吳 毅 王曉星 胡曉亮 莊 進(jìn) 曹 暉

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

核電站核電儀控系統(tǒng)，即數(shù)字化儀控系統(tǒng)(digital control system，DCS)，除承擔(dān)電站機(jī)組的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等控制任務(wù)以外，還需承擔(dān)重要的電站核安全監(jiān)控與保護(hù)任務(wù)［1］。因此，核電站儀控系統(tǒng)具有功能繁多、系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴以及工程周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，這給新建電站的全范圍模擬機(jī)(full scope simulator，F(xiàn)SS)的DCS仿真以及FSS的工程實(shí)施帶來了困難。對(duì)于這些困難，必須在DCS及FSS工程實(shí)施開始前就給予認(rèn)真考慮并妥善解決，否則不但會(huì)造成FSS交付進(jìn)度的延誤，影響電站首次裝料的按期實(shí)施;而且也會(huì)給FSS的運(yùn)行維護(hù)埋下長(zhǎng)期隱患。

根據(jù)核電DCS系統(tǒng)的特點(diǎn)，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面對(duì)幾種DCS仿真方法進(jìn)行了分析評(píng)估，給出了合理仿真的選擇方法，以及實(shí)現(xiàn)FSS和DCS工程進(jìn)度雙贏的實(shí)施方案。

1 核電DCS功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

核電DCS的實(shí)現(xiàn)方法與火電DCS系統(tǒng)類似，也是基于滿足實(shí)時(shí)控制要求的工業(yè)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、圖形顯示技術(shù)，以及對(duì)過程控制與保護(hù)算法、I/O、流程畫面、報(bào)警及運(yùn)行規(guī)程等的自動(dòng)組態(tài)編程技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的［2］。

由于核電站的特殊性，核電DCS的設(shè)計(jì)與實(shí)施，尤其是安全級(jí)DCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，必須滿足單一故障、故障安全、冗余、獨(dú)立性、多樣性、可試驗(yàn)性及可靠性等7大安全準(zhǔn)則［3］。核安全方面的嚴(yán)格要求，決定了核電站DCS具有功能繁多、體系龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴及工程實(shí)施周期很長(zhǎng)等不同于其他領(lǐng)域DCS的特點(diǎn)。

整個(gè)儀控系統(tǒng)一般分為以下3個(gè)層次:0層為過程一次儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及被控設(shè)備接口層;1層為DCS控制與保護(hù)層(分安全級(jí)與非安全級(jí))，其基本由DCS控制器(distributed process unit，DPU)及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備組成;2層為控制室人機(jī)接口設(shè)備層(某些系統(tǒng)也分為安全、非安全級(jí))，其主要由控制室內(nèi)的DCS操作員站(以下簡(jiǎn)稱OPS)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)服務(wù)器及常規(guī)備用盤等組成。

對(duì)于這種以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的功能龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的儀控系統(tǒng)，僅采用以往基于設(shè)計(jì)院的控制邏輯與調(diào)節(jié)原理圖的原理性仿真方法，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)核電FSS的仿真逼真度要求的，尤其是其中的DCS部分。因此，核電FSS一般都采用直接或間接利用實(shí)際DCS工程實(shí)施所生成的DCS組態(tài)結(jié)果的高逼真度仿真方法。典型的核電儀控系統(tǒng)(包括DCS)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型核電儀控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical architecture of the instrument and control system for nuclear power

2 核電DCS的仿真方法

與火電DCS的仿真類似，核電DCS也主要有激勵(lì)式、軟激勵(lì)式和虛擬分散處理單元DPU這3種仿真方法。為緩解FSS優(yōu)先于參考機(jī)組運(yùn)行所需交付的進(jìn)度壓力，在具體工程實(shí)施時(shí)，核電FSS可能還會(huì)臨時(shí)采用上述直接基于設(shè)計(jì)院的控制邏輯與調(diào)節(jié)原理圖的功能原理性仿真方法。

