基于仿真技術(shù)的核電DCS驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐雷　徐海燕　劉盈　王雅峰　龐勃

摘 要

數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）作為核電站的中樞神經(jīng)，對(duì)核電站的安全性、經(jīng)濟(jì)性起著至關(guān)重要的作用。由于DCS系統(tǒng)功能的多樣性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，如何有效證明DCS系統(tǒng)的正確性和可靠性成為了業(yè)內(nèi)難題，本文就如何利用仿真技術(shù)在DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試等不同階段開展驗(yàn)證活動(dòng)進(jìn)行了分析，給出了典型DCS驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)施方案，為開展DCS系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證提供技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞

仿真;核電;Dcs驗(yàn)證

中圖分類號(hào)： G633.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.046

0 概述

驗(yàn)證活動(dòng)是保證DCS正確性、可靠性的重要手段。由于DCS系統(tǒng)具有復(fù)雜的軟硬件結(jié)構(gòu)，在DCS系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，DCS內(nèi)部以及DCS與被控對(duì)象之間存在很強(qiáng)的時(shí)序相關(guān)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，這些動(dòng)態(tài)特性的存在使得傳統(tǒng)的靜態(tài)驗(yàn)證方法與經(jīng)驗(yàn)并不完全適用，需要借助動(dòng)態(tài)的方法來提高驗(yàn)證活動(dòng)的覆蓋面及效率。

1 核電DCS典型結(jié)構(gòu)

核電廠DCS系統(tǒng)采集電廠各種模擬、數(shù)字信號(hào)，經(jīng)DCS系統(tǒng)運(yùn)算與處理后，將控制指令送往現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)向主控室等提供所需的電廠狀態(tài)信息。典型的DCS可劃分為4層：

1）0層（工藝系統(tǒng)層），主要包括現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)裝置和設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集和控制動(dòng)作的執(zhí)行;

2）1層（過程控制層），負(fù)責(zé)對(duì)0層采集信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，并輸出動(dòng)作指令給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)核電廠控制、保護(hù)功能;

3）2層（操作顯示層），負(fù)責(zé)收集1層測(cè)量、控制信號(hào)，提供給運(yùn)行人員進(jìn)行監(jiān)視;收集運(yùn)行人員的操作指令，并將指令下發(fā)到1層進(jìn)行邏輯運(yùn)算等;

4）3層（管理層），負(fù)責(zé)從2層收集運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并為管理和技術(shù)支持人員提供數(shù)據(jù)監(jiān)視手段。

2 驗(yàn)證需求

根據(jù)DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的特點(diǎn)，其驗(yàn)證活動(dòng)可分為方案設(shè)計(jì)、工廠實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等三個(gè)階段。

2.1 方案設(shè)計(jì)階段

方案設(shè)計(jì)是根據(jù)核電廠設(shè)計(jì)需求規(guī)范，完成包含1層控制邏輯和2層人機(jī)界面的設(shè)計(jì)方案。方案設(shè)計(jì)階段主要成果包括控制原理圖、控制參數(shù)設(shè)定值、控制系統(tǒng)接口清單等。

方案設(shè)計(jì)階段的驗(yàn)證需求是：根據(jù)核電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，開展控制系統(tǒng)方案驗(yàn)證，驗(yàn)證控制功能、優(yōu)化控制參數(shù)，其驗(yàn)證活動(dòng)實(shí)施主體是核電廠設(shè)計(jì)單位。

2.2 工廠實(shí)現(xiàn)階段

工廠實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是在特定的DCS系統(tǒng)上正確實(shí)現(xiàn)控制方案所要求的控制功能。一方面根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用DCS工程組態(tài)軟件完成控制邏輯組態(tài);另一方面根據(jù)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)需求，完成硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置。最終完成軟硬件的集成，獲取具備完整控制保護(hù)功能的DCS系統(tǒng)。工廠實(shí)現(xiàn)階段的主要成果包括DCS軟硬件集成系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)I/O接口清單。

