徐 奎，張丹紅

(1.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北武漢430223；2.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430070)

全范圍模擬機(jī)數(shù)字儀控系統(tǒng)全仿方案研究

徐 奎1，張丹紅2?

(1.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北武漢430223；2.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430070)

全范圍模擬機(jī)是核電操縱員培訓(xùn)的重要手段.傳統(tǒng)的數(shù)字儀控系統(tǒng)仿真模擬方法存在著價(jià)格昂貴、數(shù)據(jù)難以采集、進(jìn)度得不到保證等缺點(diǎn).研究了一種結(jié)合功能模擬和翻譯模擬的全范圍模擬機(jī)數(shù)字儀控系統(tǒng)全仿方案，在項(xiàng)目前期采用功能模擬方式保證核電廠(chǎng)操縱員培訓(xùn)進(jìn)度的要求，而維護(hù)階段采用翻譯模擬的方式，使用DCS實(shí)際機(jī)組的組態(tài)工程數(shù)據(jù)對(duì)模擬機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新.研究結(jié)果表明該DCS仿真軟件在功能完整、各項(xiàng)性能指標(biāo)與同類(lèi)型核電用DCS軟件相當(dāng)，在滿(mǎn)足模擬機(jī)培訓(xùn)需求的同時(shí)節(jié)約了成本.

核電；模擬機(jī)；儀控系統(tǒng)；全模擬

全范圍模擬機(jī)是核電站培訓(xùn)核電操縱員的重要手段，而不同的全范圍模擬機(jī)廠(chǎng)商的實(shí)現(xiàn)方式也不同[1－5].在某核電全范圍模擬的研制項(xiàng)目中，權(quán)衡了各種模擬方式的特點(diǎn)，擬采用一種全模擬(Full Simulation)的方式對(duì)核電數(shù)字儀控系統(tǒng)進(jìn)行仿真.

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)將數(shù)字儀控系統(tǒng)(DCS)全仿方案應(yīng)用到核電模擬機(jī)研制中的案例.因此，本文將研究一種全范圍模擬機(jī)DCS全仿方案[6－7]，該方案結(jié)合了功能模擬和翻譯模擬兩種功能，研究結(jié)果表明本文研制的DCS仿真軟件功能完整、各項(xiàng)性能指標(biāo)與同類(lèi)型核電DCS軟件相當(dāng)，能滿(mǎn)足模擬機(jī)培訓(xùn)的需求.

表1 常見(jiàn)的模擬仿真方法Tab.1 Common simulation methods

1 方案概述

對(duì)于DCS的仿真，通常有4種方法:實(shí)物模擬、仿真模擬、翻譯模擬、功能模擬[8－11]，它們的主要特點(diǎn)如表1所示.

上述4種方法中，實(shí)物模擬方法主要用于工程驗(yàn)證，采用單一實(shí)物模擬的方式在核電站模擬機(jī)中幾乎沒(méi)有應(yīng)用.

仿真模擬方法是當(dāng)前最常用的方法，但是其缺點(diǎn)在于它依賴(lài)DCS生產(chǎn)商，價(jià)格昂貴、進(jìn)度上又得不到保證[12].翻譯模擬方法目前在國(guó)內(nèi)火電廠(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用，這種方法的實(shí)質(zhì)仍然是先采用用模擬開(kāi)發(fā)與DCS模塊接近，再將真實(shí)DCS下載文件翻譯模擬的軟件.因此這種方法的模擬精度和模擬方法相同，只是帶來(lái)了方便.它直接從電廠(chǎng)取DCS下載文件到模擬機(jī)上，但是這種方法難以收集到需要的DCS數(shù)據(jù)資料[13].因此，這種仿真方式的進(jìn)度需要依賴(lài)DCS廠(chǎng)商提交數(shù)據(jù).功能模擬的開(kāi)發(fā)進(jìn)度則主要依賴(lài)設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的提交進(jìn)度，但這種方式的模擬精度低[14].

