核電廠(chǎng)安全級(jí)DCS培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司 王曉衛(wèi)，孫洪濤，梁中起，孫月亮

隨著數(shù)字控制系統(tǒng)（DCS）在核電廠(chǎng)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)已成為核電廠(chǎng)調(diào)試及運(yùn)維人員上崗操作前培訓(xùn)的必備手段。本文通過(guò)分析保護(hù)系統(tǒng)功能原理及現(xiàn)場(chǎng)客戶(hù)實(shí)際需求，在保證保護(hù)系統(tǒng)功能完整的情況下，采用實(shí)物加仿真方式，研制出一套核電廠(chǎng)安全級(jí)DCS培訓(xùn)系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)核電現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及運(yùn)維人員的培訓(xùn)、教學(xué)及現(xiàn)場(chǎng)備件的故障診斷等功能。通過(guò)這種設(shè)計(jì)方法以最少的DCS硬件系統(tǒng)，在保證與核電現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際組態(tài)一致的前提下，大大提高了系統(tǒng)的使用效率，豐富了系統(tǒng)的培訓(xùn)功能。

核電廠(chǎng)；培訓(xùn)系統(tǒng)；診斷測(cè)試；調(diào)試

隨著核電廠(chǎng)安全經(jīng)濟(jì)性要求的進(jìn)一步提高，對(duì)調(diào)試及運(yùn)維人員的技術(shù)水平提出了更高的要求。良好的運(yùn)行記錄離不開(kāi)運(yùn)維人員專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。如何在系統(tǒng)運(yùn)維過(guò)程中降低人因錯(cuò)誤，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)隨機(jī)故障時(shí)能夠較快定位故障原因，并快速解決問(wèn)題，都依賴(lài)于相關(guān)人員對(duì)系統(tǒng)軟、硬件產(chǎn)品及工作原理有較清楚的認(rèn)識(shí)。僅依靠單獨(dú)的硬件產(chǎn)品分析或離線(xiàn)的軟件運(yùn)行，無(wú)法最大程度地模擬核電站安全級(jí)儀控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，無(wú)法使調(diào)試及運(yùn)維人員對(duì)核級(jí)DCS控制系統(tǒng)形成整體的概念。核電廠(chǎng)安全級(jí)DCS培訓(xùn)系統(tǒng)基于大量生產(chǎn)實(shí)際中發(fā)生的異?；蚴鹿薁顟B(tài)，用數(shù)學(xué)方法建立相應(yīng)的模型，通過(guò)搭建與核電廠(chǎng)DCS控制原理相同的硬件系統(tǒng)及軟件仿真系統(tǒng)[1]，構(gòu)造一個(gè)可以充當(dāng)教練的過(guò)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可完成對(duì)核電站儀控系統(tǒng)邏輯處理原理的培訓(xùn)，還可用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及運(yùn)維人員進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓展原理及軟硬件接口維護(hù)培訓(xùn)。

1 核電廠(chǎng)培訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

根據(jù)培訓(xùn)需求及原理不同，目前核電站培訓(xùn)系統(tǒng)主要分為最小系統(tǒng)、全范圍模擬機(jī)兩類(lèi)。

（1）最小系統(tǒng)

（2）全范圍模擬機(jī)

核電廠(chǎng)全范圍模擬機(jī)是把實(shí)際DCS組態(tài)生成的執(zhí)行文件下裝到虛擬DCS中[3]，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)及接口與過(guò)程模型交換數(shù)據(jù)，將DCS系統(tǒng)整合到仿真系統(tǒng)中，有極高的軟件功能逼真度，實(shí)現(xiàn)成本不高，能夠完成復(fù)雜的仿真應(yīng)用功能。但是此種方式更多的是純軟件模擬來(lái)完成培訓(xùn)工作，只適用于核電廠(chǎng)運(yùn)行人員的培訓(xùn)。對(duì)于核電廠(chǎng)調(diào)試及運(yùn)維人員培訓(xùn)作用不大，因?yàn)樘摂M系統(tǒng)無(wú)法展示實(shí)際核電的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及軟硬件維護(hù)需要的相關(guān)知識(shí)。

