袁金曉，王少華，張立群，張玉峰，陳日罡

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

20世紀70年代，當?shù)谝慌_基于計算機的控制室模擬機投入使用時，電廠工藝模型的仿真范圍與保真度被當時有限的計算機性能嚴重制約。1979年美國三里島（TMI）事故發(fā)生時，整個世界范圍內(nèi)的核工業(yè)幾乎沒有幾臺核電站控制室模擬機在運轉(zhuǎn)[1]。進入20世紀80年代后，對核電廠運行經(jīng)驗及教訓的詳細回顧引發(fā)了對核電廠人員，特別是控制室人員的培訓是否足夠的重新評估。基于這項審查，一些國家的運營機構與核安全監(jiān)管機構對控制室人員的模擬機培訓（以及這些培訓方案的其他方面）制定了更嚴格的要求[2,3]。國內(nèi)也在《HAF103核動力廠運行安全規(guī)定》中提出：“必須使用有代表性的模擬裝置來進行培訓。模擬機培訓必須把運行狀態(tài)和事故工況的培訓結(jié)合起來[4]。”由此可見，模擬機在核電廠安全運行中所扮演的重要角色已逐步獲得世界范圍內(nèi)的核電運行成員國的普遍共識。DCS作為核電廠運行過程中的神經(jīng)中樞是模擬機工程實施過程中必不可少的一環(huán)，其實施方案的選擇將會直接影響模擬機的逼真度、性價比、運行性能及集成與維護升級的難易程度。因此，有必要對其不同實施方案進行從原理到特性的多角度分析，以做出最佳實施方案的選擇。

1 DCS仿真范疇

依據(jù)標準“IEEE Std 1050TM-2004”對DCS的名詞解釋可知，它是由分布式的軟件、硬件、電纜、傳感器及執(zhí)行機構組成并具備輸入輸出通信能力的控制系統(tǒng)，用于對設備和過程的控制與監(jiān)視[5]。應用在核電廠中的DCS系統(tǒng)，雖然其軟硬件系統(tǒng)復雜且龐大，但其主要功能結(jié)構依然可抽象為如圖1所示的關系。圖中箭頭所示方向為簡化后各系統(tǒng)及設備間的主要信息傳遞路徑。虛線框中的“工藝系統(tǒng)設備”代表核電廠物理層，傳感器等儀表檢測現(xiàn)場工藝系統(tǒng)的相關物理變量并進行信號處理變換后，經(jīng)由電纜將信息反饋給DCS的邏輯控制層。由該層完成數(shù)據(jù)采集與信號預處理、邏輯處理及控制算法運算后產(chǎn)生自動控制和保護指令，同時將需要展示給電廠操縱人員的信息傳遞到DCS人機界面層。通過該層的人機接口，主控室運行人員可以將手動操作命令下發(fā)回邏輯控制層，在完成與自動控制指令的優(yōu)選邏輯運算后，將最終指令結(jié)果輸出至執(zhí)行機構，從而實現(xiàn)在遠距離上對現(xiàn)場設備的自動或手動控制。模擬機DCS工程實施所要實現(xiàn)的目標就是安裝并集成一個可再現(xiàn)參考電站DCS功能的系統(tǒng)，以滿足模擬機對物理和功能保真度的標準要求[6]。根據(jù)仿真范圍及深度的不同，可分為全范圍模擬機、教學仿真模擬機、工程模擬機、仿真分析模擬機等。通過這些模擬機可進行相應的核電站操縱員培訓及執(zhí)照考試、教學演示、核電機組設計的評估驗證、事故工況仿真分析等。

圖1 核電DCS功能結(jié)構示意圖Fig.1 Functional structure of DCS in nuclear power plant

2 DCS實施方案

隨著計算機技術的發(fā)展，DCS實施方案逐漸發(fā)展出了以純模擬（Simulation）、翻譯（Translation）、虛擬實物（Emulation）及激勵式（Stimulation）這4種仿真路線為主的實施方案，如圖2所示。這4種方案分別發(fā)源于真實DCS工程實施過程中的不同階段。每種實施方案都有其特有優(yōu)勢，但同時也存在相應的不足。而實際的模擬機項目選擇哪種方式也將取決于很多因素，包括DCS的系統(tǒng)架構、DCS供應商提供的可用于模擬機的實施方案、上游DCS專有數(shù)據(jù)的可用性、數(shù)據(jù)交付時間表、成本、最終用戶的喜好以及模擬機是用于工程還是培訓或兩者兼而有之[7]。在充分了解每種方案的具體實施過程，并且權衡影響模擬機實施方案的各種因素的基礎上，可采取單一或組合的方式來滿足用戶的多樣化需求。

