析方面要求仿真精度高；核設備設計注重力學分析、傳熱計算等；核電設計驗證強調靈活性高、適應性強；核電培訓要求逼真度高，范圍全、實時性好；核電機組調試可用到仿真技術代替實際設備，以實現對儀控系統的調試；核相關實驗利用了軟件模擬各種現實情景，為實物實驗增添了擴展空間。

用于核電設計驗證工程仿真機在核電驗證中的應用已經有了多個實例（如方家山、福清、昌江核電機組中的儀控設計驗證）。用工程仿真機來輔助設計、驗證設計已經是目前成熟的技術手段。它可以是全范圍工程仿真機，也可以是小范圍的桌面型仿真機?？捎糜趦x控系統的操作和信息管理層設計驗證、儀控系統的控制和保護層設計驗證、工藝系統改進驗證、運行規程驗證等等。本文主要收集和分析實現工程仿真機的仿真技術。

1 工程仿真機的架構

工程仿真機就仿真技術可以分為兩個部分，工藝系統部分和儀控系統。工藝系統，包括現場重要設備（如反應堆，蒸汽發生器）、泵閥通用設備、管道、測試儀表等。儀控系統又可以分為兩層，儀控系統的控制和保護層（DCS level 1），包括設備控制、安全保護等儀控系統的控制和保護層；儀控系統的操作和信息管理層（DCS level 2），包含DCS人機交互的操作界面、信息監視界面等。

工藝系統基本上是用仿真工具進行建模，實現方式大同小異。目前主流的方法較過去的進步就是實現了圖形化，將設備、管道在建模工具上作為部件使用，按照電廠系統流程圖繪制，然后生成代碼。

儀控系統的控制和保護層差異較大，實現方法目前可分為如下幾種方式：手動建模、翻譯仿真、DCS虛擬機、實物仿真。

儀控系統的操作和信息管理層的實現一般有兩條途徑：實物仿真或用其它軟件進行模擬開發，完成與實際人機交互軟件相同功能的軟件開發。

2 工程仿真機的實現方式

工程仿真機的實現方式從仿真構架上來說就是將上述提到的工藝系統、DCS level 1、DCS level 2分別實現。同時在整個構架中需考慮三層之間的實時數據交換及命令的傳遞與執行等，下面分別介紹工藝系統、DCS level 1、DCS level 2的實現方式。

2.1 工藝系統實現

底層工藝系統一般用仿真工具進行建模，目前主流的方法基本上是圖形化建模，按照電廠系統流程圖繪制成流網圖，然后生成代碼。本文舉一個建模平臺的例子以說明：

通用仿真平臺包含多個子軟件，這里介紹其中較核心的三個：

仿真支撐軟件是模擬機開發和運行的基礎，它包括以全局共享數據庫為核心的多個進程，提供對仿真模型軟件開發與調試、系統集成、仿真機實時運行與維護等仿真機全壽期的支持。仿真支撐軟件的主同步程序用于各實時執行程序（模型軟件）的調度和共享內存數據交換機制的維護，包括實現對控制集合和I/O讀寫進程的調度，以及與通訊進程間的數據交換。工程仿真機的模型軟件基于主同步程序進行調度。

通過對電廠流程圖的簡單分析，可以繪制為對應的流網圖，圖中各部件根據設計資料填入參數，完成后生成執行碼。將所有要模擬的范圍照這個方式完成流網圖即完成了工藝系統層仿真的主要工作。

2.2 儀控系統的控制和保護層（DCS level 1）實現

工程仿真機儀控系統的控制和保護層（DCS level 1）的實現方法比較多樣，目前可分為如下幾種方式：手動建模、翻譯仿真、DCS虛擬機、實物仿真。

2.2.1 手動建模

正向控制邏輯建模所參考的數據是由設計單位提供的圖紙，設計圖紙并是不是組態圖，只反映了控制原理。

設計圖上使用到的控制部件僅包含單一的功能，且沒有詳細規定算法的變量名，部件和部件間的數據傳遞也僅僅標注了方向。設計圖紙是一種示意圖，用于傳達基本的控制設計，工程仿真機的實現方需要根據自身對于設計圖紙的理解，使用仿真平臺的通用基本部件來實現控制設計。