如圖1所示，本文提出的全模擬方案結(jié)合了功能模擬和翻譯模擬的特點(diǎn).在項(xiàng)目前期采用了功能模擬的方式，保證了核電廠(chǎng)操縱員培訓(xùn)的進(jìn)度要求；而維護(hù)階段采用了翻譯模擬的方式，使用DCS實(shí)際機(jī)組的組態(tài)工程數(shù)據(jù)對(duì)模擬機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新.圖1表示了基于DCS全仿方案設(shè)計(jì)的核電站全范圍模擬機(jī)軟件的層次結(jié)構(gòu)，以及工程數(shù)據(jù)和DCS工程設(shè)計(jì)文件與仿真工程的關(guān)系.

在方案實(shí)施過(guò)程中，主要解決翻譯仿真與功能模擬仿真結(jié)合的問(wèn)題，以及DCS仿真平臺(tái)的運(yùn)行軟件和翻譯軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題.

圖1 全模擬的軟件與各種工程數(shù)據(jù)的關(guān)系Fig.1 The relationship between the full simulation software and the various engineering data

圖2 全模擬的兩個(gè)項(xiàng)目階段Fig.2 Two phases of the full simulation

2 翻譯模擬與功能模擬的結(jié)合

為了實(shí)現(xiàn)翻譯模擬和功能模擬仿真在同一個(gè)全范圍模擬機(jī)項(xiàng)目中使用，采取以下步驟:

1)定義能同時(shí)適用于兩種方案的DCS一層和二層仿真數(shù)據(jù)格式.

2)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)DCS一體化的數(shù)據(jù)庫(kù)，使系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)一致性檢查功能.

3)研發(fā)能運(yùn)行在仿真平臺(tái)上一層、二層數(shù)據(jù)的翻譯軟件，可以將實(shí)際電廠(chǎng)DCS的工程數(shù)據(jù)格式翻譯成模擬機(jī)能運(yùn)行的工程文件.

如圖2所示，在開(kāi)發(fā)階段使用功能模擬的方案，將設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)文件作為仿真工程的輸入，確保了電廠(chǎng)培訓(xùn)的進(jìn)度要求，降低了項(xiàng)目的執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn).而在數(shù)據(jù)修正階段，全范圍模擬機(jī)使用了翻譯仿真的方式將DCS廠(chǎng)商的工程數(shù)據(jù)作為工程輸入，提高了工程數(shù)據(jù)的仿真精度.

3 DCS仿真方案

DCS仿真方案從總體上可以分成一層仿真方案(Level 1)和二層仿真方案(Level 2)兩部分，在全范圍模擬機(jī)項(xiàng)目的實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中，分別對(duì)其進(jìn)行圖形化建模仿真，下面分別介紹其具體建模內(nèi)容.

3.1 DCS一層仿真方案

王哲(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楸砻嬖鰪?qiáng)拉曼散射及其應(yīng)用. Email:zhewangscience@163.com

在項(xiàng)目前期階段，采用由設(shè)計(jì)院提供的參考機(jī)組DCS控制邏輯組態(tài)設(shè)計(jì)文件作為模擬機(jī)的設(shè)計(jì)輸入，并參照模擬機(jī)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)功能進(jìn)行DCS部件的建立，增加DCS的特定部件庫(kù).采用模擬機(jī)的工程部件開(kāi)發(fā)工具作為DCS的Level 1仿真軟件的開(kāi)發(fā)工具，使用開(kāi)發(fā)出的DCS部件庫(kù)進(jìn)行圖形化建模.建模工具生成的DCS的Level 1仿真程序在仿真運(yùn)行平臺(tái)下運(yùn)行，由模擬機(jī)支撐平臺(tái)軟件實(shí)時(shí)調(diào)度.根據(jù)DCS系統(tǒng)的IO點(diǎn)清單，在仿真圖中加入DCS仿真系統(tǒng)與工藝以及DCS二層仿真系統(tǒng)的接口，生成相應(yīng)的DCS仿真模型接口變量，與其它模擬機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.

在數(shù)據(jù)修正階段，模擬機(jī)投入運(yùn)行以后，以DCS廠(chǎng)商提交的控制邏輯組態(tài)文件作為模擬機(jī)的設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行模擬機(jī)修正.

