核電站DCS仿真的三種實現形式探討

魏 來，陳 森

（中核集團三門核電有限公司，浙江 三門 317112）

1 DCS仿真的定義

1.1 純模擬（Simulation）

純模擬，使用模擬機開發(fā)環(huán)境下的建模技術來復現參考機組的系統(tǒng)或子系統(tǒng)。由DCS仿真供貨商直接根據DCS的I/O清單、控制邏輯圖以及DCS圖形化控制界面進行仿真。

1.2 虛擬實物模擬（Emulation）

虛擬實物模擬，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運行環(huán)境下工作，其硬件平臺可以是模擬主機，也可以是獨立的計算機，來復現參考機組的系統(tǒng)或子系統(tǒng)。

1.3 實物模擬（Stimulation）

實物模擬，在模擬機中使用電站的真實系統(tǒng)或子系統(tǒng)的真實硬件和軟件來復現參考機組的相應系統(tǒng)或子系統(tǒng)。

以上簡要介紹了模擬機DCS仿真3種主要形式的定義和特點，下面將介紹DCS仿真的具體實現方法。

2 DCS仿真的具體實現方法

2.1 純模擬的實現方法

純模擬主要由DCS仿真供應商采用成熟的儀控組態(tài)軟件，使用電站提供的可用于組態(tài)的儀控I/O清冊、控制邏輯以及MMI人機接口界面對電站DCS直接組態(tài)供模擬機使用，主要包括點的組態(tài)、控制邏輯的組態(tài)以及圖形界面的組態(tài)3個步驟。

第一步，需要將建模過程中用到的外部變量以及內部變量在數據庫管理系統(tǒng)中完成定義，主要包括對模擬量輸入輸出（AI/AO）、數字量輸入輸出（DI/DO）以及控制算法中用到的一些中間變量點等進行定義并分組，由于核電站系統(tǒng)較多，通常百萬千萬級核電站的點數都在萬點以上。

第二步，使用控制邏輯組態(tài)軟件按照核電站核島、常規(guī)島以及公用系統(tǒng)的控制邏輯圖進行組態(tài)。

第三步，完成MMI圖形界面轉換與控制點以及控制邏輯相對應。

第四步，與工藝系統(tǒng)進行集成測試，與核電站實際控制系統(tǒng)進行對比完善，消除不一致以及偏差，完成后下裝入電站模型主機供使用。

2.2 虛擬實物模擬的實現方法

由DCS仿真供貨商將電站控制系統(tǒng)供貨商組態(tài)完成的控制邏輯以及算法，經過軟件翻譯的方式轉換為模擬機可用的邏輯與仿真平臺進行集成，包括點的翻譯、控制邏輯的翻譯、圖形界面組態(tài)與電廠DCS保持一致等。

模擬機供應商為保證模擬機DCS控制系統(tǒng)與核電站DCS系統(tǒng)的高度一致并減少開發(fā)工作量，通常采用Emulation的方式在電站DCS系統(tǒng)組態(tài)完成后通過特定的經過V&V（檢驗和確認）的翻譯軟件翻譯后供模擬機使用。

WEC公司在模擬機DCS虛擬實物仿真上具有豐富經驗，曾經使用過Rose以及OpenSim對DCS進行翻譯仿真。目前采用一種更為先進的Migration Tool的工具對全球多個核電項目進行DCS仿真，主要有Vogtle核電站的給水控制系統(tǒng)，McGuire核電站的核蒸汽供應系統(tǒng)等，以及正在建造中的浙江三門核電站以及Vogtle3號、4號機組模擬機的安全級控制系統(tǒng)以及非安全控制系統(tǒng)的DCS仿真實現。

2.3 實物模擬的實現方法

實物模擬主要考慮以真實的DCS機柜軟硬件來實現仿真，對比于實際核電站的DCS系統(tǒng)的四層結構，具有除電廠接口層（泵、閥、風機等執(zhí)行機構以及傳感器等測量元件）以外的過程處理層，實時數據傳輸網絡以及操縱員層在內的其他三層結構。