本文通過(guò)分析現(xiàn)有核電廠(chǎng)運(yùn)行原理及架構(gòu)，采用控制模型與機(jī)組過(guò)程模型徹底分離的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)一套核電廠(chǎng)安全級(jí)DCS培訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)從根本上保證了操作畫(huà)面和控制邏輯、網(wǎng)絡(luò)拓展、硬件配置及基本架構(gòu)與實(shí)際核電現(xiàn)場(chǎng)的一致性。按照這種設(shè)計(jì)思想和方法所開(kāi)發(fā)的安全級(jí)DCS培訓(xùn)系統(tǒng)，不僅可滿(mǎn)足電廠(chǎng)調(diào)試及運(yùn)維人員的培訓(xùn)需求，同時(shí)還可用于現(xiàn)場(chǎng)備件的故障診斷等工作。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)能夠體現(xiàn)核電站保護(hù)系統(tǒng)的典型架構(gòu)及工作原理，系統(tǒng)在實(shí)際壓水堆核電站控制架構(gòu)上簡(jiǎn)化硬件配置，同時(shí)保證系統(tǒng)能夠充分展示保護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓展、邏輯運(yùn)算以及設(shè)備監(jiān)視控制等功能。系統(tǒng)采用核電現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的DCS硬件和軟件系統(tǒng)，除了DCS的控制站和操作站以外還包括為現(xiàn)場(chǎng)傳感器和執(zhí)行器提供接口的I/O組件、隔離設(shè)備、光電設(shè)備和電源等設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制策略、信息管理和操作顯示功能都在實(shí)際DCS系統(tǒng)中完成。而與DCS連接的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是采用過(guò)程模型來(lái)替代的，該系統(tǒng)整體工作原理是：以實(shí)際的DCS系統(tǒng)為中心，采用DCS的基礎(chǔ)硬件和軟件，結(jié)合反映實(shí)際被控物理對(duì)象動(dòng)態(tài)規(guī)律的過(guò)程模型，構(gòu)成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括三個(gè)部分：第一部分為參數(shù)模擬系統(tǒng)，用于模擬核電現(xiàn)場(chǎng)各種傳感器參數(shù)及設(shè)備控制和反饋信號(hào)。第二部分為邏輯處理系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算和輸出。第三部分為監(jiān)視控制系統(tǒng)，用于報(bào)警、停堆及專(zhuān)設(shè)驅(qū)動(dòng)等工藝流程畫(huà)面的指示。核電廠(chǎng)安全級(jí)DCS培訓(xùn)系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則，核電廠(chǎng)安全級(jí)DCS培訓(xùn)系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：參數(shù)模擬系統(tǒng)、邏輯處理系統(tǒng)及監(jiān)視控制系統(tǒng)。

3.1 參數(shù)模擬系統(tǒng)

Labview是虛擬儀器的圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其有功能強(qiáng)大的硬件驅(qū)動(dòng)和控件，在核電站計(jì)算仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，以虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀器，可以有效提高工作效率，快速開(kāi)發(fā)出核電站計(jì)算機(jī)仿真模型。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中為了能夠更接近實(shí)際電站運(yùn)行工況，參數(shù)模擬系統(tǒng)使用Labview平臺(tái)開(kāi)發(fā)仿真模型，選用NI公司的數(shù)據(jù)采集板卡，配合其硬件驅(qū)動(dòng)DAQmx對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入/輸出處理。通過(guò)Labview軟件建模完成壓水堆核電站主一、二回路工藝系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算，實(shí)時(shí)接收來(lái)自邏輯處理系統(tǒng)和監(jiān)視控制系統(tǒng)的操作命令，并向監(jiān)視控制系統(tǒng)傳遞需要顯示的數(shù)據(jù)。

圖2 參數(shù)模擬系統(tǒng)原理圖

3.2 邏輯處理系統(tǒng)

此次升級(jí)的D13柴油發(fā)動(dòng)機(jī)還采用了新型VDS—5低黏度機(jī)油和新型活塞環(huán)，可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和內(nèi)部摩 擦。此外，其新配備的500馬力發(fā)動(dòng)機(jī)相較460和420馬力發(fā)動(dòng)機(jī)，在保持相同高壓縮比的同時(shí)，可節(jié)省更多燃料，實(shí)現(xiàn)更高的燃油效率。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，核動(dòng)力廠(chǎng)安全重要儀表控制系統(tǒng)完成的安全功能主要是：反應(yīng)性控制、堆芯余熱的導(dǎo)出，以及放射性物質(zhì)約束和運(yùn)行排放控制等[4]。

通過(guò)分析上述要求，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的典型功能應(yīng)主要包括：

（1）保護(hù)功能；

（2）控制功能；

（3）監(jiān)測(cè)和顯示功能。

為了使系統(tǒng)能夠涵蓋上述功能要求，同時(shí)最大限度減少硬件規(guī)模，本系統(tǒng)方案基于實(shí)際核電廠(chǎng)DCS控制架構(gòu)及硬件產(chǎn)品展開(kāi)設(shè)計(jì)工作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)2個(gè)保護(hù)通道的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)（RPC-I/ III），用來(lái)完成參數(shù)采集、邏輯處理及控制輸出等功能。按照安全級(jí)DCS設(shè)計(jì)的多樣性原則，每個(gè)通道由2個(gè)子組組成，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的多樣性。每個(gè)保護(hù)通道將各自的閾值比較結(jié)果通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給另一通道進(jìn)行表決邏輯計(jì)算。同時(shí)根據(jù)表決邏輯處理結(jié)果產(chǎn)生“局部停堆信號(hào)”，用來(lái)控制一組停堆斷路器的動(dòng)作。

