核電廠安全控制顯示模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

竇維維,馬忠剛,李 萌,馬建新

(北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司,北京 100094)

0 引言

核電廠安全控制顯示模擬系統(tǒng)是和睦模擬系統(tǒng)(FirmSys)中的重要人機(jī)接口裝置[1-2],在對(duì)核電廠主控室和睦系統(tǒng)操縱員培訓(xùn)的過(guò)程中起到重要作用[3]。但是國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的產(chǎn)品長(zhǎng)期以國(guó)外產(chǎn)品為主。 為降低成本、便于操縱員培訓(xùn),對(duì)核電安全控制顯示模擬系統(tǒng)進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)。 核電廠安全控制顯示模擬系統(tǒng)是對(duì)實(shí)體和睦系統(tǒng)中安全控制顯示裝置的模擬。 該模擬系統(tǒng)要仿真實(shí)現(xiàn)與實(shí)體裝置完全一致的畫面顯示、頁(yè)面切換、安全級(jí)設(shè)備操作、設(shè)備狀態(tài)顯示、算法邏輯運(yùn)行等功能。 同時(shí),安全控制顯示模擬系統(tǒng)要具備教、學(xué)的功能,以達(dá)到對(duì)核電站主控室操縱員進(jìn)行培訓(xùn)、考核的目標(biāo)。

1 安全控制顯示模擬系統(tǒng)的研究

1.1 技術(shù)研究

核電廠安全控制顯示模擬系統(tǒng)是對(duì)和睦系統(tǒng)中安全控制顯示裝置(safety control information device,SCID)的模擬[4]。 實(shí)體SCID 安全控制顯示裝置是和睦系統(tǒng)中重要的安全級(jí)人機(jī)接口裝置。 對(duì)應(yīng)的安全控制顯示模擬系統(tǒng)在和睦模擬系統(tǒng)的培訓(xùn)過(guò)程中提供人機(jī)交互的接口,為操縱員的培訓(xùn)提供操控設(shè)備。

但是國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域沒(méi)有自主研發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品。 實(shí)際使用中,仍以美國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)的產(chǎn)品為主。 典型的產(chǎn)品為日本三菱的模擬系統(tǒng)。 因此,有必要針對(duì)實(shí)體設(shè)備的功能及模擬系統(tǒng)的特性開(kāi)展自主研制。

1.2 主要功能

安全控制顯示模擬系統(tǒng)的功能主要包含2 個(gè)部分:模擬實(shí)體設(shè)備的功能和模擬系統(tǒng)的其他功能。

該模擬系統(tǒng)要模擬實(shí)現(xiàn)實(shí)體SCID 的各項(xiàng)功能,運(yùn)行實(shí)體組態(tài)文件及算法,無(wú)需針對(duì)模擬系統(tǒng)重新進(jìn)行工程組態(tài)。 安全控制顯示模擬系統(tǒng)要根據(jù)模型服務(wù)器的指令實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)的其他功能,具備對(duì)核電操縱員進(jìn)行培訓(xùn)、考核的功能。

1.2.1 模擬實(shí)體設(shè)備的功能[5]

①畫面顯示。 實(shí)現(xiàn)與實(shí)體SCID 完全一致的畫面顯示,可通過(guò)頁(yè)面按鈕切換頁(yè)面;接收實(shí)體組態(tài)的網(wǎng)絡(luò)變量,顯示變量的實(shí)時(shí)數(shù)值;顯示高低限報(bào)警圖符;顯示設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。

②設(shè)備操控。 實(shí)現(xiàn)與實(shí)體SCID 一致的操控設(shè)備的功能,可通過(guò)手操器完成對(duì)相關(guān)設(shè)備的啟動(dòng)、停止、調(diào)節(jié)閥門參數(shù)等相關(guān)的操作;執(zhí)行實(shí)體組態(tài)的邏輯算法,產(chǎn)生與實(shí)體一致的邏輯輸出;響應(yīng)非安全級(jí)(non classified,NC)數(shù)字化儀控平臺(tái)模擬系統(tǒng)發(fā)送的調(diào)屏指令,顯示對(duì)應(yīng)的設(shè)備畫面。

1.2.2 模擬系統(tǒng)的其他功能[6]

①響應(yīng)模擬指令。 響應(yīng)模擬系統(tǒng)的運(yùn)行指令,實(shí)現(xiàn)模擬設(shè)備啟動(dòng)、周期運(yùn)行、停止、回放等功能,以及模擬設(shè)備故障和日志記錄功能。

②教學(xué)功能。 設(shè)置教員站和學(xué)員站,教員站設(shè)置不同的教練模式,具備教員演示學(xué)員學(xué)習(xí)、學(xué)員操作教員考核的教學(xué)功能。

