俞士平+常文杰+王劍+譚虎成

摘要：隨著DCS（分散控制系統(tǒng)）在核電行業(yè)的普及和模擬機(jī)在電廠重要性的提升，如何選擇DCS模擬機(jī)的仿真方案已成為仿真開發(fā)商和模擬機(jī)維護(hù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。文章結(jié)合國內(nèi)核電模擬機(jī)的工程實(shí)踐，對其仿真DCS系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)形式和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，提出了選擇合適的仿真方案能夠建立實(shí)用、可靠和先進(jìn)的仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)仿真DCS的控制邏輯功能。

關(guān)鍵詞：DCS；模擬機(jī)；編譯轉(zhuǎn)換；核電廠；仿真技術(shù)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）27-0028-03

目前，我國核電站的發(fā)展堆型是以百萬級大機(jī)組為主，無論是以M310為基礎(chǔ)改進(jìn)形成的二代半壓水堆CPR1000及CP1000，還是直接引進(jìn)了三代堆技術(shù)AP1000和EPR，這四種堆型在國內(nèi)都有項(xiàng)目在實(shí)施，而且會成為我國一定時(shí)間內(nèi)的主流堆型。這些大機(jī)組的特點(diǎn)是都實(shí)施了數(shù)字化儀控系統(tǒng)，提高了機(jī)組生產(chǎn)的安全性和可靠性。作為核電站的重要培訓(xùn)設(shè)施，數(shù)字化模擬機(jī)在操縱員的培訓(xùn)和取證考試以及真實(shí)DCS系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化方面發(fā)揮著十分重要的作用。這樣一來，如何從性能、成本等多方面因素綜合考慮仿真方案開發(fā)數(shù)字化模擬機(jī)成為電站模擬機(jī)維護(hù)人員關(guān)注的重點(diǎn)。

1 DCS仿真的實(shí)現(xiàn)方式

與常規(guī)硬盤臺模擬機(jī)不同，數(shù)字化儀控模擬機(jī)（DCSFSS）設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)不僅要考慮電廠工藝系統(tǒng)的模擬，還要考慮DCS在全范圍模擬機(jī)中的實(shí)現(xiàn)方案，目前核電站模擬機(jī)DCS仿真主要有三種形式：純模擬（Simulation）、虛擬實(shí)物模擬（Emulation）、實(shí)物模擬（Stimulation）。

1.1 純模擬（Simulation）

純模擬，使用模擬機(jī)開發(fā)環(huán)境下的建模技術(shù)來復(fù)現(xiàn)參考機(jī)組的系統(tǒng)或子系統(tǒng)。被仿真的系統(tǒng)的性能和逼真度滿足基于參考機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行數(shù)據(jù)而規(guī)定的功能和運(yùn)行限定。純模擬仿真機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種：一種是由DCS仿真開發(fā)商使用仿真平臺下的建模軟件，根據(jù)真實(shí)機(jī)組DCS組態(tài)資料（I/O清冊、控制邏輯以及HMI人機(jī)接口圖形界面等）重新開發(fā)組態(tài)數(shù)據(jù)供模擬機(jī)使用，這一過程包括仿真DCS部件庫的建立、控制邏輯程序的編制、圖形界面的繪制及動態(tài)定義等幾個步驟。另一種是DCS仿真開發(fā)商利用成熟的工程翻譯軟件將真實(shí)機(jī)組DCS的組態(tài)數(shù)據(jù)翻譯成可供模擬機(jī)使用的數(shù)據(jù)后，再與工藝系統(tǒng)的仿真模型進(jìn)行集成。而前一種方式生成的仿真DCS軟件其可逼真度相對較低，且前期開發(fā)時(shí)間較長，一般不建議考慮用該方式進(jìn)行純模擬DCS仿真機(jī)的開發(fā)。

1.2 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)硬件和軟件來復(fù)現(xiàn)參考機(jī)組的相應(yīng)系統(tǒng)或子系統(tǒng)。通常是簡略現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用真實(shí)DCS的硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的適當(dāng)或最小配置，再現(xiàn)DCS。由于真實(shí)機(jī)組的DCS一般都是由多個廠家供貨，各層級結(jié)構(gòu)之間較為復(fù)雜，采取此種方式一般要解決大量的數(shù)據(jù)通信及同步問題。所以雖然實(shí)物模擬具有很高的軟硬件逼真度，但是軟硬件實(shí)現(xiàn)成本很高，與電廠工藝系統(tǒng)模型層之間的接口復(fù)雜。

