用于核電設(shè)計(jì)驗(yàn)證的工程仿真機(jī)仿真技術(shù)分析

鄭明

【摘 要】利用工程仿真機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)核電機(jī)組設(shè)計(jì)的評(píng)估驗(yàn)證已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，本文收集分析了一些工程仿真機(jī)主流的仿真技術(shù)，以總結(jié)分析各種技術(shù)方法的特點(diǎn)，供核電站設(shè)計(jì)、核電安全評(píng)估參考。工程仿真機(jī)從仿真技術(shù)上來(lái)說(shuō)可以分為三層：底層工藝系統(tǒng)，儀控系統(tǒng)的控制和保護(hù)層（DCS level 1），儀控系統(tǒng)的操作和信息管理層（DCS level 2）。本文分別就這三個(gè)部分的仿真技術(shù)進(jìn)行分析，總結(jié)不同技術(shù)方法各自特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

【關(guān)鍵詞】工程仿真機(jī)；DCS level 1；DCS level 2

0 前言

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在核動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，包含核電嚴(yán)重事故分析，核設(shè)備設(shè)計(jì)、核電設(shè)計(jì)驗(yàn)證、核電培訓(xùn)、核電機(jī)組調(diào)試、核動(dòng)力相關(guān)實(shí)驗(yàn)等等。在這些應(yīng)用中各有特點(diǎn)：核電嚴(yán)重事故分析方面要求仿真精度高；核設(shè)備設(shè)計(jì)注重力學(xué)分析、傳熱計(jì)算等；核電設(shè)計(jì)驗(yàn)證強(qiáng)調(diào)靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)；核電培訓(xùn)要求逼真度高，范圍全、實(shí)時(shí)性好；核電機(jī)組調(diào)試可用到仿真技術(shù)代替實(shí)際設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀控系統(tǒng)的調(diào)試；核相關(guān)實(shí)驗(yàn)利用了軟件模擬各種現(xiàn)實(shí)情景，為實(shí)物實(shí)驗(yàn)增添了擴(kuò)展空間。

用于核電設(shè)計(jì)驗(yàn)證工程仿真機(jī)在核電驗(yàn)證中的應(yīng)用已經(jīng)有了多個(gè)實(shí)例（如方家山、福清、昌江核電機(jī)組中的儀控設(shè)計(jì)驗(yàn)證）。用工程仿真機(jī)來(lái)輔助設(shè)計(jì)、驗(yàn)證設(shè)計(jì)已經(jīng)是目前成熟的技術(shù)手段。它可以是全范圍工程仿真機(jī)，也可以是小范圍的桌面型仿真機(jī)?？捎糜趦x控系統(tǒng)的操作和信息管理層設(shè)計(jì)驗(yàn)證、儀控系統(tǒng)的控制和保護(hù)層設(shè)計(jì)驗(yàn)證、工藝系統(tǒng)改進(jìn)驗(yàn)證、運(yùn)行規(guī)程驗(yàn)證等等。本文主要收集和分析實(shí)現(xiàn)工程仿真機(jī)的仿真技術(shù)。

1 工程仿真機(jī)的架構(gòu)

工程仿真機(jī)就仿真技術(shù)可以分為兩個(gè)部分，工藝系統(tǒng)部分和儀控系統(tǒng)。工藝系統(tǒng)，包括現(xiàn)場(chǎng)重要設(shè)備（如反應(yīng)堆，蒸汽發(fā)生器）、泵閥通用設(shè)備、管道、測(cè)試儀表等。儀控系統(tǒng)又可以分為兩層，儀控系統(tǒng)的控制和保護(hù)層（DCS level 1），包括設(shè)備控制、安全保護(hù)等儀控系統(tǒng)的控制和保護(hù)層；儀控系統(tǒng)的操作和信息管理層（DCS level 2），包含DCS人機(jī)交互的操作界面、信息監(jiān)視界面等。

工藝系統(tǒng)基本上是用仿真工具進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)方式大同小異。目前主流的方法較過(guò)去的進(jìn)步就是實(shí)現(xiàn)了圖形化，將設(shè)備、管道在建模工具上作為部件使用，按照電廠系統(tǒng)流程圖繪制，然后生成代碼。

儀控系統(tǒng)的控制和保護(hù)層差異較大，實(shí)現(xiàn)方法目前可分為如下幾種方式：手動(dòng)建模、翻譯仿真、DCS虛擬機(jī)、實(shí)物仿真。

儀控系統(tǒng)的操作和信息管理層的實(shí)現(xiàn)一般有兩條途徑：實(shí)物仿真或用其它軟件進(jìn)行模擬開(kāi)發(fā)，完成與實(shí)際人機(jī)交互軟件相同功能的軟件開(kāi)發(fā)。

2 工程仿真機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式

工程仿真機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式從仿真構(gòu)架上來(lái)說(shuō)就是將上述提到的工藝系統(tǒng)、DCS level 1、DCS level 2分別實(shí)現(xiàn)。同時(shí)在整個(gè)構(gòu)架中需考慮三層之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換及命令的傳遞與執(zhí)行等，下面分別介紹工藝系統(tǒng)、DCS level 1、DCS level 2的實(shí)現(xiàn)方式。