1.3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

安全控制顯示模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)如下所述。

①其運(yùn)行周期、操控響應(yīng)時(shí)間要與實(shí)體的實(shí)時(shí)性能保持一致。

②教員站顯示的數(shù)據(jù)與學(xué)員站顯示的數(shù)據(jù)要保持一致性,以保證學(xué)員實(shí)時(shí)看到的數(shù)據(jù)與教員實(shí)時(shí)看到的數(shù)據(jù)相同。

③系統(tǒng)要具有真實(shí)性,使學(xué)員在培訓(xùn)、學(xué)習(xí)時(shí)感受到與實(shí)體相近的操作體驗(yàn)。

2 安全控制顯示模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)

安全控制顯示模擬系統(tǒng)采用虛擬實(shí)物模擬(emulation)的技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),虛擬實(shí)物模擬在性能和物理逼真度上高于模擬(simulation)技術(shù),同時(shí)在實(shí)現(xiàn)成本和接口復(fù)雜度上都低于實(shí)物模擬(simulation)技術(shù)[7-8]。

為確保安全控制顯示模擬系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與實(shí)體安全控制顯示裝置的實(shí)時(shí)性保持一致,將安全控制顯示模擬系統(tǒng)的功能拆分為2 個(gè)部分:算法邏輯、控制功能、數(shù)據(jù)處理、模擬指令在仿真服務(wù)器內(nèi)的SimSCID 中實(shí)現(xiàn);畫面顯示功能在計(jì)算機(jī)上的SimDisp 中實(shí)現(xiàn)。

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將比較耗時(shí)的功能,以及教員站和學(xué)員站都需使用的共性功能放在服務(wù)器中進(jìn)行實(shí)現(xiàn),依靠服務(wù)器優(yōu)越的性能縮短其運(yùn)行的時(shí)間。 計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的SimDisp 以顯示畫面為主,從而解決因計(jì)算機(jī)性能低下而引發(fā)的運(yùn)行超時(shí)的問(wèn)題,使安全控制顯示模擬系統(tǒng)的時(shí)間性能與實(shí)體裝置保持一致。

安全控制顯示模擬系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 安全控制顯示模擬系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 Overall design of safety control display simulation system

安全控制顯示模擬系統(tǒng)的周期運(yùn)行時(shí)間要與實(shí)體一致。 因此在周期循環(huán)階段,SimSCID 每200 ms 接收一次調(diào)度指令,SimSCID 內(nèi)的主線程(main thread)接收到調(diào)度指令后執(zhí)行一次周期循環(huán)、一次算法邏輯計(jì)算,更新一次網(wǎng)絡(luò)接收的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并將自身運(yùn)行周期控制在200 ms。 SimDisp 運(yùn)行周期通過(guò)時(shí)鐘設(shè)置控制在200 ms。

此外,為更好地提升模擬系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間,達(dá)到實(shí)時(shí)響應(yīng)的效果,仿真服務(wù)器內(nèi)的SimSCID 模塊采用多線程并行處理的方式,即接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在一個(gè)線程中處理的同時(shí),算法邏輯在另一線程中并行處理。 經(jīng)邏輯算法計(jì)算后的結(jié)果再分別發(fā)送給對(duì)應(yīng)的學(xué)員站和教員站,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速交互,以達(dá)到實(shí)時(shí)響應(yīng)的效果。

2.2 數(shù)據(jù)一致性設(shè)計(jì)

和睦模擬系統(tǒng)中站號(hào)相同的教員SimDisp 與學(xué)員SimDisp 顯示的數(shù)據(jù)要保持一致性。 為此,在SimSCID模塊內(nèi)對(duì)教員站與學(xué)員站共用的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、算法邏輯進(jìn)行統(tǒng)一處理。 將SimSCID 模塊拆分為主線程、教員線程、學(xué)員線程。 SimSCID 結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 SimSCID 結(jié)構(gòu)Fig.2 SimSCID structure

主線程中包含算法、手操器邏輯、收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等共有功能。 設(shè)立共享內(nèi)存,將算法執(zhí)行的結(jié)果、網(wǎng)絡(luò)收發(fā)的數(shù)據(jù)、各個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)均放在共享內(nèi)存中。教員線程與學(xué)員線程從共享內(nèi)存區(qū)獲取數(shù)據(jù),保證數(shù)據(jù)源的一致性,解決學(xué)員和教員各自獲取數(shù)據(jù)時(shí)存在差異性的問(wèn)題。 此外,主線程響應(yīng)從仿真服務(wù)器接收到的運(yùn)行指令,依指令完成啟動(dòng)、運(yùn)行、存儲(chǔ)IC、回放、停止等功能[9]。