1.3 虛擬實(shí)物模擬（Emulation）

虛擬實(shí)物模擬，特指通過將電站的系統(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，其硬件平臺可以是模擬主機(jī)，也可以是獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，來復(fù)現(xiàn)參考機(jī)組的系統(tǒng)或子系統(tǒng)。一般是通過計(jì)算機(jī)來虛擬仿真控制處理機(jī)（CP）、現(xiàn)場總線組件以及通信接口組件等硬件設(shè)備，而將真實(shí)機(jī)組的DCS組態(tài)數(shù)據(jù)和程序移植到仿真平臺下，虛擬CP直接使用實(shí)際DCS組態(tài)文件，不需要再進(jìn)行編譯轉(zhuǎn)換操作。虛擬實(shí)物模擬的系統(tǒng)或子系統(tǒng)的性能和物理逼真度與參考機(jī)組的系統(tǒng)或子系統(tǒng)是完全相同的。

1.4 模擬機(jī)DCS仿真方式的組合

由于核電廠基于技術(shù)、設(shè)備及安全的多樣性原則，其DCS存在安全級和非安全級之分，所以，實(shí)際情況下現(xiàn)場設(shè)備可能不是同一個供貨商提供，而模擬機(jī)仿真DCS往往也是靠上述某種模擬方案或幾種模擬方案組合來實(shí)現(xiàn)的。因此針對不同的數(shù)字化核電廠，其全范圍模擬機(jī)中對這部分的處理會存在很大差別，但總體上都需要滿足模擬機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

根據(jù)電站真實(shí)DCS的功能要求和層級劃分，DCS模擬機(jī)一般劃分為三個處理層級：工藝系統(tǒng)仿真模型層（Level 0）、過程控制層（Level 1）、人機(jī)界面層（Level 2），所有模擬機(jī)的工藝模型層的仿真無疑都是采取Simulation方式，而在已實(shí)施的DCS模擬機(jī)項(xiàng)目中，仿真方案的差異也主要是體現(xiàn)在Level 1和Level 2的仿真方式的處理上。如：方家山模擬機(jī)和福清1#模擬機(jī)Level 1采用Emulation的方式，非安全級HMI采用Stimulation的方式，安全級HMI采用Simulation的方式；而嶺澳二期和紅沿河模擬機(jī)非安全級DCSLevel 1采用Simulation、非安全級DCSLevel 2和安全級DCS采用Emulation的方式。

2 DCS仿真的關(guān)鍵技術(shù)

由于DCS模擬機(jī)要對DCS進(jìn)行底層的仿真程序開發(fā)，因此在開發(fā)前必須對實(shí)際的DCS的軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組態(tài)方法、算法模塊、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)庫管理、文件管理和通信協(xié)議等有深入的了解。在此基礎(chǔ)上，以機(jī)組實(shí)際DCS的組態(tài)文件作為模擬機(jī)的設(shè)計(jì)輸入，利用仿真建模軟件或翻譯軟件重建可在模擬機(jī)仿真平臺下運(yùn)行的控制算法和邏輯組態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)其控制策略?？偟膩碚f，無論模擬機(jī)DCS采用某種單一方式或多種方式復(fù)合的仿真方案，實(shí)現(xiàn)仿真DCS的技術(shù)關(guān)鍵，主要在于組態(tài)文件的編譯轉(zhuǎn)化、虛擬運(yùn)行技術(shù)平臺的建立和層級接口通信的處理。

2.1 編譯轉(zhuǎn)換技術(shù)

在純模擬方案和多種仿真方式復(fù)合的方案中，為了保證仿真機(jī)的逼真度同時(shí)也是為了節(jié)省仿真機(jī)的開發(fā)時(shí)間，仿真邏輯控制組態(tài)文件一般是通過工程軟件翻譯轉(zhuǎn)換的方式獲得，仿真DCS編譯轉(zhuǎn)換工作主要體現(xiàn)在三個方面：實(shí)際DCS的控制算法模塊實(shí)現(xiàn)、實(shí)際DCS邏輯組態(tài)數(shù)據(jù)的識別和翻譯、實(shí)際DCS操作員站HMI的解析和翻譯。

編譯轉(zhuǎn)化方式的基本思路是利用專門的翻譯軟件將實(shí)際機(jī)組DCS的組態(tài)文件轉(zhuǎn)化為可以運(yùn)行在仿真平臺上的文件格式，之后仿真DCS運(yùn)行平臺按自己的模塊驅(qū)動方式進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算處理。