3 三種仿真方式的優(yōu)缺點

3.1 純模擬的優(yōu)缺點以及適用項目

優(yōu)點：

（1）使用電站I/O清冊以及控制邏輯圖進行組態(tài)，在一定程度上可以避免DCS承包商設計組態(tài)工期滯后對模擬機工程進度的影響。

（2）較少地使用DCS系統(tǒng)硬件，節(jié)約成本，便于硬件維護。

（3）有利于打破DCS供貨商以及模擬機供貨商作為一家供應商時壟斷要價的局面。

缺點：

（1）模擬機設計階段需要向模擬機承包商提供大量文件、圖紙，工作量較大且繁瑣。

（2）DCS仿真過程組態(tài)的工作量較大，相當于對DCS重新組態(tài)，模擬機供貨商人力成本增加較大，直接增加了模擬機建造成本。

（3）與實際DCS控制系統(tǒng)存在偏差以及不一致的風險，需要長期驗證消缺。

（4）變更以及記錄較難，需要模擬機維護人員具備很高程度的DCS組態(tài)變更維護能力。

適用項目：

從純模擬的特點來看，主要適用于控制點數較少，組態(tài)規(guī)模較小的DCS系統(tǒng)。核電站由于控制點數較多（相對于火電站），DCS組態(tài)周期長且工作量較大，模擬機供貨商組態(tài)人力的投入將直接導致模擬機建造費用增加，一般情況下不建議單獨由模擬機仿真供貨商采用純模擬的方式單獨進行模擬機DCS仿真，而是建議采用DCS供貨商與模擬機供貨商共同合作開發(fā)的方式進行模擬機DCS仿真，從而共享部分組態(tài)技術成果達到有效降低模擬機建造成本的目的。

3.2 虛擬實物模擬的優(yōu)缺點以及適用項目

優(yōu)點：

（1）采用成熟的經過V&V（檢驗和確認）的軟件將組態(tài)完成的DCS文件進行翻譯，使用可靠性高，成本較低，耗時較少。

（2）較少地使用DCS系統(tǒng)硬件，節(jié)約成本，便于硬件維護。

（3）能夠較好的與實際DCS系統(tǒng)保持一致。

（4）DCS組態(tài)文件易于維護和變更控制。

缺點：

（1）受限于DCS組態(tài)進度，DCS可用于模擬機的文件釋放點時間必須保證模擬機可以按時用于核電站操縱員培訓。

（2）在核電站DCS與模擬機非同一家供貨商時，DCS供貨商由于知識產權保護等原因可能拒絕向模擬機供貨商提供一些組態(tài)源代碼以及核心文件。

適用項目：

適用于控制點數較多，組態(tài)規(guī)模較大的核電DCS仿真。但是對于新建核電項目，尤其是沒有參考電站的核電項目，潛在存在的DCS的設計以及組態(tài)等工程進度滯后等不利因素可能對DCS仿真乃至模擬機按時可用造成沖擊。

3.3 實物模擬的優(yōu)缺點以及適用項目

優(yōu)點：

（1）使用DCS真實硬件和軟件最大限度地實現仿真。

（2）徹底消除模擬機DCS與實際DCS的不一致以及偏差。

缺點：

（1）由于大量采用DCS硬件，對于規(guī)模較大的系統(tǒng)將直接導致模擬機成本增加。

（2）增加了DCS硬件維護工作量。

（3）受制于DCS設計組態(tài)進度。

適用項目：

實物模擬主要適用于控制點數較少，采用DCS硬件較少的DCS系統(tǒng)，不適用于大規(guī)模的核電站模擬機DCS仿真設計。

但是，對于已有模擬機核電站的部分系統(tǒng)DCS改造，在涉及硬件較少的情況下可以考慮采用實物模擬的實現途徑。

4 小結

核電站模擬機DCS仿真需要最大限度地反映機組DCS真實設計，同時由于模擬機的可用必需按時滿足核電站操縱員培訓，因此對于核電站DCS仿真的實現形式選擇時就需要在經濟性、精確性、變更易維護以及對工程項目的時間進度影響等方面進行綜合考慮，根據項目實際情況選擇最有利的實現途徑。

[1] Jin Joo Lee, Paul A. Fishwick. Real-Time Simulation-Based Planning for Computer Generated Force Simulation[R], 1994：10-63.

[2] Richard H. Hill. Simulation, emulation, &translation[J]，SIMULATION Feb 1968，10: 81-84.