3.2 DCS的二層仿真平臺(tái)軟件

為了滿(mǎn)足核電DCS仿真軟件的功能需求，在核電DCS的仿真系統(tǒng)中，除了處理DCS固有操作和狀態(tài)管理以外，還會(huì)處理教控操作，例如:復(fù)位、凍結(jié)、狀態(tài)存儲(chǔ)、重演等.因此，DCS仿真軟件具有數(shù)據(jù)量大、通信負(fù)載重、計(jì)算復(fù)雜度高的特點(diǎn).

為了滿(mǎn)足DCS全范圍模擬機(jī)的數(shù)據(jù)需求，在DCS二層仿真運(yùn)行平臺(tái)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中.按照軟件的功能劃分，該軟件可分為運(yùn)行平臺(tái)軟件和離線(xiàn)翻譯軟件兩個(gè)部分.

3.2.1 運(yùn)行平臺(tái)軟件.運(yùn)行平臺(tái)軟件是DCS仿真工程數(shù)據(jù)的運(yùn)行載體，主要包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容.

1)DCS監(jiān)控軟件的實(shí)現(xiàn).DCS二層監(jiān)控軟件作為替代傳統(tǒng)操作盤(pán)臺(tái)的人機(jī)操作工作站.軟件主要通過(guò)直觀的流程圖界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件點(diǎn)的控制和監(jiān)測(cè).另外，DCS其他的應(yīng)用界面還具有重要參數(shù)監(jiān)視、報(bào)警及故障提示、運(yùn)算和操作驗(yàn)證等功能，以輔助操作員對(duì)反應(yīng)堆發(fā)電過(guò)程狀態(tài)的全面了解.

從功能角度看，畫(huà)面、報(bào)警、趨勢(shì)作為DCS仿真軟件的核心功能，是核電廠(chǎng)操作員的主要信息來(lái)源和操作對(duì)象.從軟件開(kāi)發(fā)角度看，畫(huà)面、報(bào)警、趨勢(shì)占據(jù)了DCS仿真軟件系統(tǒng)的大多數(shù)系統(tǒng)資源，并與所有的基礎(chǔ)通信和數(shù)據(jù)服務(wù)有著密切的關(guān)系，其性能關(guān)系到DCS二層軟件的整體性能，是監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵.

2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信方案設(shè)計(jì).實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的可靠性和效率直接決定了整個(gè)仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率.項(xiàng)目中，DCS的I/O點(diǎn)數(shù)大于3000，數(shù)據(jù)大于50萬(wàn)點(diǎn)，各種DCS畫(huà)面大于7000張.通過(guò)項(xiàng)目的執(zhí)行，研制了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信服務(wù).通過(guò)實(shí)時(shí)通信服務(wù)軟件，將局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的分布式數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠的實(shí)時(shí)同步.

考慮了通信服務(wù)的QoS，由于DCS數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)不同，對(duì)其通信的質(zhì)量要求不同.例如，DCS中的命令通信必須可靠并要求反饋；而某流程圖功能的要求較高的實(shí)時(shí)性較高但可靠性要求較低；規(guī)程數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性和可靠性要求都較低.本軟件能配合組態(tài)信息對(duì)通信業(yè)務(wù)進(jìn)行劃分，以針對(duì)不同的業(yè)務(wù)提供不同的通信服務(wù).同時(shí)，考慮到了丟包策略，對(duì)于有實(shí)時(shí)性要求的數(shù)據(jù)，為了在網(wǎng)絡(luò)擁塞情況下避免阻塞，提供了必要的丟包策略.還在通信軟件中加入了延時(shí)控制，將數(shù)據(jù)同步時(shí)間控制在合理的范圍內(nèi).

3)DCS二層高效率計(jì)算的問(wèn)題.支持DCS二層的計(jì)算組態(tài)的問(wèn)題，該計(jì)算服務(wù)軟件能夠建立和運(yùn)用復(fù)雜的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)中的變量和常量分為不同的區(qū)域存放.在復(fù)雜的多處理器系統(tǒng)調(diào)試中，數(shù)據(jù)可以被多用戶(hù)共同讀取和使用.當(dāng)然，數(shù)據(jù)可否被多個(gè)用戶(hù)使用，是由數(shù)據(jù)的級(jí)別所決定.