組態(tài)文件的轉(zhuǎn)換工作主要包括文件格式的解析和虛擬功能模塊的編制兩大部分。

文件格式的解析是指仿真工程師通過組態(tài)環(huán)境從真實(shí)機(jī)組DCS中CP中導(dǎo)出控制邏輯程序，生成獨(dú)立的文本格式文件。翻譯軟件以所獲得的文本文件為數(shù)據(jù)源，讀取各功能塊的類型、名稱、內(nèi)部邏輯關(guān)系、調(diào)用順序、系數(shù)初始默認(rèn)值等信息，并將讀取的信息按照一定的開發(fā)規(guī)約分類整理后經(jīng)過組態(tài)開發(fā)環(huán)境生成仿真開發(fā)需要的文件，從而形成與DCS組態(tài)數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系完全一致的數(shù)據(jù)。虛擬功能模塊實(shí)際上就是一個封裝好的算法程序，出于對知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，一般DCS的虛擬功能模塊都是“黑盒”，所以，這需要仿真工程師根據(jù)對模塊內(nèi)部的邏輯運(yùn)行機(jī)制的理解，采用手工方法構(gòu)建相應(yīng)的模塊來實(shí)現(xiàn)算法。虛擬功能模塊有基本模塊和宏模塊兩種，所謂“宏模塊”就是多個基本模塊復(fù)合在一起而構(gòu)成功能更加復(fù)雜的自定義算法模塊，在編制宏模塊過程中，一旦宏內(nèi)部的邏輯發(fā)生改變，需要參考具體的DCS設(shè)計(jì)資料進(jìn)行調(diào)節(jié)。之后，虛擬DCS運(yùn)行平臺中按自己的模塊驅(qū)動方式對轉(zhuǎn)換后的組態(tài)文件進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算處理。

2.2 虛擬平臺技術(shù)

在虛擬實(shí)物模擬方案中，是通過計(jì)算機(jī)來虛擬仿真控制處理機(jī)CP、現(xiàn)場總線組件以及通信接口組件，這樣不僅能夠完全模擬DCS的過程控制邏輯，而且能夠大大減少用于調(diào)試和啟動控制系統(tǒng)的時(shí)間。但是由于現(xiàn)場CP數(shù)量較多，為了減少硬件設(shè)備數(shù)量同時(shí)不改變現(xiàn)場硬件組織架構(gòu)，所以一般是采用虛擬機(jī)的方式來將虛擬CP集中在一臺服務(wù)器上，每臺虛擬機(jī)由一套獨(dú)立的虛擬硬件設(shè)備組成，客戶操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序可以運(yùn)行在虛擬機(jī)上。服務(wù)器中央處理芯片從系統(tǒng)中劃分出若干存儲區(qū)域供多臺虛擬CP并行運(yùn)行，確保每臺虛擬CP操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行在“保護(hù)模式”下，這樣即便某虛擬機(jī)中出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰等現(xiàn)象，也不會影響運(yùn)行在虛擬機(jī)外的其他虛擬機(jī)的正常工作。

2.3 接口與數(shù)據(jù)通信

在整個DCSFSS（數(shù)字化模擬機(jī)）系統(tǒng)中，F(xiàn)SS（Full Scope Simulator，全范圍模擬機(jī)）系統(tǒng)是主模式，DCS系統(tǒng)是從模式。所以在實(shí)際的DCSFSS數(shù)據(jù)傳輸過程中，需要解決仿真DCS內(nèi)部層級之間的數(shù)據(jù)和指令交換以及仿真DCS與FSS之間的數(shù)據(jù)交換和同步問題。

解決DCSFSS內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸問題，首先要分析各層級之間需要傳輸?shù)哪切?shù)據(jù)和交互指令。Level 0與Level 1之間需要解決仿真模型數(shù)據(jù)以及控制數(shù)據(jù)的傳輸，此外，在每次數(shù)據(jù)傳輸循環(huán)的過程中都需要對故障、回放、復(fù)位等教控臺的控制命令進(jìn)行處理。仿真DCS與工藝系統(tǒng)模型之間傳遞的數(shù)據(jù)主要包括：教控命令、仿真時(shí)間、數(shù)據(jù)值、數(shù)據(jù)有效狀態(tài)等。Level 1與Level 2之間的接口通信軟件主要是完成模擬電廠數(shù)據(jù)的交換；以及接收Level 1傳遞的教練員站命令和時(shí)間同步信息，并送出反饋信息。具體數(shù)據(jù)傳輸機(jī)理說明

