核電DCS控制邏輯的離線重構及應用

于景瑞

摘要：作為信息技術、控制技術和網絡技術高度結合的產物，數字化儀控系統被廣泛應用于核電項目中。歷經數十年的技術革新和應用積淀，核電廠數字化儀控系統朝著更加精益、高效的方向發展，對系統運行可靠性提出更高要求。通訊網絡作為數字化儀控系統的重要組成，承載著系統內部大量的數據傳遞任務，是實現核電廠工藝系統及設備監視和控制功能的核心環節。通訊網絡所基于的工業以太網技術特點、運行原理、可靠性逐漸成為在建電廠數字化儀控系統設計選型的要素，也勢必成為數字化儀控系統可靠性提升領域的熱點議題。

關鍵詞：DCS;離線構建;有向圖;縮點;拓撲排序

引言

一般地，核電數字化控制系統（DCS）使用專用軟件進行控制邏輯的組態及顯示，這些軟件依賴于機組特定軟硬件環境，可操作終端數量有限，無法滿足各專業人員頻繁查詢分析DCS控制邏輯的需求，軟件接口封閉無法利用計算機進行進一步的輔助分析。因此，如何對機組接口封閉和結構孤立的DCS在線控制邏輯，進行離線重構且最大限度保持其原有控制細節，成為解決問題的關鍵。本文針對核電DCS控制邏輯的結構特點，提出了基于有向圖模型的DCS控制邏輯離線構建和存儲方法，并給出了2個典型應用場景，可為進一步DCS控制邏輯相關的計算機輔助分析應用提供一種簡單、開放和準確的數據源輸入。

1核電站DCS系統

在我國核電站的儀表及控制系統中，大多新建電站采用全數字化DCS（Distributed Control System）技術，即過程控制級分散配置。在本課題中，整個DCS系統由適用于非安全相關儀控系統（Operational I & CSystem）和安全相關儀控系統（Safety I & C System）兩部分組成，主要用于監測和控制核電廠釋熱和電能生產的主要和輔助過程，完成對常規島除汽輪機本體控制系統外的常規控制系統及反應堆控制系統（RRC）、反應堆保護系統（RPS）及反應堆堆芯控制系統（CCS）的控制。在所有運行模式包括應急情況下，維持電廠的安全性、可操作性和可靠性，并且在正常運行工況下保證電廠的經濟性。根據核電站的儀表及控制系統需實現的功能要求，整個系統劃分為四個處理層級：LEVEL0-I/O層，過程儀表層，即現場各類測量儀表及現場執行器;LEVEL1-過程控制層，AS620自動化控制級，即能自動，獨立實現電站控制及保護功能的設備;LEVEL2-操作監視層，OM690人-機接口級，即操縱員實現人機對話，對電站進行操作和監視的設備;LEVEL3-高級應用（信息管理）層，來自DCS系統的電站信息平臺。

2數據提取及處理

2.1數據提取

DCS控制邏輯的數據來源可以是Visio格式的設計文件，也可是實際機組的備份數據。編寫提取程序識別數據并根據數據庫表結構填充各個字段。為最大限度獲取DCS邏輯控制細節，節約后續應用子圖處理時間，需對結點和邊進行處理，主要包括邊的權值更新、節點出入度更新、子圖強連通分量計算及其縮點簡化、確定性拓撲排序等內容。

2.2數字孿生

通過公有云，給新建電廠進行建模仿真、虛擬的生產調試，同時使用多個電廠的數據，利用中國核電公有云服務器進行計算和建模迭代。電廠的各個物理傳感器會產生大量的數據，公有云對這些實際數據應用機器學習等方法進行分析，是實現主動響應、事故溯源、預測性維護等數字孿生信息反饋功能的重要技術。例如，生產性能的數字孿生可以對生產過程中出現的事故等實際情況進行數據提取，通過機器學習與數值模擬驗證等方式實現原因分析，并針對事故原因提出設計改進方案

2.3協議識別

根據SINECH1協議的網絡協議模型可知，該協議的網絡層是無效的，這就意味著在網絡中傳輸的數據流是沒有IP及端口信息的，只能通過MAC地址對通訊設備進行標識。故傳統的基于端口的協議識別方法顯然不能滿足SINECH1協議識別，只能通過基于負載的協議識別方法對SINECH1協議進行識別。基于負載的協議識別方法的本質為通過識別報文內應用層負載關鍵字，對協議進行初步識別，其可以快速、準確地對已知協議進行識別，是目前應用范圍較為廣泛、較為主流的協議識別方法。

3 DCS離線控制邏輯數據庫應用

3.1遠程監控和預測性維修

通過讀取各個核電廠的傳感器或者控制系統的各種實時參數，構建可視化的遠程監控并給予采集的歷史數據，構建層次化的部件、子系統乃至整個設備的健康指標體系，并使用人工智能實現趨勢預測。基于預測的結果，對維修策略以及備品備件的管理策略進行優化，降低和避免因為非計劃停堆帶來的損失。

3.2網絡結構及設置優化

合理規劃子環網絡范圍和關鍵網絡節點設置，對優化傳輸路徑、降低通訊負荷和提升網絡故障容錯性意義重大。在上述網絡故障導致非停事件的經驗反饋中，網絡結構及配置存在不合理之處：“閃斷閃連”故障所在子環網絡范圍過大，其下連接有40對AP控制器，承載著全廠60%以上的自動控制器通訊任務;同時，冗余上行鏈路交換機和RM交換機采用緊鄰設置，位置分布不合理。上述因素疊加，致使“閃斷閃連”故障期間超過半數以上AP控制器通訊中斷，大范圍設備及其信號失去監視。

結束語

網絡化控制系統是未來核電廠發展的趨勢之一，是實現智慧核電的關鍵性平臺，但其所應用的如時間敏感性網絡、集群化服務器、控制層面的無線通信、底層控制設備的網絡化等支撐技術尚不成熟，其經濟性、可靠性還需要通過不斷調研與實踐加以充分論證。因此，建議將已經通過驗證的新技術，先開展小規模試點，待其可靠性和經濟性得到驗證后，逐步推廣到全廠乃至整個行業。

參考文獻

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