計(jì)算服務(wù)軟件支持C和FORTRAN語(yǔ)言編寫(xiě)的計(jì)算程序，程序在編寫(xiě)完成之后要進(jìn)行編譯，編譯通過(guò)后的程序才能在仿真系統(tǒng)中調(diào)用運(yùn)行.計(jì)算軟件為系統(tǒng)提供編譯程序命令.計(jì)算服務(wù)軟件提供一套強(qiáng)有力的分系統(tǒng)軟件調(diào)試系統(tǒng)，支持多計(jì)算模塊在各自的模塊下同時(shí)調(diào)試自己的執(zhí)行程序.

3.2.2 離線(xiàn)翻譯軟件.離線(xiàn)翻譯軟件的功能是將來(lái)自于實(shí)際DCS的工程數(shù)據(jù)文件，翻譯轉(zhuǎn)換成能被仿真平臺(tái)識(shí)別并運(yùn)行的工具軟件.

首先，離線(xiàn)翻譯軟件能解析、轉(zhuǎn)換實(shí)際DCS工程的電廠(chǎng)對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)，并將其中包括的電廠(chǎng)設(shè)備、報(bào)警、故障等各種數(shù)據(jù)下裝到仿真平臺(tái)，仿真運(yùn)行平臺(tái)能直接處理翻譯后的數(shù)據(jù).其次，離線(xiàn)翻譯軟件還能解析、轉(zhuǎn)換實(shí)際DCS工程中的各種畫(huà)面組態(tài)文件.最后，離線(xiàn)翻譯軟件還能解析、轉(zhuǎn)換實(shí)際DCS工程中的邏輯計(jì)算.

4 總結(jié)

采用DCS全仿方式進(jìn)行模擬機(jī)研制，在國(guó)內(nèi)屬于首創(chuàng).在項(xiàng)目中使用的一系列方法、研制出的軟件、工具均屬于原創(chuàng)，在國(guó)內(nèi)也屬于首創(chuàng).

在項(xiàng)目的不同執(zhí)行階段，能夠在同一軟件平臺(tái)下，分別使用功能仿真和翻譯仿真兩種方式.實(shí)現(xiàn)了通用的DCS二層仿真支撐平臺(tái)軟件；實(shí)現(xiàn)了服務(wù)和應(yīng)用業(yè)務(wù)的分離，可靈活配置，通過(guò)對(duì)UI的修改，可仿真各種不同品牌的DCS產(chǎn)品；實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的DCS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力，可達(dá)到50萬(wàn)點(diǎn)規(guī)模；實(shí)現(xiàn)了DCS一體化的數(shù)據(jù)庫(kù)，具備數(shù)據(jù)一致性檢查功能；研制了靈活友好的圖形化仿真DCS組態(tài)界面；解決了DCS仿真系統(tǒng)大數(shù)據(jù)量處理的性能、功能的完整性、二層數(shù)據(jù)同步性能、系統(tǒng)的穩(wěn)定性等問(wèn)題.

一方面，全范圍模擬機(jī)數(shù)字儀控系統(tǒng)全仿方案的成功研制保證了全范圍模擬機(jī)項(xiàng)目的成功實(shí)施和按時(shí)投運(yùn)，使得核電廠(chǎng)能夠按進(jìn)度要求培訓(xùn)和考核足夠數(shù)量的核電廠(chǎng)操縱人員，從而為電站的商運(yùn)提供了運(yùn)行人員保障，進(jìn)而為緩解電力緊張局面做出貢獻(xiàn).

另一方面，全范圍模擬機(jī)數(shù)字儀控系統(tǒng)全仿方案的成功研制，大大降低了全范圍模擬機(jī)項(xiàng)目研制的成本，也為機(jī)組人因工程集成系統(tǒng)的驗(yàn)證提供了平臺(tái)，相比于實(shí)物仿真方案，具有設(shè)置初始條件迅速、DCS性能穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì).

[1] 周剛，伊雄鷹.核動(dòng)力仿真技術(shù)及其發(fā)展[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2006，40(z1):23－29.