如下：

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器接受從Level 1傳遞的過程數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理程序，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理程序根據(jù)操縱員站的數(shù)據(jù)請求，向操縱員站發(fā)送數(shù)據(jù)包，同時(shí)將數(shù)據(jù)與其對應(yīng)時(shí)間傳遞給在線歷史管理程序。

操縱員站在人機(jī)界面軟件上的操作命令傳遞給數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器對多個操縱員站的操作命令進(jìn)行統(tǒng)一管理，發(fā)送給數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器根據(jù)命令的類型進(jìn)行判斷：與Level 2相關(guān)的操作命令直接在數(shù)據(jù)處理服務(wù)器中進(jìn)行處理；與Level 1相關(guān)的操作命令通過通訊接口傳遞給仿真主機(jī)，經(jīng)由過程控制模型進(jìn)行處理。教控命令由教練員在教練員站上的操作觸發(fā)，對仿真主機(jī)中的模型計(jì)算產(chǎn)生影響，并通過數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的通訊端口進(jìn)入仿真DCS，Level 2的HMI工作站接受到相關(guān)信息并實(shí)時(shí)響應(yīng)。

在解決仿真DCS與FSS之間的數(shù)據(jù)交換和同步問題方面，模擬機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，電廠模型計(jì)算機(jī)時(shí)間計(jì)數(shù)器按一個固定的時(shí)間間隔（如：50ms）發(fā)出一次模擬機(jī)時(shí)間同步信號，喚醒仿真數(shù)據(jù)庫的主同步進(jìn)程。主同步進(jìn)程根據(jù)仿真計(jì)算的調(diào)度要求，按不同的時(shí)間間隔（50ms的整數(shù)倍率）分別喚醒各個實(shí)時(shí)執(zhí)行進(jìn)程進(jìn)行仿真運(yùn)算，每個實(shí)時(shí)執(zhí)行進(jìn)程包括一個或多個電廠仿真系統(tǒng)。包括主同步進(jìn)程、實(shí)時(shí)執(zhí)行進(jìn)程、對外通信進(jìn)程和本機(jī)磁盤I/O操作進(jìn)程在內(nèi)的進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換其主要通過共享存儲區(qū)方式實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語

建立全數(shù)字化模擬機(jī)系統(tǒng)，就是要以參考機(jī)組DCS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，選擇合適的仿真方案建立實(shí)用、可靠和先進(jìn)的仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)仿真DCS的控制邏輯功能。從而真正有效、經(jīng)濟(jì)、廣泛地實(shí)現(xiàn)操作員培訓(xùn)、設(shè)計(jì)調(diào)試、控制參數(shù)整定、控制策略優(yōu)化和系統(tǒng)反事故演練等一系列功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓璞，王文治，翟永杰，張婧.基于虛擬DCS的混合仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，33（4）.

[2] 史凱，蔣明瑜，馬云青.核電站儀控系統(tǒng)數(shù)字化開發(fā)仿真測試技術(shù)研究[J].核技術(shù)，2005，28（2）.

[3] 冷杉.論虛擬分散控制系統(tǒng)技術(shù)[J].中國電力，2003，36（2）.

[4] 翟永杰，張鵬，張悅.火電廠仿真機(jī)中的DCS仿真方式與關(guān)鍵技術(shù)[J].電力技術(shù)，2010，（9）.

[5] 屈曉，鄒剛.虛擬DCS開發(fā)及應(yīng)用研究[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，30（5）.

[6] 魏來，陳森.核電站DCS仿真的三種實(shí)現(xiàn)形式探討

[J].中核核電，2004，（6）.

[7] 王立志，封官斌，等.虛擬DCS技術(shù)及實(shí)現(xiàn)[J].山東電力技術(shù)，2004，（5）.

作者簡介：俞士平（1984-），男，安徽桐城人，中核核電運(yùn)行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機(jī)應(yīng)用與維護(hù)；常文杰（1983-），男，天津塘沽人，中核核電運(yùn)行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機(jī)應(yīng)用與維護(hù)；王劍（1984-），

男，浙江麗水人，中核核電運(yùn)行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機(jī)應(yīng)用與維護(hù)；譚虎成（1974-），男，湖北天門人，中核核電運(yùn)行管理有限公司高級工程師，碩士，研究方向：仿真機(jī)開發(fā)與維護(hù)。

編譯轉(zhuǎn)化方式的基本思路是利用專門的翻譯軟件將實(shí)際機(jī)組DCS的組態(tài)文件轉(zhuǎn)化為可以運(yùn)行在仿真平臺上的文件格式，之后仿真DCS運(yùn)行平臺按自己的模塊驅(qū)動方式進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算處理。