2.1 激勵(lì)式仿真方法

在仿真技術(shù)中，激勵(lì)式仿真［4］指直接采用控制系統(tǒng)或控制室系統(tǒng)實(shí)際設(shè)備的軟硬件，與被DCS控制或監(jiān)視的仿真對(duì)象(即仿真數(shù)學(xué)模型)結(jié)合組成仿真系統(tǒng)。此時(shí)，被仿真的DCS設(shè)備與實(shí)際設(shè)備一樣，兩者的區(qū)別在于，仿真采集的信號(hào)來自過程實(shí)時(shí)仿真數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)。其發(fā)出的控制保護(hù)指令也被過程實(shí)時(shí)仿真數(shù)學(xué)模型所接收，并通過仿真計(jì)算反饋實(shí)時(shí)的響應(yīng)，由此形成閉環(huán)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)參考機(jī)組全工況的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真。

激勵(lì)式仿真的最大特點(diǎn)是逼真度高，但由于1層DCS控制系統(tǒng)的DPU數(shù)量眾多，與FSS的工藝過程實(shí)時(shí)仿真數(shù)學(xué)模型接口需要大量額外的接口卡，因此總體費(fèi)用非常高，且存在FSS的某些特有功能(如IC存載、回溯、回放等)難以實(shí)現(xiàn)等諸多問題。因此該方法幾乎不用于FSS對(duì)DCS控制器(DPU)的仿真，而主要用于對(duì)控制室中DCS操作員站及其支持系統(tǒng)的仿真。

2.2 軟激勵(lì)式仿真方法

在仿真技術(shù)中，軟激勵(lì)式仿真(virtual simulation)集中將圖1中的1層實(shí)際DCS系統(tǒng)中分散于各控制器(DPU)的組態(tài)代碼及算法塊可執(zhí)行代碼移植到一個(gè)通用計(jì)算機(jī)，并在這個(gè)通用計(jì)算機(jī)中為每個(gè)控制器組態(tài)及算法塊可執(zhí)行代碼分別創(chuàng)建一個(gè)虛擬的運(yùn)行環(huán)境，即若干個(gè)虛擬子機(jī)。這樣既從邏輯上保留了實(shí)際控制系統(tǒng)控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，又從組態(tài)代碼、算法代碼及軟硬件結(jié)構(gòu)方面最大程度地保證了逼真度。由于這些虛擬子機(jī)在主機(jī)內(nèi)是以線程或進(jìn)程形式存在的，通過在虛擬主機(jī)支持軟件上加一層外殼，以及開發(fā)虛擬主機(jī)與FSS主機(jī)(過程實(shí)時(shí)仿真模型計(jì)算機(jī))的實(shí)時(shí)通信接口，即可按FSS主機(jī)的要求實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)內(nèi)的各虛擬子機(jī)的統(tǒng)一實(shí)時(shí)調(diào)度與執(zhí)行(盡管各虛擬子機(jī)計(jì)算調(diào)度周期可能與實(shí)際控制器計(jì)算周期相同)。

軟激勵(lì)式仿真的最大特點(diǎn)是借助主“虛擬機(jī)”，這樣既保證了最高的逼真度，又省去了1層DCS控制器等大量硬件成本。若虛擬機(jī)外殼開發(fā)應(yīng)用得當(dāng)，可確保FSS特有功能，例如，IC創(chuàng)建與存儲(chǔ)裝載、凍結(jié)、回溯等功能的實(shí)現(xiàn)。該方法對(duì)過程實(shí)時(shí)仿真模型的精度要求很高，在DCS實(shí)際組態(tài)中，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組調(diào)試后，又可以利用它對(duì)過程模型進(jìn)行精調(diào)。

2.3 虛擬DPU仿真方法

虛擬 DPU 方法［5］，俗稱“翻譯”的方法，DPU 在此即為圖1中1層DCS控制器(DPU)。它主要將導(dǎo)入實(shí)際DCS控制器的DCS工程師站組態(tài)文件也直接導(dǎo)入過程仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境中，即通過專門開發(fā)的翻譯工具對(duì)實(shí)際DCS的組態(tài)文件及數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行翻譯，找出對(duì)所有控制算法塊的調(diào)用關(guān)系，并自動(dòng)與事先專門開發(fā)好的第三方(一般是FSS廠家)DCS仿真算法模塊庫(kù)連接。通過代碼編譯、鏈接，生成直接運(yùn)行于過程仿真實(shí)時(shí)環(huán)境中“仿真”的DPU可執(zhí)行代碼。