[2] 毛偉，孔祥鳳.核電站人員培訓(xùn)中仿真技術(shù)的應(yīng)用[J].科技信息，2012(4):412－412.

[3] 鄧戈燕，劉穎，曲鳴，等.核電DCS設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái)開(kāi)發(fā)[C]//2011仿真研討會(huì)，2011:351－355.

[4] 黃衛(wèi)剛，戴忠華，張睿瓊，等.大亞灣核電站電氣和儀控設(shè)備國(guó)產(chǎn)化道路探索[J].核動(dòng)力工程，2007，28(5):109－113.

[5] JU Yeon Lee，HYOUNG Seok Kang，SANG Do Noh，et al.NESIS:a neutral schema for a web－based simulation model exchange service across heterogeneous simulation software[J].International Journal of Computer Integrated Manufacturing，2011，24(10/12):948－969.

[6] 陳春麗.數(shù)字化核電廠(chǎng)全范圍模擬機(jī)研制方案概述[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2014，34(2):127－130.

[7] 劉朋波，周韋，張淑慧.核電廠(chǎng)數(shù)字化儀控系統(tǒng)測(cè)試綜述[J].自動(dòng)化儀表，2012，33(2):51－54＋57.

[8] 任永忠，任湘郴.核電廠(chǎng)培訓(xùn)模擬機(jī)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2009，5(2):125－129.

[9] 柳娟，唐雪艷，許元駿.核電仿真的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014，27(6):98－99.

[10] MAHALIK NGPC，LEE S K.Design and development of system level software tool for DCS simulation[J].Advances in EngineeringSoftware，2003，34(7):451－465.

[11] 史覬，蔣明瑜，馬云青，等.核電站儀控?cái)?shù)字化開(kāi)發(fā)仿真測(cè)試技術(shù)研究[J].核技術(shù)，2005，28(2):163－168.

[12] CHENG Shouyu，PENG Minjun，GONG Cheng，et al.Research on Digital Control System Simulation for Nuclear Power Plants[C]//2010 Asia－Pacific Power and Energy Engineering Conference(APPEEC 2010)，2010:2617－2620.

[13] 李延凱，林萌，楊燕華，等.核電廠(chǎng)儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)[J].核動(dòng)力工程，2014，35(5):148－152.

[14] HOU Dong，LIN Meng，XU Zhihong，et al.Development and application of an extensible engineering simulator for NPP DCS closed－loop test[J]. Annals of nuclear energy，2011，38(1):49－55.

[15] 孫遠(yuǎn)志，張洋，龐智.應(yīng)用全范圍仿真機(jī)的核電站儀控軟件設(shè)計(jì)驗(yàn)證[J].計(jì)算機(jī)仿真，2014，31(4):147－150，272.

責(zé)任編輯:時(shí) 凌

Full Simulation Scheme for Nuclear Power Plant I＆C System

XU Kui1，ZHANG Danhong2?
(1.China Nuclear Power Operation Technology Cooperation Ltd.，Wuhan 430223，China；2.School of Automation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

Full－scope simulator is an essential means of training operators in nuclear power plants.The traditional digital instrumentation system simulation method has such shortcomingsas expensive price，difficult data collection and lack of guarantee of the progress.In this paper，a full－range simulation program of full－range simulator and digital instrumentation system combined with functional simulation and translation simulation is studied.In the early stage of the project，functional simulation is used to ensure the progress of nuclear power plant operator training.In the maintenance stage，translation simulation is usedand the configuration engineering data of the DCS actual unit is used to update the data of the simulator.The results show that the developed DCS simulation software is complete in function and the performance indexes are equivalent to those of the DCS software of the same type of nuclear power，which can meet the needs of simulator training and save the economic costs.

nuclear power；simulator；I＆C；full simulation

TP362

A

1008－8423(2017)01－0016－03

10.13501/j.cnki.42－1569/n.2017.03.004

2017－01－01.

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015CFB586).

徐奎(1979－)，男，博士，工程師，主要從事核電DCS仿真的研究；?

張丹紅(1968－)，女，碩士，教授，主要從事智能控制理論及應(yīng)用、計(jì)算機(jī)機(jī)控制等的研究.