組態(tài)文件的轉(zhuǎn)換工作主要包括文件格式的解析和虛擬功能模塊的編制兩大部分。

文件格式的解析是指仿真工程師通過組態(tài)環(huán)境從真實(shí)機(jī)組DCS中CP中導(dǎo)出控制邏輯程序，生成獨(dú)立的文本格式文件。翻譯軟件以所獲得的文本文件為數(shù)據(jù)源，讀取各功能塊的類型、名稱、內(nèi)部邏輯關(guān)系、調(diào)用順序、系數(shù)初始默認(rèn)值等信息，并將讀取的信息按照一定的開發(fā)規(guī)約分類整理后經(jīng)過組態(tài)開發(fā)環(huán)境生成仿真開發(fā)需要的文件，從而形成與DCS組態(tài)數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系完全一致的數(shù)據(jù)。虛擬功能模塊實(shí)際上就是一個封裝好的算法程序，出于對知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，一般DCS的虛擬功能模塊都是“黑盒”，所以，這需要仿真工程師根據(jù)對模塊內(nèi)部的邏輯運(yùn)行機(jī)制的理解，采用手工方法構(gòu)建相應(yīng)的模塊來實(shí)現(xiàn)算法。虛擬功能模塊有基本模塊和宏模塊兩種，所謂“宏模塊”就是多個基本模塊復(fù)合在一起而構(gòu)成功能更加復(fù)雜的自定義算法模塊，在編制宏模塊過程中，一旦宏內(nèi)部的邏輯發(fā)生改變，需要參考具體的DCS設(shè)計(jì)資料進(jìn)行調(diào)節(jié)。之后，虛擬DCS運(yùn)行平臺中按自己的模塊驅(qū)動方式對轉(zhuǎn)換后的組態(tài)文件進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算處理。

2.2 虛擬平臺技術(shù)

在虛擬實(shí)物模擬方案中，是通過計(jì)算機(jī)來虛擬仿真控制處理機(jī)CP、現(xiàn)場總線組件以及通信接口組件，這樣不僅能夠完全模擬DCS的過程控制邏輯，而且能夠大大減少用于調(diào)試和啟動控制系統(tǒng)的時(shí)間。但是由于現(xiàn)場CP數(shù)量較多，為了減少硬件設(shè)備數(shù)量同時(shí)不改變現(xiàn)場硬件組織架構(gòu)，所以一般是采用虛擬機(jī)的方式來將虛擬CP集中在一臺服務(wù)器上，每臺虛擬機(jī)由一套獨(dú)立的虛擬硬件設(shè)備組成，客戶操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序可以運(yùn)行在虛擬機(jī)上。服務(wù)器中央處理芯片從系統(tǒng)中劃分出若干存儲區(qū)域供多臺虛擬CP并行運(yùn)行，確保每臺虛擬CP操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行在“保護(hù)模式”下，這樣即便某虛擬機(jī)中出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰等現(xiàn)象，也不會影響運(yùn)行在虛擬機(jī)外的其他虛擬機(jī)的正常工作。

2.3 接口與數(shù)據(jù)通信

在整個DCSFSS（數(shù)字化模擬機(jī)）系統(tǒng)中，F(xiàn)SS（Full Scope Simulator，全范圍模擬機(jī)）系統(tǒng)是主模式，DCS系統(tǒng)是從模式。所以在實(shí)際的DCSFSS數(shù)據(jù)傳輸過程中，需要解決仿真DCS內(nèi)部層級之間的數(shù)據(jù)和指令交換以及仿真DCS與FSS之間的數(shù)據(jù)交換和同步問題。

解決DCSFSS內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸問題，首先要分析各層級之間需要傳輸?shù)哪切?shù)據(jù)和交互指令。Level 0與Level 1之間需要解決仿真模型數(shù)據(jù)以及控制數(shù)據(jù)的傳輸，此外，在每次數(shù)據(jù)傳輸循環(huán)的過程中都需要對故障、回放、復(fù)位等教控臺的控制命令進(jìn)行處理。仿真DCS與工藝系統(tǒng)模型之間傳遞的數(shù)據(jù)主要包括：教控命令、仿真時(shí)間、數(shù)據(jù)值、數(shù)據(jù)有效狀態(tài)等。Level 1與Level 2之間的接口通信軟件主要是完成模擬電廠數(shù)據(jù)的交換；以及接收Level 1傳遞的教練員站命令和時(shí)間同步信息，并送出反饋信息。具體數(shù)據(jù)傳輸機(jī)理說明