虛擬DPU的最大特點(diǎn)是，其仿真或虛擬的DPU程序的運(yùn)行完全受仿真主機(jī)的控制;在組態(tài)邏輯關(guān)系、控制策略及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，它能基本反映實(shí)際DCS控制器的組態(tài)邏輯、控制功能及系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但虛擬DPU的控制算法不一定與實(shí)際DCS一致，由此可能需要對(duì)實(shí)際DCS的控制參數(shù)作某些調(diào)整。

該方法首次使用成本較高，但隨著應(yīng)用的廣泛開展，它將是性價(jià)比較高的一種方法。當(dāng)某些復(fù)雜功能算法塊的仿真算法問題解決后，該方法同樣可用于對(duì)2層控制室系統(tǒng)的仿真。它現(xiàn)已在火電FSS的虛擬OPS中取得良好的效果，同時(shí)在采用傳統(tǒng)儀控系統(tǒng)的核電FSS的PPC仿真子系統(tǒng)中取得了滿意的效果。

2.4 功能原理性仿真方法

功能原理性仿真方法利用FSS廠家自有的控制系統(tǒng)仿真建模工具，根據(jù)設(shè)計(jì)院編制的邏輯控制和調(diào)節(jié)原理圖，生成參考機(jī)組儀控系統(tǒng)的邏輯控制及調(diào)節(jié)功能仿真程序，對(duì)機(jī)組的儀控系統(tǒng)進(jìn)行功能原理性仿真。同樣地，對(duì)于2層的控制室系統(tǒng)，在得到設(shè)計(jì)院的相應(yīng)設(shè)計(jì)輸入后，也可采用這種方法。該方法生成的仿真程序同樣運(yùn)行于過程實(shí)時(shí)仿真運(yùn)行環(huán)境，其行為完全受仿真主機(jī)控制。但由于缺乏實(shí)際的DCS組態(tài)等信息，其逼真度與前3種方法存在較大差距。

2.5 仿真方法比較與選擇

前述激勵(lì)式、軟激勵(lì)式及虛擬DPU仿真方法都能確保DCS的仿真逼真度，但這都是以直接或間接利用實(shí)際DCS軟硬件(激勵(lì)式)、軟件(軟激勵(lì)式)或組態(tài)結(jié)果(虛擬DPU)為條件的。從FSS特有功能的角度來看，這3種方法都存在各自的缺陷。各種DCS仿真方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。表1從仿真逼真度、FSS特有功能可實(shí)現(xiàn)程度、可集成性、升級(jí)維護(hù)、性價(jià)比等幾方面，對(duì)上述3種方法的5種組合方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行概括。不同的組合方案，其逼真度、FSS特有功能運(yùn)行特性、可集成性、升級(jí)維護(hù)及性價(jià)比不同。

表1 各種DCS仿真方法優(yōu)缺點(diǎn)比較表Tab.1 Comparison of the advantages/disadvantages of various DCS simulation methods

從表1中的綜合比較結(jié)果來看，在具體選擇仿真技術(shù)方案時(shí)，應(yīng)首選虛擬OPS+虛擬DPU，其次是激勵(lì)OPS+虛擬DPU，再次是激勵(lì)OPS+軟激勵(lì)DPU的仿真方法。

在采用激勵(lì)或軟激勵(lì)方法時(shí)，務(wù)必要注意強(qiáng)調(diào)FSS特有功能的實(shí)現(xiàn)，尤其是IC的存儲(chǔ)及可編輯功能的實(shí)現(xiàn)。其次是要注意虛擬主機(jī)與仿真主機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)度周期等的同步問題。而在成本控制方面，應(yīng)注意激勵(lì)OPS及軟激勵(lì)DPU方法，由于DCS廠家的價(jià)格壟斷，其性價(jià)比很低。

在采用虛擬DPU或虛擬OPS方法時(shí)，則應(yīng)強(qiáng)調(diào)某些特殊控制算法塊或性能算法塊的正確性和精確性。在方案擬定前，必須明確提出對(duì)其算法精度的要求;同時(shí)，也需明確提出對(duì)DCS總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確“虛擬”。

3 核電DCS工程實(shí)施特點(diǎn)