2.1 工藝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

底層工藝系統(tǒng)一般用仿真工具進(jìn)行建模，目前主流的方法基本上是圖形化建模，按照電廠系統(tǒng)流程圖繪制成流網(wǎng)圖，然后生成代碼。本文舉一個(gè)建模平臺(tái)的例子以說(shuō)明：

通用仿真平臺(tái)包含多個(gè)子軟件，這里介紹其中較核心的三個(gè)：

仿真支撐軟件是模擬機(jī)開(kāi)發(fā)和運(yùn)行的基礎(chǔ)，它包括以全局共享數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的多個(gè)進(jìn)程，提供對(duì)仿真模型軟件開(kāi)發(fā)與調(diào)試、系統(tǒng)集成、仿真機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行與維護(hù)等仿真機(jī)全壽期的支持。仿真支撐軟件的主同步程序用于各實(shí)時(shí)執(zhí)行程序（模型軟件）的調(diào)度和共享內(nèi)存數(shù)據(jù)交換機(jī)制的維護(hù)，包括實(shí)現(xiàn)對(duì)控制集合和I/O讀寫(xiě)進(jìn)程的調(diào)度，以及與通訊進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換。工程仿真機(jī)的模型軟件基于主同步程序進(jìn)行調(diào)度。

通過(guò)對(duì)電廠流程圖的簡(jiǎn)單分析，可以繪制為對(duì)應(yīng)的流網(wǎng)圖，圖中各部件根據(jù)設(shè)計(jì)資料填入?yún)?shù)，完成后生成執(zhí)行碼。將所有要模擬的范圍照這個(gè)方式完成流網(wǎng)圖即完成了工藝系統(tǒng)層仿真的主要工作。

2.2 儀控系統(tǒng)的控制和保護(hù)層（DCS level 1）實(shí)現(xiàn)

工程仿真機(jī)儀控系統(tǒng)的控制和保護(hù)層（DCS level 1）的實(shí)現(xiàn)方法比較多樣，目前可分為如下幾種方式：手動(dòng)建模、翻譯仿真、DCS虛擬機(jī)、實(shí)物仿真。

2.2.1 手動(dòng)建模

正向控制邏輯建模所參考的數(shù)據(jù)是由設(shè)計(jì)單位提供的圖紙，設(shè)計(jì)圖紙并是不是組態(tài)圖，只反映了控制原理。

設(shè)計(jì)圖上使用到的控制部件僅包含單一的功能，且沒(méi)有詳細(xì)規(guī)定算法的變量名，部件和部件間的數(shù)據(jù)傳遞也僅僅標(biāo)注了方向。設(shè)計(jì)圖紙是一種示意圖，用于傳達(dá)基本的控制設(shè)計(jì)，工程仿真機(jī)的實(shí)現(xiàn)方需要根據(jù)自身對(duì)于設(shè)計(jì)圖紙的理解，使用仿真平臺(tái)的通用基本部件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制設(shè)計(jì)。

控制模型工程師對(duì)于控制設(shè)計(jì)理解的正確性會(huì)直接影響到最終的控制邏輯的正確性。對(duì)于非邏輯部件，則需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)試，方能確定合適的參數(shù)。

2.2.2 虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)方法

虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠直接使用DCS組態(tài)的文件，能夠和DCS組態(tài)保持完全的一致性，具有相同的響應(yīng)，模擬精確度是最高的，而且也節(jié)省了二次開(kāi)發(fā)的工作量。但是采用虛擬機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)工程仿真機(jī)的模擬有其局限性，一般來(lái)說(shuō)虛擬機(jī)的模擬方式只能由DCS廠商自己實(shí)現(xiàn)。因?yàn)椴煌腄CS廠商進(jìn)行組態(tài)后下裝的文件是不一樣的，文件的內(nèi)容和格式都是由廠商自定義的，對(duì)于其他使用者來(lái)說(shuō)是基本無(wú)法解析的黑匣子。DCS廠商的組態(tài)下裝文件只能被其自主開(kāi)發(fā)的平臺(tái)所解析并調(diào)用，很難與其他的平臺(tái)相融合，也就很難做到在其他的仿真平臺(tái)上正常運(yùn)行。而且考慮到新建電廠DCS完成的時(shí)間進(jìn)度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于工程仿真機(jī)完成的時(shí)間要求，所以如果要滿足工程仿真機(jī)用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證，則要求DCS組態(tài)時(shí)間必須提前，這樣是不合理的，會(huì)造成正確性和完整性降低等一系列問(wèn)題。