為實(shí)現(xiàn)專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一系列安全專(zhuān)設(shè)系統(tǒng)（ESFAC）和安全邏輯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（SLC）。保護(hù)通道將保護(hù)參數(shù)進(jìn)行閾值判斷后的結(jié)果通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)送至ESFAC，ESFAC對(duì)結(jié)果進(jìn)行表決邏輯運(yùn)算，從而產(chǎn)生系統(tǒng)級(jí)安全專(zhuān)設(shè)驅(qū)動(dòng)命令。設(shè)計(jì)SLC作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，不僅通過(guò)安全級(jí)網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)自ESFAC的系統(tǒng)級(jí)安全專(zhuān)設(shè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，還可以接收來(lái)自操作員的手動(dòng)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的手動(dòng)控制功能。邏輯處理系統(tǒng)架構(gòu)圖，如圖3所示。

圖3 邏輯處理系統(tǒng)架構(gòu)圖

為了模擬核電站設(shè)備手動(dòng)控制功能，邏輯處理系統(tǒng)配置一臺(tái)安全顯示單元，用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工況的監(jiān)視、報(bào)警顯示以及手動(dòng)控制安全級(jí)設(shè)備的操作。運(yùn)行操作人員可從監(jiān)視控制系統(tǒng)調(diào)用安全級(jí)設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將調(diào)用信號(hào)傳送給安全顯示單元。安全顯示單元根據(jù)調(diào)用請(qǐng)求顯示相應(yīng)的操作面板，操作員可通過(guò)操作面板實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備對(duì)象的控制。安全顯示單元設(shè)備操作畫(huà)面，如圖4所示。

圖4 安全顯示單元畫(huà)面

3.3 監(jiān)視控制系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)監(jiān)視控制系統(tǒng)用于模擬實(shí)際核電站的NC-VDU功能。系統(tǒng)接收邏輯控制系統(tǒng)傳送的各種過(guò)程參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)大屏上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)視、報(bào)警及工藝控制過(guò)程指示等功能。監(jiān)視控制系統(tǒng)控制原理及軟硬件系統(tǒng)均采用與實(shí)際核電站一致的非安DCS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)與邏輯處理系統(tǒng)通訊原理，如圖5所示。

圖5 監(jiān)視控制系統(tǒng)原理圖

監(jiān)視控制系統(tǒng)畫(huà)面示例，如圖6所示。

圖6 監(jiān)視控制系統(tǒng)畫(huà)面

4 系統(tǒng)實(shí)施優(yōu)點(diǎn)

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用與實(shí)際核電站一致的硬件DCS產(chǎn)品，使系統(tǒng)更接近于核電廠(chǎng)實(shí)際情況，有利于調(diào)試人員以及運(yùn)維人員培訓(xùn)。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中基本架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓展及邏輯運(yùn)算、設(shè)備監(jiān)視控制等與實(shí)際核電站相近，只是在原系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上最小化配置減少了硬件數(shù)量。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)培訓(xùn)系統(tǒng)相比具有如下的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)涵蓋了核電站中的控制保護(hù)層、監(jiān)視控制層以及LEVEL0層工藝模型，整個(gè)系統(tǒng)的控制和監(jiān)視設(shè)備均與實(shí)際核電一致，軟件邏輯及工藝參數(shù)均來(lái)自于實(shí)際核電站的工程組態(tài)文件，這樣就使整個(gè)系統(tǒng)的控制策略以及監(jiān)視手段與實(shí)際核電現(xiàn)場(chǎng)基本一致，系統(tǒng)更逼真，更有利于核電現(xiàn)場(chǎng)人員的培訓(xùn)；

（2）系統(tǒng)克服了現(xiàn)有核電站培訓(xùn)系統(tǒng)的完全虛擬化與實(shí)際硬件系統(tǒng)不兼容的缺點(diǎn)，通過(guò)開(kāi)發(fā)LEVEL0層工藝模型，使實(shí)際DCS系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)工藝模型連接在一起，組成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)可根據(jù)用戶(hù)需求完成核電站典型工況的模擬及培訓(xùn)；

（3）系統(tǒng)采用實(shí)際核電站的真實(shí)軟、硬件產(chǎn)品，因此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及運(yùn)維人員進(jìn)行平臺(tái)硬件接口、系統(tǒng)擴(kuò)展原理、邏輯組態(tài)、軟件下裝、參數(shù)整定、變量監(jiān)視等培訓(xùn)。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員可定期將電廠(chǎng)庫(kù)存和新購(gòu)的備品備件替換到本系統(tǒng)上，利用本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)核電站庫(kù)存和新購(gòu)備品備件烤電、測(cè)試等工作，完成到期或失效易損件的剔除，保證安全級(jí)儀控系統(tǒng)備件的良好可用狀態(tài)。