圖2 DCS在模擬機中的4種實施方案Fig.2 The four technical solutions for DCS in simulator

2.1 純模擬（Simulation）

原理：純模擬方式是對DCS系統(tǒng)的功能原理性仿真。在得到設計院提供的設計輸入后，由模擬機供應商應用自有的組態(tài)軟件，對DCS系統(tǒng)控制邏輯功能原理圖（SAMA圖）或圖形化控制界面（HMI設計圖）進行分析并繪制，組態(tài)完成后進行編譯，生成參考機組DCS系統(tǒng)的控制邏輯及人機畫面仿真程序，從而在新的軟硬件平臺下實現(xiàn)對參考機組DCS系統(tǒng)功能的復現(xiàn)，并達到功能一致的效果。

利弊：這種仿真方式的特點是無需等待DCS供應商提供的控制系統(tǒng)組態(tài)文件作為輸入，所以不會受限于DCS供應商的軟硬件開發(fā)進度，可與真實儀控系統(tǒng)開發(fā)同步進行，可以嚴格控制時間進度且成本不高，同時還能完成復雜的培訓應用功能。但因為是直接在設計院的設計輸入基礎上進行的邏輯及畫面建模開發(fā)，與真實DCS組態(tài)文件的開發(fā)方式在人員及流程上都不相同，因此需要對控制邏輯和人機畫面進行全面地確認與驗證以確保功能的保真度。這也使得此種方式的前期開發(fā)工作量巨大，且對控制模型開發(fā)工程師的專業(yè)能力要求比較高。但考慮其起始階段處在真實DCS工程實施流程的源頭，其最終完成時間相比其它方案通常更早。而模擬機通常要優(yōu)先于參考機組運行完成交付，因此在某些具有進度壓力的階段進行工程實施時，這種純模擬的仿真方式將會被臨時采用。

2.2 翻譯（Translation）

原理：翻譯式仿真方案是將DCS供應商已經(jīng)開發(fā)完成的組態(tài)圖借助專門的翻譯工具進行轉(zhuǎn)換解析，包括畫面、算法庫及邏輯圖的翻譯等，使經(jīng)過翻譯后生成的文件可以運行在模擬機仿真平臺上。由于真實DCS平臺算法邏輯除了根據(jù)上游設計而繪制的執(zhí)行控制、保護、調(diào)節(jié)功能的邏輯外，還有根據(jù)平臺自身特性設計的，如自診斷邏輯、CPU負荷監(jiān)測等，因而涉及平臺自身特性的算法邏輯因在模擬機仿真平臺上運行無意義，所以應加以識別并單獨處理[8]。

利弊：相比純模擬的方式，它同樣應用模擬機環(huán)境，因此在部分文章里也有將其歸為純模擬方式一并討論的。由于該方案使用真實DCS組態(tài)數(shù)據(jù)作為輸入，因而相比純模擬方式可以縮短建模周期并提供更高的建模逼真度。由其當DCS供應商不具備提供可應用于模擬機平臺的仿真軟件時，就只能選擇純模擬或翻譯式實施方案。

2.3 虛擬實物（Emulation）

原理：“虛擬”是相對于計算機過程控制系統(tǒng)中的真實DCS而言，其實現(xiàn)方式是將真實DCS在計算機中以特種形式再現(xiàn)。采用這種仿真方式的模擬機供應商需要儀控系統(tǒng)供應商提供控制邏輯及圖形界面的組態(tài)文件代碼才能繼續(xù)開展工作。這些在實際DCS系統(tǒng)中分散于各個控制器（DPU）的組態(tài)代碼將會被模擬機供應商移植到處于仿真環(huán)境下的一個通用計算機上，并在這個計算機中為每個控制器的可執(zhí)行組態(tài)代碼創(chuàng)建一個包含若干虛擬子機的虛擬運行環(huán)境，從而可以實現(xiàn)在系統(tǒng)構成上保持與實際儀控系統(tǒng)相同的拓撲結(jié)構。此種方案通常由DCS廠家基于DCS的平臺進行補充開發(fā)[9]。

利弊：由于此種方式采用的控制邏輯與人機畫面與實際DCS系統(tǒng)完全一致，因而可以在模擬機集成測試環(huán)節(jié)提前發(fā)現(xiàn)DCS控制邏輯或算法的問題，從而減輕真實機組現(xiàn)場調(diào)試階段的壓力。虛擬實物仿真方式的逼真度和可信度遠高于純模擬或翻譯式仿真，因此可以真正有效、經(jīng)濟和廣泛地應用于電廠運行人員培訓。但也正是因為這種實施方式的輸入文件來源于實際DCS供應商，因此在其具體實施過程中不論是時間進度還是資金成本都將受到供應商的制約。

