核電廠DCS系統調試裝置研制

覃 華，劉培邦，張緒怡

（中核武漢核電運行技術股份有限公司 仿真中心，武漢 430223）

0 引言

目前國內外新建核電站都采用分布式控制系統（DCS），DCS的功能和性能直接關系到核電廠的安全性與經濟性[1]。因此，核電廠DCS系統投入使用之前，需要進行大量的現場調試工作，以確保DCS系統功能及性能滿足核電廠要求。傳統的DCS系統調試方式是根據測試規程，通過短接線或信號發生器手動為I/O模塊注入輸入信號，然后查看I/O模塊輸出信號。此種方式每次只能完成單個通道的測試，無法測試完整的設備聯鎖控制邏輯以及DCS機柜整體的性能，而且核電廠DCS系統的I/O規模基本都在10000點以上，采用傳統調試方式，需要大量的人員和時間，而且容易引入人因失誤。

本文所描述的核電廠數字化儀控系統調試裝置，通過構建全廠的工藝系統和控制邏輯仿真模型，采用快速I/O接口技術以及控制邏輯虛實切換技術，與核電廠DCS構成完整閉環，可根據調試需求靈活實現對通道、模塊、機柜、子系統以及全廠DCS系統的測試、驗證。同時，利用該調試裝置可進行核電廠DCS在穩態、故障、事故等各類場景下的功能和性能驗證。將仿真技術應用到DCS出廠階段測試已經逐漸被各大DCS廠商認可，這種模式的測試也正在成為當前DCS工程實施階段測試的主要方法[2]。

1 系統概述

1.1 研制流程

本裝置的研制包含了各種硬件的選型、集成，應用軟件開發，主要開發流程如下：

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

1）開發電廠工藝過程模型和仿真DCS一層。

2）選取待測試的系統，整理該系統的I/O清單。

3）根據選擇系統的I/O信息，配置硬件I/O板卡，制作便攜式調試箱。

4）開發接口。

5）根據清單配置I/O板卡，整理出配置文件。

6）開發IOMAP軟件。

7）編寫測試用例及規程。

根據測試規程，選取工作模式一和工作模式二，對比關鍵參數的曲線和邏輯響應。

1.2 系統工作原理

在本裝置的研制及使用過程中，電廠模型與DCS一層有兩種連接模式，系統架構如圖1所示。

模式一（DCS一層采用仿真方式）：電廠工藝模型和DCS一層仿真系統在服務器內通過接口程序構成閉環。

模式二（DCS一層采用混合模式）：一部分DCS一層邏輯在DCS仿真系統中，通過接口程序與工藝系統模型構成閉環；另外一部分待測試系統（或機柜）的DCS一層邏輯在DCS一層機柜中，經I/O通訊板卡，通訊協議傳遞給測試系統（或機柜）對應的電廠工藝模型；使DCS一層邏輯與電廠模型構成閉環。

2 系統設計

本系統主要包括硬件系統、DCS一層仿真軟件、電廠工藝模型軟件、調試管理軟件等部分。

2.1 硬件構架

本裝置的硬件部分主要包括：服務器、調試箱、與DCS控制器機柜的接口，硬件架構如圖2所示。

服務器用于運行電廠工藝模型、DCS一層仿真系統軟件、通訊以及工程調試管理軟件。在開發階段，采用機架式服務器；工程應用階段，為了方便移動，可采用便攜式移動終端配合服務器使用。

圖2 核電數字化系統調試裝置硬件架構圖Fig.2 Hardware architecture diagram of nuclear power digital system debugging device

便攜式調試裝置主要包括電源、通訊控制器、I/O模塊和小型交換機等，主要用于將模型軟件計算出的工藝過程數據傳遞給實際機組的DCS控制機柜，同時將DCS控制機柜的控制輸出信號反饋到服務器中。調試裝置將根據電廠實際DCS機柜的通道類型和通道數，來配置不同種類和數量的I/O模塊。為了在工程應用中方便攜帶，移動測試不同系統的DCS控制機柜，所有的I/O模塊集成在旅行箱形狀的調試裝置中。

2.2 工藝系統模型與仿真的DCS一層

電廠工藝系統模型和仿真的DCS一層參考機組設計數據，在RINSIM平臺上開發，對各主要系統采用不同的軟件建模。以下軟件/工具都是有廣泛的工程應用、成熟的軟件。

1）堆芯物理：SimCore

2）主冷卻劑系統：SimTherm

3）安全殼：SimCont

4）流體和電氣網絡系統：SimGen

5）DCS控制層：SimGen

采用純模擬方式（simulation），按DCS一層控制器的功能分布實現了DCS的控制層的圖形化建模，按機柜設計圖進行了I/O點表的配置。

DCS一層機柜：在研制過程中，采用仿真的DCS一層機柜代替。機柜的I/O接口部分采用NI的I/O板卡代替；控制邏輯部分在服務器中仿真。

2.3 通訊接口

通信接口軟件用于建立仿真模型主機的I/O變量和一層DCS機柜的硬件設備點之間的映射關系，完成軟件變量與硬件設備點之間的通信傳輸。為了提高軟件的重構能力，以及軟件的通用性，本裝置專門設計了軟件變量與硬件I/O設備的映射關系工具，該工具的主要功能是建立系統軟件變量和硬件設備點之間的映射關系，并產生一系列配置文件供通信接口軟件使用。