如下：

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器接受從Level 1傳遞的過程數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理程序，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理程序根據(jù)操縱員站的數(shù)據(jù)請求，向操縱員站發(fā)送數(shù)據(jù)包，同時(shí)將數(shù)據(jù)與其對應(yīng)時(shí)間傳遞給在線歷史管理程序。

操縱員站在人機(jī)界面軟件上的操作命令傳遞給數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器對多個操縱員站的操作命令進(jìn)行統(tǒng)一管理，發(fā)送給數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器根據(jù)命令的類型進(jìn)行判斷：與Level 2相關(guān)的操作命令直接在數(shù)據(jù)處理服務(wù)器中進(jìn)行處理；與Level 1相關(guān)的操作命令通過通訊接口傳遞給仿真主機(jī)，經(jīng)由過程控制模型進(jìn)行處理。教控命令由教練員在教練員站上的操作觸發(fā)，對仿真主機(jī)中的模型計(jì)算產(chǎn)生影響，并通過數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的通訊端口進(jìn)入仿真DCS，Level 2的HMI工作站接受到相關(guān)信息并實(shí)時(shí)響應(yīng)。

在解決仿真DCS與FSS之間的數(shù)據(jù)交換和同步問題方面，模擬機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，電廠模型計(jì)算機(jī)時(shí)間計(jì)數(shù)器按一個固定的時(shí)間間隔（如：50ms）發(fā)出一次模擬機(jī)時(shí)間同步信號，喚醒仿真數(shù)據(jù)庫的主同步進(jìn)程。主同步進(jìn)程根據(jù)仿真計(jì)算的調(diào)度要求，按不同的時(shí)間間隔（50ms的整數(shù)倍率）分別喚醒各個實(shí)時(shí)執(zhí)行進(jìn)程進(jìn)行仿真運(yùn)算，每個實(shí)時(shí)執(zhí)行進(jìn)程包括一個或多個電廠仿真系統(tǒng)。包括主同步進(jìn)程、實(shí)時(shí)執(zhí)行進(jìn)程、對外通信進(jìn)程和本機(jī)磁盤I/O操作進(jìn)程在內(nèi)的進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換其主要通過共享存儲區(qū)方式實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語

建立全數(shù)字化模擬機(jī)系統(tǒng)，就是要以參考機(jī)組DCS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，選擇合適的仿真方案建立實(shí)用、可靠和先進(jìn)的仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)仿真DCS的控制邏輯功能。從而真正有效、經(jīng)濟(jì)、廣泛地實(shí)現(xiàn)操作員培訓(xùn)、設(shè)計(jì)調(diào)試、控制參數(shù)整定、控制策略優(yōu)化和系統(tǒng)反事故演練等一系列功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓璞，王文治，翟永杰，張婧.基于虛擬DCS的混合仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，33（4）.

[2] 史凱，蔣明瑜，馬云青.核電站儀控系統(tǒng)數(shù)字化開發(fā)仿真測試技術(shù)研究[J].核技術(shù)，2005，28（2）.

[3] 冷杉.論虛擬分散控制系統(tǒng)技術(shù)[J].中國電力，2003，36（2）.

[4] 翟永杰，張鵬，張悅.火電廠仿真機(jī)中的DCS仿真方式與關(guān)鍵技術(shù)[J].電力技術(shù)，2010，（9）.

[5] 屈曉，鄒剛.虛擬DCS開發(fā)及應(yīng)用研究[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，30（5）.

[6] 魏來，陳森.核電站DCS仿真的三種實(shí)現(xiàn)形式探討

[J].中核核電，2004，（6）.

[7] 王立志，封官斌，等.虛擬DCS技術(shù)及實(shí)現(xiàn)[J].山東電力技術(shù)，2004，（5）.

作者簡介：俞士平（1984-），男，安徽桐城人，中核核電運(yùn)行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機(jī)應(yīng)用與維護(hù)；常文杰（1983-），男，天津塘沽人，中核核電運(yùn)行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機(jī)應(yīng)用與維護(hù)；王劍（1984-），

男，浙江麗水人，中核核電運(yùn)行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機(jī)應(yīng)用與維護(hù)；譚虎成（1974-），男，湖北天門人，中核核電運(yùn)行管理有限公司高級工程師，碩士，研究方向：仿真機(jī)開發(fā)與維護(hù)。

