魏 來(lái)，陳 森

（中核集團(tuán)三門(mén)核電有限公司，浙江 三門(mén) 317112）

1 DCS仿真的定義

1.1 純模擬（Simulation）

純模擬，使用模擬機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境下的建模技術(shù)來(lái)復(fù)現(xiàn)參考機(jī)組的系統(tǒng)或子系統(tǒng)。由DCS仿真供貨商直接根據(jù)DCS的I/O清單、控制邏輯圖以及DCS圖形化控制界面進(jìn)行仿真。

1.2 虛擬實(shí)物模擬（Emulation）

虛擬實(shí)物模擬，特指通過(guò)將電站的系統(tǒng)或子系統(tǒng)的軟件移植到模擬機(jī)運(yùn)行環(huán)境下工作，其硬件平臺(tái)可以是模擬主機(jī)，也可以是獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，來(lái)復(fù)現(xiàn)參考機(jī)組的系統(tǒng)或子系統(tǒng)。

1.3 實(shí)物模擬（Stimulation）

實(shí)物模擬，在模擬機(jī)中使用電站的真實(shí)系統(tǒng)或子系統(tǒng)的真實(shí)硬件和軟件來(lái)復(fù)現(xiàn)參考機(jī)組的相應(yīng)系統(tǒng)或子系統(tǒng)。

以上簡(jiǎn)要介紹了模擬機(jī)DCS仿真3種主要形式的定義和特點(diǎn)，下面將介紹DCS仿真的具體實(shí)現(xiàn)方法。

2 DCS仿真的具體實(shí)現(xiàn)方法

2.1 純模擬的實(shí)現(xiàn)方法

純模擬主要由DCS仿真供應(yīng)商采用成熟的儀控組態(tài)軟件，使用電站提供的可用于組態(tài)的儀控I/O清冊(cè)、控制邏輯以及MMI人機(jī)接口界面對(duì)電站DCS直接組態(tài)供模擬機(jī)使用，主要包括點(diǎn)的組態(tài)、控制邏輯的組態(tài)以及圖形界面的組態(tài)3個(gè)步驟。

第一步，需要將建模過(guò)程中用到的外部變量以及內(nèi)部變量在數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中完成定義，主要包括對(duì)模擬量輸入輸出（AI/AO）、數(shù)字量輸入輸出（DI/DO）以及控制算法中用到的一些中間變量點(diǎn)等進(jìn)行定義并分組，由于核電站系統(tǒng)較多，通常百萬(wàn)千萬(wàn)級(jí)核電站的點(diǎn)數(shù)都在萬(wàn)點(diǎn)以上。

第二步，使用控制邏輯組態(tài)軟件按照核電站核島、常規(guī)島以及公用系統(tǒng)的控制邏輯圖進(jìn)行組態(tài)。

第三步，完成MMI圖形界面轉(zhuǎn)換與控制點(diǎn)以及控制邏輯相對(duì)應(yīng)。

第四步，與工藝系統(tǒng)進(jìn)行集成測(cè)試，與核電站實(shí)際控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比完善，消除不一致以及偏差，完成后下裝入電站模型主機(jī)供使用。

2.2 虛擬實(shí)物模擬的實(shí)現(xiàn)方法

由DCS仿真供貨商將電站控制系統(tǒng)供貨商組態(tài)完成的控制邏輯以及算法，經(jīng)過(guò)軟件翻譯的方式轉(zhuǎn)換為模擬機(jī)可用的邏輯與仿真平臺(tái)進(jìn)行集成，包括點(diǎn)的翻譯、控制邏輯的翻譯、圖形界面組態(tài)與電廠DCS保持一致等。

模擬機(jī)供應(yīng)商為保證模擬機(jī)DCS控制系統(tǒng)與核電站DCS系統(tǒng)的高度一致并減少開(kāi)發(fā)工作量，通常采用Emulation的方式在電站DCS系統(tǒng)組態(tài)完成后通過(guò)特定的經(jīng)過(guò)V&V（檢驗(yàn)和確認(rèn)）的翻譯軟件翻譯后供模擬機(jī)使用。

WEC公司在模擬機(jī)DCS虛擬實(shí)物仿真上具有豐富經(jīng)驗(yàn)，曾經(jīng)使用過(guò)Rose以及OpenSim對(duì)DCS進(jìn)行翻譯仿真。目前采用一種更為先進(jìn)的Migration Tool的工具對(duì)全球多個(gè)核電項(xiàng)目進(jìn)行DCS仿真，主要有Vogtle核電站的給水控制系統(tǒng)，McGuire核電站的核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)等，以及正在建造中的浙江三門(mén)核電站以及Vogtle3號(hào)、4號(hào)機(jī)組模擬機(jī)的安全級(jí)控制系統(tǒng)以及非安全控制系統(tǒng)的DCS仿真實(shí)現(xiàn)。

2.3 實(shí)物模擬的實(shí)現(xiàn)方法

實(shí)物模擬主要考慮以真實(shí)的DCS機(jī)柜軟硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真，對(duì)比于實(shí)際核電站的DCS系統(tǒng)的四層結(jié)構(gòu)，具有除電廠接口層（泵、閥、風(fēng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及傳感器等測(cè)量元件）以外的過(guò)程處理層，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及操縱員層在內(nèi)的其他三層結(jié)構(gòu)。

3 三種仿真方式的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 純模擬的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用項(xiàng)目

優(yōu)點(diǎn)：

（1）使用電站I/O清冊(cè)以及控制邏輯圖進(jìn)行組態(tài)，在一定程度上可以避免DCS承包商設(shè)計(jì)組態(tài)工期滯后對(duì)模擬機(jī)工程進(jìn)度的影響。