為保證工廠實(shí)現(xiàn)階段軟件、硬件及其集成系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。必須開展部件單元測(cè)試、分系統(tǒng)測(cè)試、系統(tǒng)集成測(cè)試等測(cè)試驗(yàn)證活動(dòng)，其驗(yàn)證活動(dòng)實(shí)施主體是DCS供應(yīng)商。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段

DCS系統(tǒng)交付到核電廠現(xiàn)場(chǎng)后，需在核電廠的儀控設(shè)備間、主控室等場(chǎng)所進(jìn)行安裝、集成和調(diào)試，并按照核電廠調(diào)試要求開展相關(guān)驗(yàn)證活動(dòng)，排查通道分配不當(dāng)、現(xiàn)場(chǎng)接線錯(cuò)誤以及前期未發(fā)現(xiàn)的軟硬件缺陷等問題，確保DCS系統(tǒng)的正確性、可用性。現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證活動(dòng)實(shí)施主體是核電廠建設(shè)單位或運(yùn)營(yíng)單位。

3 DCS系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)方式

目前，針對(duì)DCS系統(tǒng)仿真主要有純模擬（Simulation）、虛擬實(shí)物模擬（Emulation）和實(shí)物模擬（Stimulation）三種實(shí)現(xiàn)方式[1]。純模擬是指用第三方軟硬件來模擬實(shí)現(xiàn)DCS的控制功能;虛擬實(shí)物模擬是采用與原DCS相同的軟件以及邏輯算法，通過普通計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備代替DCS硬件設(shè)備來實(shí)現(xiàn)DCS的控制功能;實(shí)物模擬則是使用真實(shí)DCS軟硬件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)DCS控制功能。這三種仿真實(shí)現(xiàn)方式的適用階段、技術(shù)途徑及驗(yàn)證效果有較大區(qū)別，需結(jié)合DCS驗(yàn)證的需求與條件進(jìn)行綜合選擇。

4 仿真技術(shù)應(yīng)用

DCS系統(tǒng)作為下游專業(yè)，其設(shè)計(jì)和驗(yàn)證必須依賴于被控對(duì)象的運(yùn)行特性，尤其是在復(fù)雜的閉環(huán)控制回路中，控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣與被控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性密切相關(guān)。如果沒有被控對(duì)象運(yùn)行特性的支持，僅僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與理論知識(shí)完成的DCS系統(tǒng)，無法達(dá)到最優(yōu)的控制效果，將不利于被控系統(tǒng)的挖潛增效。在運(yùn)行維護(hù)階段，涉及到控制方案優(yōu)化、控制參數(shù)調(diào)整以及技改方案驗(yàn)證等，也必須依賴于準(zhǔn)確的被控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性。針對(duì)這些問題，最好的解決辦法是借助于仿真技術(shù)，建立能夠準(zhǔn)確模擬被控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性的仿真模型，并為控制系統(tǒng)提供必要的實(shí)時(shí)運(yùn)行反饋，形成控制閉環(huán)，從而提高控制系統(tǒng)可靠性和整個(gè)核電廠的運(yùn)行效率。

針對(duì)DCS設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試等階段驗(yàn)證需求的特點(diǎn)，結(jié)合核電仿真技術(shù)現(xiàn)狀，從仿真系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真實(shí)現(xiàn)方式、系統(tǒng)集成方法等角度考慮，設(shè)計(jì)了一系列DCS仿真驗(yàn)證系統(tǒng)方案，以滿足不同階段的驗(yàn)證需求。

4.1 純模擬的DCS驗(yàn)證系統(tǒng)方案

通過利用各專業(yè)軟件構(gòu)建堆芯、熱工、流體以及DCS控制系統(tǒng)仿真模型。通過統(tǒng)一的仿真平臺(tái)，完成各專業(yè)軟件的通訊、同步、調(diào)度等，為DCS控制仿真方案提供一個(gè)多專業(yè)集成的測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