編譯轉(zhuǎn)化方式的基本思路是利用專門的翻譯軟件將實(shí)際機(jī)組DCS的組態(tài)文件轉(zhuǎn)化為可以運(yùn)行在仿真平臺上的文件格式，之后仿真DCS運(yùn)行平臺按自己的模塊驅(qū)動方式進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算處理。

組態(tài)文件的轉(zhuǎn)換工作主要包括文件格式的解析和虛擬功能模塊的編制兩大部分。

文件格式的解析是指仿真工程師通過組態(tài)環(huán)境從真實(shí)機(jī)組DCS中CP中導(dǎo)出控制邏輯程序，生成獨(dú)立的文本格式文件。翻譯軟件以所獲得的文本文件為數(shù)據(jù)源，讀取各功能塊的類型、名稱、內(nèi)部邏輯關(guān)系、調(diào)用順序、系數(shù)初始默認(rèn)值等信息，并將讀取的信息按照一定的開發(fā)規(guī)約分類整理后經(jīng)過組態(tài)開發(fā)環(huán)境生成仿真開發(fā)需要的文件，從而形成與DCS組態(tài)數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系完全一致的數(shù)據(jù)。虛擬功能模塊實(shí)際上就是一個封裝好的算法程序，出于對知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，一般DCS的虛擬功能模塊都是“黑盒”，所以，這需要仿真工程師根據(jù)對模塊內(nèi)部的邏輯運(yùn)行機(jī)制的理解，采用手工方法構(gòu)建相應(yīng)的模塊來實(shí)現(xiàn)算法。虛擬功能模塊有基本模塊和宏模塊兩種，所謂“宏模塊”就是多個基本模塊復(fù)合在一起而構(gòu)成功能更加復(fù)雜的自定義算法模塊，在編制宏模塊過程中，一旦宏內(nèi)部的邏輯發(fā)生改變，需要參考具體的DCS設(shè)計(jì)資料進(jìn)行調(diào)節(jié)。之后，虛擬DCS運(yùn)行平臺中按自己的模塊驅(qū)動方式對轉(zhuǎn)換后的組態(tài)文件進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算處理。

2.2 虛擬平臺技術(shù)

在虛擬實(shí)物模擬方案中，是通過計(jì)算機(jī)來虛擬仿真控制處理機(jī)CP、現(xiàn)場總線組件以及通信接口組件，這樣不僅能夠完全模擬DCS的過程控制邏輯，而且能夠大大減少用于調(diào)試和啟動控制系統(tǒng)的時(shí)間。但是由于現(xiàn)場CP數(shù)量較多，為了減少硬件設(shè)備數(shù)量同時(shí)不改變現(xiàn)場硬件組織架構(gòu)，所以一般是采用虛擬機(jī)的方式來將虛擬CP集中在一臺服務(wù)器上，每臺虛擬機(jī)由一套獨(dú)立的虛擬硬件設(shè)備組成，客戶操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序可以運(yùn)行在虛擬機(jī)上。服務(wù)器中央處理芯片從系統(tǒng)中劃分出若干存儲區(qū)域供多臺虛擬CP并行運(yùn)行，確保每臺虛擬CP操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行在“保護(hù)模式”下，這樣即便某虛擬機(jī)中出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰等現(xiàn)象，也不會影響運(yùn)行在虛擬機(jī)外的其他虛擬機(jī)的正常工作。

2.3 接口與數(shù)據(jù)通信

在整個DCSFSS（數(shù)字化模擬機(jī)）系統(tǒng)中，F(xiàn)SS（Full Scope Simulator，全范圍模擬機(jī)）系統(tǒng)是主模式，DCS系統(tǒng)是從模式。所以在實(shí)際的DCSFSS數(shù)據(jù)傳輸過程中，需要解決仿真DCS內(nèi)部層級之間的數(shù)據(jù)和指令交換以及仿真DCS與FSS之間的數(shù)據(jù)交換和同步問題。

解決DCSFSS內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸問題，首先要分析各層級之間需要傳輸?shù)哪切?shù)據(jù)和交互指令。Level 0與Level 1之間需要解決仿真模型數(shù)據(jù)以及控制數(shù)據(jù)的傳輸，此外，在每次數(shù)據(jù)傳輸循環(huán)的過程中都需要對故障、回放、復(fù)位等教控臺的控制命令進(jìn)行處理。仿真DCS與工藝系統(tǒng)模型之間傳遞的數(shù)據(jù)主要包括：教控命令、仿真時(shí)間、數(shù)據(jù)值、數(shù)據(jù)有效狀態(tài)等。Level 1與Level 2之間的接口通信軟件主要是完成模擬電廠數(shù)據(jù)的交換；以及接收Level 1傳遞的教練員站命令和時(shí)間同步信息，并送出反饋信息。具體數(shù)據(jù)傳輸機(jī)理說明