5 結(jié)論

核電站保護(hù)系統(tǒng)是核電站最重要的安全儀控系統(tǒng)，屬于核電廠(chǎng)1E級(jí)電氣設(shè)備，其中安全級(jí)系統(tǒng)硬件產(chǎn)品多，硬接線(xiàn)數(shù)量龐大。本文通過(guò)分析保護(hù)系統(tǒng)功能原理，在保證保護(hù)系統(tǒng)功能完整的情況下，系統(tǒng)地提出了核電廠(chǎng)安全級(jí)DCS培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及其實(shí)現(xiàn)方法。采用安全級(jí)DCS平臺(tái)并下裝與實(shí)際項(xiàng)目相同的控制邏輯，利用軟件建模模擬現(xiàn)場(chǎng)各種運(yùn)行工況，邏輯控制系統(tǒng)通過(guò)硬接線(xiàn)與過(guò)程模型傳遞保護(hù)參數(shù)，完整模擬了各種停堆工況及典型功能。通過(guò)此種方法開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)在華北站DCS模擬培訓(xùn)系統(tǒng)、華龍一號(hào)推演系統(tǒng)及陽(yáng)江5&6號(hào)機(jī)組FirmSys最小化系統(tǒng)及虛擬機(jī)平臺(tái)等項(xiàng)目中得到了充分驗(yàn)證。系統(tǒng)在保證軟件組態(tài)與實(shí)際核電廠(chǎng)一致的前提下，大大提高了培訓(xùn)系統(tǒng)的使用效率，豐富了培訓(xùn)系統(tǒng)的功能，從根本上保證了核電廠(chǎng)安全級(jí)DCS培訓(xùn)系統(tǒng)從外觀到內(nèi)核與實(shí)際核電廠(chǎng)DCS控制系統(tǒng)的一致性。

同時(shí)，按照這種設(shè)計(jì)思想和方法所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)不但可以用于培訓(xùn)調(diào)試及運(yùn)維人員，還可用于實(shí)際核電現(xiàn)場(chǎng)DCS系統(tǒng)硬件故障診斷等工作，系統(tǒng)可對(duì)核電站庫(kù)存和新購(gòu)備品備件進(jìn)行測(cè)試、烤電等工作，對(duì)即將安裝到在線(xiàn)系統(tǒng)上的備件進(jìn)行預(yù)測(cè)試，確定其性能處于可用狀態(tài)，保證安全儀控系統(tǒng)備件的良好可用狀態(tài)，從而有效地拓寬了核電站培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

[1] 夏濤，吳重光，楚紀(jì)正. 通用DCS仿真環(huán)境的研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真，2003，20（4）：48 - 50.

[2] 劉鵬飛，林 萌. 核電廠(chǎng)DCS系統(tǒng)功能驗(yàn)證工程模擬機(jī)研究[J]. 核動(dòng)力工程，2009，30（5）：48 - 51.

[3] 段新會(huì)，姜 萍. 基于虛擬DCS仿真的控制系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)開(kāi)發(fā)[J]. 電力科學(xué)與工程，2008，24 (8) ：56 - 59.

[4] IAEA - NS - G - 1.3. 核動(dòng)力廠(chǎng)安全重要儀表控制系統(tǒng)[S].

Design and Research of Safety Level DCS Training System for Nuclear Power Plant

With the wide applications of digital control system (DCS) in nuclear power plants, digital simulation training systems have become an essential means for the pre-service training of the debug and maintenance personnel in nuclear power plants. This paper analyzes the functional principles of the protection systems and the practical requirements of the field customers. With the full functional conditions guaranteed, we use both physical and simulated methods to develop a set of safety level DCS training systems for nuclear power plants. The systems can be used for nuclear power site commissioning, maintenance personnel training and teaching, on-site fault diagnosis and so on. With this design method, once the actual confguration of the nuclear power feld is guaranteed, the effciency of the systems can be largely improved, and the training function of the system is also enriched.

Nuclear Power Plants; Training system; Diagnostic test; Debugging

王曉衛(wèi)（1981-），男，滿(mǎn)，河北人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事核電廠(chǎng)安全級(jí)DCS工程設(shè)計(jì)工作。

孫洪濤（1977-），男，山東人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)任北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司工程部副總工，主要從事核電廠(chǎng)安全級(jí)DCS工程設(shè)計(jì)工作。

梁中起（1968-），男，漢，河北人，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，現(xiàn)主要從事核電站數(shù)字化儀控項(xiàng)目實(shí)施工作。

孫月亮（1986-），女，河北人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事核電廠(chǎng)安全級(jí)DCS工程設(shè)計(jì)工作。