純模擬構(gòu)建的DCS驗(yàn)證系統(tǒng)可在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，各模塊間的數(shù)據(jù)通訊可通過共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)，并且可以靈活的進(jìn)行方案調(diào)整和參數(shù)修改，適合方案設(shè)計(jì)階段的驗(yàn)證需求。

4.2 虛擬實(shí)物的DCS驗(yàn)證系統(tǒng)方案

通過虛擬DCS系統(tǒng)與工藝系統(tǒng)仿真模型的搭配組合，可以構(gòu)建虛擬實(shí)物的DCS驗(yàn)證系統(tǒng)。其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

虛擬實(shí)物的DCS驗(yàn)證系統(tǒng)與純模擬的DCS驗(yàn)證系統(tǒng)的最大區(qū)別是，采用了與DCS一致的軟件系統(tǒng)和組態(tài)數(shù)據(jù)。各軟件模塊均可在不同計(jì)算機(jī)設(shè)備上運(yùn)行，并通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，不依賴實(shí)際DCS系統(tǒng)硬件，極大的降低了硬件成本。虛擬實(shí)物的DCS驗(yàn)證系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DCS的軟件系統(tǒng)和組態(tài)邏輯進(jìn)行全面的測(cè)試，適用于工廠實(shí)現(xiàn)階段的DCS軟件驗(yàn)證需求。

4.3 實(shí)物的DCS驗(yàn)證系統(tǒng)方案

通過將工藝系統(tǒng)仿真模型與DCS實(shí)體機(jī)柜進(jìn)行集成，從而獲取實(shí)物DCS驗(yàn)證系統(tǒng)。由于在核電廠中，DCS系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)傳感器或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)間的通訊信號(hào)全部由硬接線電纜傳送，因此，在實(shí)物DCS驗(yàn)證系統(tǒng)中，必須采用相同的接線方式來實(shí)現(xiàn)DCS機(jī)柜與仿真系統(tǒng)連接。實(shí)物DCS驗(yàn)證系統(tǒng)除了可以實(shí)現(xiàn)控制邏輯功能測(cè)試驗(yàn)證之外，還可以包括如通道測(cè)試、計(jì)算負(fù)荷、通訊負(fù)荷等硬件功能測(cè)試，全面驗(yàn)證DCS系統(tǒng)的軟硬件功能和性能。

但是由于核電廠DCS系統(tǒng)規(guī)模龐大，會(huì)造成完整的DCS實(shí)物驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建造、運(yùn)行和維護(hù)成本高等問題，搭建完整的DCS實(shí)物驗(yàn)證系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的。

4.4 半實(shí)物的DCS驗(yàn)證系統(tǒng)方案

由于搭建完整實(shí)物DCS驗(yàn)證系統(tǒng)存在著許多困難，通常通過實(shí)物機(jī)柜、虛擬DCS系統(tǒng)以及工藝系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建半實(shí)物的DCS驗(yàn)證系統(tǒng)，對(duì)重要的控制保護(hù)機(jī)柜進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證。半實(shí)物DCS驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3所示。

半實(shí)物DCS驗(yàn)證系統(tǒng)在虛擬DCS驗(yàn)證系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了實(shí)體DCS機(jī)柜，將DCS機(jī)柜通過定制的I/O接口系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)的閉合測(cè)試回路。適用于軟硬件集成階段及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段測(cè)試驗(yàn)證需求。

5 結(jié)論

由于仿真技術(shù)和DCS系統(tǒng)都是基于數(shù)字技術(shù)，具有天然的可融合性。選擇合適的仿真實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)集成方式，搭建閉環(huán)的DCS仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，可以滿足DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試等不同階段的驗(yàn)證需求。仿真技術(shù)的應(yīng)用使得DCS系統(tǒng)的驗(yàn)證的工作更高效、覆蓋面更廣、結(jié)果更可信。

參考文獻(xiàn)

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