如下：

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器接受從Level 1傳遞的過程數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理程序，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理程序根據(jù)操縱員站的數(shù)據(jù)請求，向操縱員站發(fā)送數(shù)據(jù)包，同時(shí)將數(shù)據(jù)與其對應(yīng)時(shí)間傳遞給在線歷史管理程序。

操縱員站在人機(jī)界面軟件上的操作命令傳遞給數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器對多個操縱員站的操作命令進(jìn)行統(tǒng)一管理，發(fā)送給數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器根據(jù)命令的類型進(jìn)行判斷：與Level 2相關(guān)的操作命令直接在數(shù)據(jù)處理服務(wù)器中進(jìn)行處理；與Level 1相關(guān)的操作命令通過通訊接口傳遞給仿真主機(jī)，經(jīng)由過程控制模型進(jìn)行處理。教控命令由教練員在教練員站上的操作觸發(fā)，對仿真主機(jī)中的模型計(jì)算產(chǎn)生影響，并通過數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的通訊端口進(jìn)入仿真DCS，Level 2的HMI工作站接受到相關(guān)信息并實(shí)時(shí)響應(yīng)。

在解決仿真DCS與FSS之間的數(shù)據(jù)交換和同步問題方面，模擬機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，電廠模型計(jì)算機(jī)時(shí)間計(jì)數(shù)器按一個固定的時(shí)間間隔（如：50ms）發(fā)出一次模擬機(jī)時(shí)間同步信號，喚醒仿真數(shù)據(jù)庫的主同步進(jìn)程。主同步進(jìn)程根據(jù)仿真計(jì)算的調(diào)度要求，按不同的時(shí)間間隔（50ms的整數(shù)倍率）分別喚醒各個實(shí)時(shí)執(zhí)行進(jìn)程進(jìn)行仿真運(yùn)算，每個實(shí)時(shí)執(zhí)行進(jìn)程包括一個或多個電廠仿真系統(tǒng)。包括主同步進(jìn)程、實(shí)時(shí)執(zhí)行進(jìn)程、對外通信進(jìn)程和本機(jī)磁盤I/O操作進(jìn)程在內(nèi)的進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換其主要通過共享存儲區(qū)方式實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語

建立全數(shù)字化模擬機(jī)系統(tǒng)，就是要以參考機(jī)組DCS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，選擇合適的仿真方案建立實(shí)用、可靠和先進(jìn)的仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)仿真DCS的控制邏輯功能。從而真正有效、經(jīng)濟(jì)、廣泛地實(shí)現(xiàn)操作員培訓(xùn)、設(shè)計(jì)調(diào)試、控制參數(shù)整定、控制策略優(yōu)化和系統(tǒng)反事故演練等一系列功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓璞，王文治，翟永杰，張婧.基于虛擬DCS的混合仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，33（4）.

[2] 史凱，蔣明瑜，馬云青.核電站儀控系統(tǒng)數(shù)字化開發(fā)仿真測試技術(shù)研究[J].核技術(shù)，2005，28（2）.

[3] 冷杉.論虛擬分散控制系統(tǒng)技術(shù)[J].中國電力，2003，36（2）.

[4] 翟永杰，張鵬，張悅.火電廠仿真機(jī)中的DCS仿真方式與關(guān)鍵技術(shù)[J].電力技術(shù)，2010，（9）.

[5] 屈曉，鄒剛.虛擬DCS開發(fā)及應(yīng)用研究[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，30（5）.

[6] 魏來，陳森.核電站DCS仿真的三種實(shí)現(xiàn)形式探討

[J].中核核電，2004，（6）.

[7] 王立志，封官斌，等.虛擬DCS技術(shù)及實(shí)現(xiàn)[J].山東電力技術(shù)，2004，（5）.

作者簡介：俞士平（1984-），男，安徽桐城人，中核核電運(yùn)行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機(jī)應(yīng)用與維護(hù)；常文杰（1983-），男，天津塘沽人，中核核電運(yùn)行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機(jī)應(yīng)用與維護(hù)；王劍（1984-），

男，浙江麗水人，中核核電運(yùn)行管理有限公司工程師，研究方向：仿真機(jī)應(yīng)用與維護(hù)；譚虎成（1974-），男，湖北天門人，中核核電運(yùn)行管理有限公司高級工程師，碩士，研究方向：仿真機(jī)開發(fā)與維護(hù)。