2.4 激勵式（Stimulation）

原理：激勵式仿真有時也被稱為實物仿真，即在模擬機中使用與參考電站相同的儀控系統(tǒng)軟硬件來復現(xiàn)參考機組的儀控系統(tǒng)功能。因此，它的啟動時間最晚，因為需要等到DCS供應商的軟件硬件都具備復制條件后才能進行。為使其具備如運行、凍結(jié)及復位等模擬機所必備的功能，還要對其進行仿真功能開發(fā)。

利弊：這種仿真方式的最大特點是逼真度非常高，可以對主控室人機界面實現(xiàn)測試與驗證。但考慮實際儀控系統(tǒng)硬件體系龐大且價格昂貴，以及模擬機所必須的某些特有功能，如：“運行/凍結(jié)、減速/加速以及IC加載等”難以實現(xiàn)等諸多問題。因此，該方法幾乎不用于模擬機對儀控系統(tǒng)控制層的仿真，而主要用于對主控室中操作員站及硬盤臺系統(tǒng)的仿真[6]。

3 仿真方案的選擇

通過對以上4種仿真方式的實施原理及利弊進行分析，可以發(fā)現(xiàn)每種實施方案各有其特點，將其特性進行分類并加以對比，可以得出如表1所示的關系。核電廠模擬機在實際工程應用中，這4種仿真方式各有其應用場景。

表1 4種實施方案的特性對比Table 1 Features comparison of the four technical solutions

1）全范圍模擬機

全范圍模擬機因為要滿足操縱員執(zhí)照考試的需求，其控制室的環(huán)境及硬件設施要求與真實電站主控室看起來完全相同，所以保真度是全范圍模擬機控制室最主要關注的特性。因此，激勵式仿真通常會被用在全范圍模擬機主控室的建造中。

2）教學仿真模擬機

由于安全性是核電廠運行的首要目標，因而除了對操縱員需要進行教學培訓以完成執(zhí)照考試外，還有現(xiàn)場作業(yè)及運行維護人員等也同樣需要獲得特定的培訓?？紤]全范圍模擬機造價昂貴，因此可以滿足眾多不同人員對特定學習需求的教學模擬機即成為核電廠用戶的又一需求。在這種背景下，經(jīng)濟性成為教學模擬機的首要關注特性。因此，相比全范圍模擬機，主控室的環(huán)境將采用純模擬的方式在計算機中實施。

3）新建機組模擬機

由于模擬機所承擔的培訓教學作用，因而通常要在核電廠正式商運前很長時間就要交付用戶，用于開展培訓工作以確保工作人員具備相應的運行操作能力。但模擬機DCS仿真開發(fā)過程所需的數(shù)據(jù)又有賴于真實工程的提供，為緩解這種需求與時間上的矛盾，通?？梢赃x擇在模擬機的建設初期采用純模擬的方式，雖然保真度低，但因為不依賴于DCS供應商，所以啟動時間早，可以提早開展與模擬機其他部分的集成工作。后續(xù)再在適當時候，將DCS部分替換升級為虛擬實物或激勵式仿真以滿足用戶的最終需求。

4）工程模擬機

以上3種實施方案是從核電廠最終用戶的需求角度進行的分析。在核電廠的建設過程中，有時還需要工程模擬機來滿足工程實施單位對設計開發(fā)過程的驗證需求。如儀控系統(tǒng)設計單位在完成控制策略的初步設計后，需要對其設計方案進行驗證。這種情況下，采用純模擬的方式將控制邏輯及人機畫面的設計文件在模擬機平臺上完成組建，即可實現(xiàn)動態(tài)模擬電廠的運行控制過程以檢驗控制策略的設計效果。DCS供應商在完成對設計院上游輸入文件的組態(tài)開發(fā)形成軟件后，則可采用虛擬實物的方式集成到模擬機的環(huán)境中，從而實現(xiàn)對組態(tài)開發(fā)環(huán)節(jié)的驗證。

4 結(jié)論與展望

綜上所述，仿真方案的選擇需要在理解各種仿真方式原理的基礎上，對不同用戶的需求進行分析，在比較各種方案的特性之后，最終做出權衡后的選擇。目前已有的4種仿真技術已經(jīng)可以采用單一或組合的方式，從多個角度滿足各類用戶在不同階段或場合的多種需求。近年來人工智能技術飛速發(fā)展，智能化的DCS實施方案也許會在不久的將來應用到核能領域。因此，模擬機DCS仿真技術需要持續(xù)的關注與開發(fā)以適應市場的新需求。