圖3 工程調試管理軟件運行界面Fig.3 Engineering debugging management software running interface

通信接口軟件為C/S架構，分為模型主機端（客戶端）和數據板卡端（服務器端）。其中，數據板卡端的接口軟件運行在通信控制器中，作為數據收發的服務器端，接受來自模型主機端請求。同時，數據板卡端的接口軟件通過TCP/IP協議將數據同步至數據板卡模塊中，進而由其通過硬接線的方式傳送至DCS機柜。模型主機端的接口軟件作為仿真支撐平臺的一部分，由仿真主控程序MST進行統一調度。電廠模型啟動運行時，通信接口軟件將同時啟動，同步連接數據板卡端的服務器程序。

因為核電廠DCS系統驗證試驗對于I/O采集響應時間有較高的要求，所以在該方案選擇了NI的CRIO系列，DCS采樣速度最快可到微秒級，滿足反應堆保護系統快速響應測試的需求（通過FPGA進行精確的數字I/O時間控制和延時計算），I/O模塊通過MXI進行擴展。

2.4 控制切換及配置

工程調試管理軟件具備“DCS”和“SIM”兩種運行模式：即一般意義上的仿真模式（SIM）和切換至真實控制系統的DCS模式。在SIM模式下，電站過程模型由內部搭建的I&C策略控制運行，在DCS模式下，過程模型由實際DCS控制組態控制，以滿足單獨控制保護系統一對一的分步功能測試和若干控制保護系統關聯運行的開/閉環控制功能測試、邏輯預演及瞬態分析要求 。

根據DCS I/O點清單信息，建立相應的I/O點數據庫，每次試驗前根據調試規程選取需要通訊的點進行配置，其界面如圖3所示。該軟件具有如下功能：

◇ 完整的電廠DCS I/O點數據庫，數據庫支持導入、導出和查詢等功能。

◇ 建立調試箱（I/O模塊）的接口點數據庫。

◇ 設置合理的選擇條件對DCS I/O點進行篩選。

◇ 全圖形化操作界面，方便進行DCS點與仿真點的匹配或刪除等操作。

◇ 自動檢測DCS I/O點是否重復匹配，如果是，將報警提示。

◇ 可保存試驗I/O點列表，以便下次試驗時直接導入

3 應用測試

圖4 調試參數曲線Fig.4 Debugging parameter curves

對于數字量系統測試，在調試過程中，根據調試需要可以實時監測到DCS I/O點的計算值，并可對通訊的值進行操作干預，以圖形化形式顯示。主要包括功能：實時顯示被調試DCS I/O點的動態輸出值；針對AI、DI類型變量，可進行超控，強制改變從仿真系統傳遞輸入至DCS的值，相當于常規調試的信號注入；對于AO、DO類型變量，可對其在“實際DCS輸出”與“仿真DCS計算值”之間進行比較，當偏差大于一定值時將變為紅色以警示。如圖4所示。軟件部分的測試主要是針對電廠實際DCS level 1控制部分的測試。方法如下：

◇ 根據測試規程，整理出所有相關I/O點。

◇ 將這些I/O點置于“SIM”模式。

◇ 按照測試規程，復位相應IC條件，操作模型（模型服務器中的機柜邏輯參考DCS level 1的設計文件），觀察變量響應。

◇ 將這些I/O點從“SIM”模式切換到“DCS”模式。

◇ 復位同樣IC條件，在模型上做同樣操作，觀察變量響應。

◇ 響應一致說明DCS中邏輯正確，不一致再查找原因。

由于本裝置尚處于開發研制階段，為了驗證本裝置的實際可用性，特采用仿真DCS的形式，模擬電廠RCV系統的控制邏輯部分。分別在滿工況和事故工況下對兩種模式下RCV系統的重要參數進行比較。

復位滿工況IC，分別采用模式一“SIM”模式和模式二“DCS”模式構成回環，運行3min左右，輸出這段時間內上充下泄流量、容控箱液位、堆芯硼濃度、三四號穩壓器電加熱器功率等參數曲線，如圖4(a)、圖4(c)所示。復位滿工況IC，分別采用模式一“SIM”模式和模式二“DCS”模式構成回環，運行60s后，插入高壓下泄孔板下游和RCV010VP上游的管線泄漏；再運行2min左右，輸出這段時間內穩壓器實際水位、壓力、上充下泄流量、容控箱液位以及上充閥開度變化曲線，如圖4(b)、圖4(d)所示。

滿工況和事故工況下兩組重要參數曲線的對比表明，在DCS機柜配置和組態邏輯與設計資料一致，模式二與模式一下參數響應時間、參數變化趨勢都幾乎是一致的，仿真DCS可以實現與實際DCS切換，控制工藝系統運行，進一步證明此裝置可以起到核電廠實際DCS控制邏輯的驗證需求。

4 結束語

研究核電DCS系統的工程調試驗證技術，對于國內核電技術的發展和核安全的保障具有重要的意義[3]。本文的核電數字化系統調試裝置已投入實際工程應用，但對實際工程應用中需要的功能如快速端接替換、測試場景的適用性、可操作性等方面考慮不夠充分，隨著依托項目的進行，將會逐步完善這些功能，本裝置也將會在核電廠現場DCS調試中發揮更大的作用。