教員線程與教員SimDisp 進(jìn)行通信,學(xué)員線程與學(xué)員SimDisp 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。 他們均使用TCP/IP 協(xié)議,通過(guò)Socket 建立連接。 將各個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與仿真服務(wù)器的其他狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給各自對(duì)應(yīng)的SimDisp;同時(shí),接收從SimDisp 反饋的狀態(tài)數(shù)據(jù)及觸屏操作的坐標(biāo)信息,并更新至共享內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)供算法邏輯運(yùn)算使用,至此完成SimSCID 與SimDisp 之間數(shù)據(jù)及狀態(tài)的傳輸功能。 SimSCID 與SimDisp 之間的數(shù)據(jù)流如圖3 所示。

圖3 SimSCID 與SimDisp 之間的數(shù)據(jù)流Fig.3 Data flow between SimSCID and SimDisp

為更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性,對(duì)畫面有效操作的唯一性也進(jìn)行限定。 教員SimDisp 設(shè)置3 種不同模式,有監(jiān)控模式、演示模式和超控模式。 監(jiān)控模式為教員授課模式,SimSCID 只處理教員SimDisp 上傳的操作信息。 演示模式為學(xué)員學(xué)習(xí)、考核模式,SimSCID 只處理學(xué)員SimDisp 上傳的操作信息,使畫面有效操作具有唯一性,從而實(shí)現(xiàn)教員在教課時(shí)學(xué)員在學(xué)員SimDisp端即可觀看并學(xué)習(xí)當(dāng)前教員的所有操作和教員站畫面顯示的數(shù)據(jù),完成教學(xué)。 在學(xué)員考核時(shí),教員在教員站即可觀看到當(dāng)前學(xué)員的所有操作和學(xué)員端畫面顯示的所有數(shù)據(jù),以完成學(xué)員考核。

2.3 真實(shí)性設(shè)計(jì)

安全控制顯示模擬系統(tǒng)中直接與人進(jìn)行交互的部分為SimDisp 端。 SimDisp 運(yùn)行于計(jì)算機(jī)上,主要完成安全控制顯示畫面的顯示。 為盡可能地提高仿真的真實(shí)性,分別從硬件層面和軟件層面進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

①硬件層面。 SimDisp 直接由操縱員進(jìn)行操控,采用10.4 英寸(1 英寸=25.4 mm)顯示器作為工業(yè)可觸控顯示屏。 其頁(yè)面長(zhǎng)寬與實(shí)體一致,為800×600 的像素,可實(shí)現(xiàn)畫面中圖元的位置、大小與實(shí)體畫面一致的效果。 其次,顯示屏的外形、顏色與實(shí)體安全控制顯示裝置的外觀保持一致。 其操控觸感接近實(shí)體裝置的實(shí)際操作,使操縱員在培訓(xùn)過(guò)程中有更真實(shí)的操控體驗(yàn),從硬件設(shè)備的層面實(shí)現(xiàn)仿真的真實(shí)性。

②軟件層面。 SimDisp 功能模塊主要有初始化解析實(shí)體設(shè)備組態(tài)文件模塊、獲取觸摸屏操作信息模塊、接收數(shù)據(jù)模塊、發(fā)送數(shù)據(jù)模塊、教學(xué)模式切換模塊、顯示模塊、頁(yè)面切換模塊。 SimDisp 與SimSCID 在初始化階段解析的配置文件、算法文件、畫面文件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)文件與實(shí)體設(shè)備使用的下裝文件一致。 這在避免組態(tài)文件二次轉(zhuǎn)換的同時(shí),使模擬顯示的畫面內(nèi)容與實(shí)際設(shè)備顯示的畫面完全一致,從而使其頁(yè)面的切換功能、手操器操控功能、下發(fā)指令功能、頁(yè)面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)與實(shí)體設(shè)備一致。

此外,SimDisp 調(diào)用與實(shí)體設(shè)備完全一致的字庫(kù),可確保數(shù)字、漢字、字母顯示的高度及寬度與實(shí)體保持一致的效果,同時(shí)保證仿真字庫(kù)中針對(duì)實(shí)體產(chǎn)品特定效果設(shè)置的特殊字符的正常顯示。 由此,系統(tǒng)從軟件及功能的層面實(shí)現(xiàn)仿真的真實(shí)性。

SimDisp 根據(jù)配置信息的不同,對(duì)學(xué)員SimDisp 和教員SimDisp 進(jìn)行區(qū)分。 培訓(xùn)過(guò)程需所有教員站同時(shí)在同一計(jì)算機(jī)上運(yùn)行,通過(guò)批處理的方式實(shí)現(xiàn)所有教員SimDisp 的同時(shí)啟動(dòng)、同時(shí)關(guān)閉,并通過(guò)鍵盤快捷鍵解決不同教員之間切換的問(wèn)題。