2.2.3 實(shí)物仿真實(shí)現(xiàn)方法

實(shí)物仿真即采購(gòu)與仿真對(duì)象完全一致的軟硬件，型號(hào)和個(gè)數(shù)需要達(dá)到一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。相當(dāng)于將實(shí)際DCS的設(shè)備用于制造工程仿真機(jī)，這種方式實(shí)現(xiàn)的工程仿真機(jī)最接近實(shí)際核電站，最具有說(shuō)服力。控制邏輯、操作界面完全一致，僅現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和流網(wǎng)需用傳統(tǒng)的仿真平臺(tái)進(jìn)行模擬，并與實(shí)際DCS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但其造價(jià)很高，且實(shí)現(xiàn)凍結(jié)、重演等仿真機(jī)的重要功能也比較困難，核電站的工程仿真機(jī)很少采用實(shí)物仿真的實(shí)現(xiàn)方法。

2.2.4 翻譯仿真的實(shí)現(xiàn)方法

除了三種主流的工程仿真機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，在特定條件下，可以采用翻譯的實(shí)現(xiàn)方式。翻譯是介于正向全仿和虛擬機(jī)之前的實(shí)現(xiàn)方法，用翻譯的方法進(jìn)行模擬的首要條件是翻譯源文件的獲取。翻譯源文件并不是DCS組態(tài)下裝的文件，但是其包含了DCS組態(tài)的所有信息，且能夠被正確的解析。因?yàn)榉g沒(méi)有正向組態(tài)的過(guò)程，所以采用翻譯方法能夠模擬的范圍取決于翻譯源文件所包含內(nèi)容的范圍。如果要實(shí)現(xiàn)全范圍仿真，則必須得到核電站進(jìn)行了完整的DCS組態(tài)之后。

2.3 儀控系統(tǒng)的操作和信息管理層（DCS level 2）實(shí)現(xiàn)

儀控系統(tǒng)的操作和信息管理層的實(shí)現(xiàn)一般有兩條途徑：實(shí)物仿真或進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。

2.3.1 DCS level 2實(shí)物仿真

DCS level 2實(shí)物仿真與DCS level 1的實(shí)物仿真方式一樣，由DCS供應(yīng)商直接對(duì)軟件進(jìn)行適應(yīng)性開(kāi)發(fā)，使其可以與DCS level 1及底層工藝系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和命令執(zhí)行。

實(shí)物仿真方式優(yōu)點(diǎn)是界面和操作感受完全一致，功能驗(yàn)證可信度很高。但因其供貨的單一性，造價(jià)通常比較高，且多因商業(yè)動(dòng)作存在一定的技術(shù)壁壘。

2.3.2 DCS level 2軟件開(kāi)發(fā)

DCS level 2軟件開(kāi)發(fā)就是對(duì)已知的界面、功能進(jìn)行開(kāi)發(fā)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求或與已有的實(shí)際DCS level 2一致。這里就存在兩種情況，一種是在實(shí)際DCS還未出現(xiàn)時(shí)，僅有設(shè)計(jì)理念或設(shè)計(jì)文件支撐，另一種情況就是已經(jīng)有了目標(biāo)DCS level 2，對(duì)它進(jìn)行依照開(kāi)發(fā)。這兩種情況從技術(shù)手段來(lái)說(shuō)沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。

軟件開(kāi)發(fā)方式實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是靈活性較高，在DCS level 2尚在設(shè)計(jì)階段就可以實(shí)施，不同的階段逐步變化，對(duì)DCS level 2設(shè)計(jì)前期有較大的作用。缺點(diǎn)是在實(shí)際DCS level 2成形后，開(kāi)發(fā)出來(lái)的版本與實(shí)際版本不可避免有一些細(xì)微的差別，用于驗(yàn)證的可信度稍欠。

下面就DCS level 2的軟件開(kāi)發(fā)架構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。DCS level 2軟件可分為三個(gè)基本層次，定義為：

1）界面層：為運(yùn)行在OWP（Operator Work Panel，操作員工作臺(tái)）上的軟件，主要為操作員人機(jī)交互界面。

2）功能代理層：運(yùn)行在OWP上，作為界面和數(shù)據(jù)服務(wù)、通信服務(wù)的接口，解除了系統(tǒng)服務(wù)軟件和界面的耦合性。

3）數(shù)據(jù)服務(wù)層：為各種DCS功能提供全局服務(wù)，例如DCS level 1的數(shù)據(jù)接口軟件為level 2提供Level 1的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3 小結(jié)

用于驗(yàn)證的仿真技術(shù)多種多樣，主流方法也各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于驗(yàn)證的各種目的、時(shí)期、場(chǎng)合。下表是各技術(shù)方法的分析總結(jié)。

表1 仿真方法總結(jié)

【參考文獻(xiàn)】

[1]曲鳴.數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái)總體設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)[S].

[2]魯星言.基于翻譯技術(shù)的壓水堆核電站DCS level 1仿真實(shí)現(xiàn)[J].

[3]徐奎.核電廠非安全級(jí)HMI軟件研制項(xiàng)目監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)[S].

[4]S3 Technologies，US3 User Guide，Columbia，Maryland（October 1992）Release 3.

[責(zé)任編輯：田吉捷]