為確保核電FSS對(duì)DCS的仿真逼真度，避免DCS仿真部分的二次開發(fā)，在總體集成測(cè)試階段，F(xiàn)SS必須采用直接或間接利用實(shí)際DCS經(jīng)出廠驗(yàn)收測(cè)試后的工程組態(tài)結(jié)果的方法將DCS仿真部分集成，以盡量減少后續(xù)測(cè)試的工作量、提高集成測(cè)試的效率、確保FSS按期交付。但核電DCS(尤其是安全級(jí)及安全相關(guān)級(jí))的工程實(shí)施，從初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成與工廠測(cè)試，直到出廠驗(yàn)收等各個(gè)環(huán)節(jié)，都需經(jīng)過嚴(yán)格的驗(yàn)證與確認(rèn)［6］(verification and validation，V＆V)，核電DCS的工程實(shí)施流程示意圖如圖2所示。這是一個(gè)十分漫長(zhǎng)的過程，加上受DCS上游環(huán)節(jié)的工程進(jìn)度制約，其實(shí)際工程進(jìn)度很難滿足上述FSS集成對(duì)DCS組態(tài)結(jié)果提交進(jìn)度的要求［7］，這就給FSS的總體交付進(jìn)度帶來極大風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 工程實(shí)施流程示意圖Fig.2 Flowchart of the engineering implementation

4 核電FSS工程實(shí)施方案

核電FSS的具體工程實(shí)施方案分為被動(dòng)性方案和主動(dòng)性方案兩種［8－11］。

①被動(dòng)性方案，即FSS對(duì)機(jī)組DCS的仿真，先臨時(shí)采用上述功能原理仿真法。該方法是唯一不受實(shí)際DCS進(jìn)度制約的方法，但其逼真度低，在某些方面甚至不能達(dá)到核電運(yùn)行操作人員培訓(xùn)及取照對(duì)逼真度的要求。因此，在擬定具體工程實(shí)施方案時(shí)，只能將該方法作為緩解上游DCS工程進(jìn)度壓力的臨時(shí)措施，即為滿足機(jī)組裝料前1年交付的要求，先向用戶提交采用這種仿真方法實(shí)現(xiàn)的臨時(shí)版本用于用戶預(yù)培訓(xùn)，或?qū)⒃撆R時(shí)版本暫時(shí)與FSS工藝過程模型集成，以滿足模型測(cè)試的進(jìn)度要求;再根據(jù)上游DCS工程進(jìn)展情況，結(jié)合用戶培訓(xùn)計(jì)劃，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)υ摬糠诌M(jìn)行激勵(lì)式或虛擬DPU式最終版本的替換升級(jí)。

②主動(dòng)性方案，即把FSS的工程實(shí)施與實(shí)際DCS的工程實(shí)施進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，尤其是兩者集成階段之后的測(cè)試活動(dòng)的有機(jī)結(jié)合。某些核電工程案例已經(jīng)表明［7］，在FSS的集成測(cè)試階段，實(shí)際DCS僅能夠向FSS提供DCS雖已集成但未經(jīng)工廠測(cè)試的組態(tài)結(jié)果。這恰好為兩者的有機(jī)結(jié)合提供了有利條件和有效途徑。主動(dòng)性方案既可以避免FSS因消極等待實(shí)際DCS最終組態(tài)結(jié)果而延誤交付;又可突破目前實(shí)際DCS工程測(cè)試與驗(yàn)證只能基于靜態(tài)開環(huán)測(cè)試的局限，使得許多只有在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段才能發(fā)現(xiàn)的DCS控制邏輯組態(tài)或控制算法問題，在FSS及DCS的工廠測(cè)試、出廠驗(yàn)收測(cè)試過程中就被提前發(fā)現(xiàn)和解決。這將大大減輕后續(xù)實(shí)際DCS現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段的壓力。

5 結(jié)束語

為解決仿真逼真度問題，核電FSS對(duì)參考機(jī)組DCS的仿真，需采用直接或間接利用實(shí)際DCS工程實(shí)施結(jié)果的方法，這給FSS帶來了DCS的可集成性、仿真運(yùn)行性能、成本造價(jià)及交付進(jìn)度等新問題。本文所給出的分析結(jié)論及解決思路，既可為新建核電站FSS的DCS仿真及實(shí)施方案選擇提供有益的參考，也可為提高核電DCS的測(cè)試效率提供新的方法與思路。而如何在核電FSS與DCS工程實(shí)施之間建立更加有效的雙向反饋及雙贏機(jī)制［12－13］，是需要進(jìn)一步研究的課題。

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