3 關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證

安全控制顯示模擬系統(tǒng)作為一個(gè)包含上、下兩部分的系統(tǒng),其系統(tǒng)整體運(yùn)行的時(shí)間性能、不同終端數(shù)據(jù)顯示的一致性問(wèn)題以及仿真的真實(shí)性,是系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)及質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)。 這些因素會(huì)影響操縱員操作設(shè)備的響應(yīng)速度及教學(xué)過(guò)程的效率。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果驗(yàn)證如下。

3.1 時(shí)間性能驗(yàn)證

①系統(tǒng)周期運(yùn)行時(shí)間。

和睦模擬系統(tǒng)接收模型服務(wù)器的調(diào)度時(shí)間為100 ms,周期循環(huán)階段每200 ms 向SimSCID 發(fā)送一次調(diào)度指令。 SimSCID 在 200 ms 內(nèi)執(zhí)行完成,且CPU 負(fù)荷在70%以內(nèi)。 其次,SimDisp 在固定周期200 ms 內(nèi)執(zhí)行的CPU 負(fù)荷保持在70%以下。 由此SimSCID 和SimDisp 組成的系統(tǒng)保持200 ms 的運(yùn)行周期,使仿真系統(tǒng)的周期時(shí)間與實(shí)體設(shè)備的周期時(shí)間實(shí)現(xiàn)一致性。

②系統(tǒng)響應(yīng)指令時(shí)間。

安全控制顯示模擬系統(tǒng)的性能指標(biāo)中提出頁(yè)面有效操作要在400 ms 內(nèi)完成響應(yīng),與實(shí)體設(shè)備的要求保持一致。 但是在安全控制顯示模擬系統(tǒng)中,算法和顯示被拆分為2 個(gè)部分實(shí)現(xiàn),且SimSCID 和SimDisp 異步運(yùn)行,無(wú)法直接固定運(yùn)行周期。 即從SimDisp 產(chǎn)生的頁(yè)面切換的有效操作指令,經(jīng)仿真服務(wù)器處理后在SimDisp完成新頁(yè)面的顯示需要在400 ms 內(nèi)完成。 經(jīng)測(cè)試,操控指令從被獲取到頁(yè)面完成響應(yīng)均在400 ms 內(nèi)完成。

3.2 數(shù)據(jù)一致性驗(yàn)證

數(shù)據(jù)一致性驗(yàn)證以1 號(hào)站的學(xué)員SimDisp 和教員SimDisp 培訓(xùn)過(guò)程的畫面顯示為例。 1 站教員SimDisp設(shè)置為監(jiān)控模式,其畫面跟隨1 站的學(xué)員SimDisp 的實(shí)時(shí)畫面進(jìn)行顯示。 兩者均顯示模擬量手操器,且畫面內(nèi)數(shù)據(jù)顯示一致。

3.3 仿真的真實(shí)性驗(yàn)證

仿真的真實(shí)性驗(yàn)證過(guò)程中,將SimDisp 最終設(shè)備的實(shí)物外形、顯示畫面、操控效果與實(shí)體設(shè)備分別進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。 其實(shí)物外形與實(shí)體設(shè)備一致,畫面顯示與實(shí)體設(shè)備完全相同,操控效果、響應(yīng)的靈敏性與實(shí)體設(shè)備一致。 由此表明,該系統(tǒng)能夠從實(shí)物外形、功能、性能、體驗(yàn)感等多維度實(shí)現(xiàn)仿真的真實(shí)性。

4 結(jié)論

核電廠安全控制顯示模擬系統(tǒng)已成功應(yīng)用在5 個(gè)核電項(xiàng)目中,運(yùn)行穩(wěn)定,為核電主控室操縱員的培訓(xùn)、考核提供操作設(shè)備,提高了操縱員對(duì)安全級(jí)設(shè)備的操控能力,盡可能地避免了操控失誤,提升了操縱員在實(shí)際操控過(guò)程中的安全性。

安全控制顯示模擬系統(tǒng)按功能模塊進(jìn)行模擬實(shí)現(xiàn)。 經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證,該裝置后期可以應(yīng)用到對(duì)核電站實(shí)際應(yīng)用的工程設(shè)計(jì)組態(tài)的邏輯功能的驗(yàn)證[10]、核電站現(xiàn)場(chǎng)DCS 問(wèn)題修改方案的驗(yàn)證、核電站內(nèi)維修人員培訓(xùn)等場(chǎng)景中,能夠適配各種堆型,具備極高的工程應(yīng)用價(jià)值。 該模擬系統(tǒng)降低了核電廠采購(gòu)該類產(chǎn)品的成本,為產(chǎn)品的后期維護(hù)提供了便利。