控制模型工程師對于控制設計理解的正確性會直接影響到最終的控制邏輯的正確性。對于非邏輯部件，則需要根據經驗進行調試，方能確定合適的參數。

2.2.2 虛擬機實現方法

虛擬機實現方法的優點在于能夠直接使用DCS組態的文件，能夠和DCS組態保持完全的一致性，具有相同的響應，模擬精確度是最高的，而且也節省了二次開發的工作量。但是采用虛擬機的方法實現工程仿真機的模擬有其局限性，一般來說虛擬機的模擬方式只能由DCS廠商自己實現。因為不同的DCS廠商進行組態后下裝的文件是不一樣的，文件的內容和格式都是由廠商自定義的，對于其他使用者來說是基本無法解析的黑匣子。DCS廠商的組態下裝文件只能被其自主開發的平臺所解析并調用，很難與其他的平臺相融合，也就很難做到在其他的仿真平臺上正常運行。而且考慮到新建電廠DCS完成的時間進度要求遠遠晚于工程仿真機完成的時間要求，所以如果要滿足工程仿真機用于設計驗證，則要求DCS組態時間必須提前，這樣是不合理的，會造成正確性和完整性降低等一系列問題。

2.2.3 實物仿真實現方法

實物仿真即采購與仿真對象完全一致的軟硬件，型號和個數需要達到一一對應的關系。相當于將實際DCS的設備用于制造工程仿真機，這種方式實現的工程仿真機最接近實際核電站，最具有說服力。控制邏輯、操作界面完全一致，僅現場設備和流網需用傳統的仿真平臺進行模擬，并與實際DCS進行數據傳輸。但其造價很高，且實現凍結、重演等仿真機的重要功能也比較困難，核電站的工程仿真機很少采用實物仿真的實現方法。

2.2.4 翻譯仿真的實現方法

除了三種主流的工程仿真機實現方法，在特定條件下，可以采用翻譯的實現方式。翻譯是介于正向全仿和虛擬機之前的實現方法，用翻譯的方法進行模擬的首要條件是翻譯源文件的獲取。翻譯源文件并不是DCS組態下裝的文件，但是其包含了DCS組態的所有信息，且能夠被正確的解析。因為翻譯沒有正向組態的過程，所以采用翻譯方法能夠模擬的范圍取決于翻譯源文件所包含內容的范圍。如果要實現全范圍仿真，則必須得到核電站進行了完整的DCS組態之后。

2.3 儀控系統的操作和信息管理層（DCS level 2）實現

儀控系統的操作和信息管理層的實現一般有兩條途徑：實物仿真或進行軟件開發。

2.3.1 DCS level 2實物仿真

DCS level 2實物仿真與DCS level 1的實物仿真方式一樣，由DCS供應商直接對軟件進行適應性開發，使其可以與DCS level 1及底層工藝系統進行數據傳遞和命令執行。

實物仿真方式優點是界面和操作感受完全一致，功能驗證可信度很高。但因其供貨的單一性，造價通常比較高，且多因商業動作存在一定的技術壁壘。

2.3.2 DCS level 2軟件開發

DCS level 2軟件開發就是對已知的界面、功能進行開發，達到設計要求或與已有的實際DCS level 2一致。這里就存在兩種情況，一種是在實際DCS還未出現時，僅有設計理念或設計文件支撐，另一種情況就是已經有了目標DCS level 2，對它進行依照開發。這兩種情況從技術手段來說沒有本質區別。

軟件開發方式實現的優點是靈活性較高，在DCS level 2尚在設計階段就可以實施，不同的階段逐步變化，對DCS level 2設計前期有較大的作用。缺點是在實際DCS level 2成形后，開發出來的版本與實際版本不可避免有一些細微的差別，用于驗證的可信度稍欠。

下面就DCS level 2的軟件開發架構進行簡要說明。DCS level 2軟件可分為三個基本層次，定義為：

1）界面層：為運行在OWP（Operator Work Panel，操作員工作臺）上的軟件，主要為操作員人機交互界面。

2）功能代理層：運行在OWP上，作為界面和數據服務、通信服務的接口，解除了系統服務軟件和界面的耦合性。

3）數據服務層：為各種DCS功能提供全局服務，例如DCS level 1的數據接口軟件為level 2提供Level 1的實時數據。

3 小結

用于驗證的仿真技術多種多樣，主流方法也各有優缺點，適用于驗證的各種目的、時期、場合。下表是各技術方法的分析總結。

表1 仿真方法總結

【參考文獻】

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[責任編輯：田吉捷]