（2）較少地使用DCS系統(tǒng)硬件，節(jié)約成本，便于硬件維護(hù)。

（3）有利于打破DCS供貨商以及模擬機(jī)供貨商作為一家供應(yīng)商時(shí)壟斷要價(jià)的局面。

缺點(diǎn)：

（1）模擬機(jī)設(shè)計(jì)階段需要向模擬機(jī)承包商提供大量文件、圖紙，工作量較大且繁瑣。

（2）DCS仿真過(guò)程組態(tài)的工作量較大，相當(dāng)于對(duì)DCS重新組態(tài)，模擬機(jī)供貨商人力成本增加較大，直接增加了模擬機(jī)建造成本。

（3）與實(shí)際DCS控制系統(tǒng)存在偏差以及不一致的風(fēng)險(xiǎn)，需要長(zhǎng)期驗(yàn)證消缺。

（4）變更以及記錄較難，需要模擬機(jī)維護(hù)人員具備很高程度的DCS組態(tài)變更維護(hù)能力。

適用項(xiàng)目：

從純模擬的特點(diǎn)來(lái)看，主要適用于控制點(diǎn)數(shù)較少，組態(tài)規(guī)模較小的DCS系統(tǒng)。核電站由于控制點(diǎn)數(shù)較多（相對(duì)于火電站），DCS組態(tài)周期長(zhǎng)且工作量較大，模擬機(jī)供貨商組態(tài)人力的投入將直接導(dǎo)致模擬機(jī)建造費(fèi)用增加，一般情況下不建議單獨(dú)由模擬機(jī)仿真供貨商采用純模擬的方式單獨(dú)進(jìn)行模擬機(jī)DCS仿真，而是建議采用DCS供貨商與模擬機(jī)供貨商共同合作開(kāi)發(fā)的方式進(jìn)行模擬機(jī)DCS仿真，從而共享部分組態(tài)技術(shù)成果達(dá)到有效降低模擬機(jī)建造成本的目的。

3.2 虛擬實(shí)物模擬的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用項(xiàng)目

優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用成熟的經(jīng)過(guò)V&V（檢驗(yàn)和確認(rèn)）的軟件將組態(tài)完成的DCS文件進(jìn)行翻譯，使用可靠性高，成本較低，耗時(shí)較少。

（2）較少地使用DCS系統(tǒng)硬件，節(jié)約成本，便于硬件維護(hù)。

（3）能夠較好的與實(shí)際DCS系統(tǒng)保持一致。

（4）DCS組態(tài)文件易于維護(hù)和變更控制。

缺點(diǎn)：

（1）受限于DCS組態(tài)進(jìn)度，DCS可用于模擬機(jī)的文件釋放點(diǎn)時(shí)間必須保證模擬機(jī)可以按時(shí)用于核電站操縱員培訓(xùn)。

（2）在核電站DCS與模擬機(jī)非同一家供貨商時(shí)，DCS供貨商由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等原因可能拒絕向模擬機(jī)供貨商提供一些組態(tài)源代碼以及核心文件。

適用項(xiàng)目：

適用于控制點(diǎn)數(shù)較多，組態(tài)規(guī)模較大的核電DCS仿真。但是對(duì)于新建核電項(xiàng)目，尤其是沒(méi)有參考電站的核電項(xiàng)目，潛在存在的DCS的設(shè)計(jì)以及組態(tài)等工程進(jìn)度滯后等不利因素可能對(duì)DCS仿真乃至模擬機(jī)按時(shí)可用造成沖擊。

3.3 實(shí)物模擬的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用項(xiàng)目

優(yōu)點(diǎn)：

（1）使用DCS真實(shí)硬件和軟件最大限度地實(shí)現(xiàn)仿真。

（2）徹底消除模擬機(jī)DCS與實(shí)際DCS的不一致以及偏差。

缺點(diǎn)：

（1）由于大量采用DCS硬件，對(duì)于規(guī)模較大的系統(tǒng)將直接導(dǎo)致模擬機(jī)成本增加。

（2）增加了DCS硬件維護(hù)工作量。

（3）受制于DCS設(shè)計(jì)組態(tài)進(jìn)度。

適用項(xiàng)目：

實(shí)物模擬主要適用于控制點(diǎn)數(shù)較少，采用DCS硬件較少的DCS系統(tǒng)，不適用于大規(guī)模的核電站模擬機(jī)DCS仿真設(shè)計(jì)。

但是，對(duì)于已有模擬機(jī)核電站的部分系統(tǒng)DCS改造，在涉及硬件較少的情況下可以考慮采用實(shí)物模擬的實(shí)現(xiàn)途徑。

4 小結(jié)

核電站模擬機(jī)DCS仿真需要最大限度地反映機(jī)組DCS真實(shí)設(shè)計(jì)，同時(shí)由于模擬機(jī)的可用必需按時(shí)滿足核電站操縱員培訓(xùn)，因此對(duì)于核電站DCS仿真的實(shí)現(xiàn)形式選擇時(shí)就需要在經(jīng)濟(jì)性、精確性、變更易維護(hù)以及對(duì)工程項(xiàng)目的時(shí)間進(jìn)度影響等方面進(jìn)行綜合考慮，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況選擇最有利的實(shí)現(xiàn)途徑。

[1] Jin Joo Lee, Paul A. Fishwick. Real-Time Simulation-Based Planning for Computer Generated Force Simulation[R], 1994：10-63.

[2] Richard H. Hill. Simulation, emulation, &translation[J]，SIMULATION Feb 1968，10: 81-84.