核电站安全级DCS虚拟系统的设计与开发

黎知行，章 旋

（中广核(北京)仿真技术有限公司，深圳 518115）

0 引言

单元机组正朝着大容量、高参数和高自动化方向发展，核电站日趋复杂，人们对核电运行的安全性和经济性也越来越重视，对机组运行人员专业知识、操作技能和排除故障应变能力的要求也越来越高。因此，实施核电站机组的仿真系统，特别是安全级DCS 高逼真度仿真系统，在运行人员的技能培训方面起到了重要作用。

由于控制器参数整定等工作都在现场反复摸索和试验，需要花费大量时间和精力，并且受现场条件的限制，这些工作可以在仿真系统上完成预期确定控制方案和控制参数大大减少现场调试次数。

控制系统优化不是简单地对现有控制器调节参数进行调整，而主要是研究采用新型控制结构和新型控制算法的控制算法，在实际投运之前在仿真系统上进行详细的试验，熟悉和掌握其运行特性，验证其可行性，降低直接应用于实际DCS中引起的安全风险。

1 技术方案

本文采用的过程数学模型仿真平台是美国MSC公司的3KeyMaster软件。其可实现图形化建模、参数修改和编辑组态；利用软件的仿真建模工具建立全物理过程的动态数学模型。

以日本三菱MELTAC-N plus R3系统为虚拟对象，采用Visual Studio 9.0编程工具，在Windows系统上设计和开发基于虚拟DCS技术并且运行于3KeyMaster仿真平台上的高逼真度的虚拟控制系统软件，完成安全级DCS Level1控制逻辑功能。实现与Level0过程数学模型的一体化仿真结构，使得Level0与Level1之间的数据交互更加快速更加高效，给日常维护带来很大方便。另外，Level1虚拟系统具有Level0仿真平台的一些固有功能：如加速、冻结、快照、回放等等。

实现安全级DCS虚拟控制软件的技术关键：一是开发功能块算法软件、数据接口软件和任务控制管理软件，建立虚拟运行平台；二是开发智能解析转换软件。

虚拟DCS采用对实际DCS工程组态文件进行智能解析转换的方式实现真实DCS的平台转移和控制功能再现。其变量定义、控制参数、功能算法和图形外观信息完全来源于工程文件，使得模拟机安全级控制系统的更新方便快捷，避免由于手工编码或者绘制而产生的错误。

2 功能软件开发

运用面向对象的设计方法，开发与真实METAC-N plus R3系统功能块接近的算法软件，功能块算法类的数据成员和成员函数能正确表现实际DCS系统需要被虚拟的功能，在Visual Studio 9.0环境下编译生成.exe的程序文件，作为在3KeyMaster平台运行的task，完成功能算法、控制逻辑图的调用和数据流控制功能。

2.1 功能块算法

功能块是Level1控制系统最底层的程序模块，是为了实现某一特定的控制功能而编写的算法。首先，根据MELTAC系统的功能块说明书中的功能描述说明，进行功能块算法解析；其次，采用面向对象的方法，将所有的功能块定义为结构体来处理，结构体类型数据定义在3KeyMaster平台的Type文件中，编制相应的功能块算法实现程序；最后是在3KeyMaster平台上进行功能块的测试，验证其运算的准确性和响应的快速性。功能块算法一一对应于MELTAC系统的真实控制算法，功能块名和功能块变量名采用与MELTAC系统相同的名称，这里主要有以下四大类算法功能块：

1）数字控制功能块；如AND、OR、RS、2OF3、ON DELAY等等。

2）模拟控制功能块；如ADD，SUB、SQRT、DIFF、DTIM、LAG、LLAG等等。

3）扩展功能块；如 ABM、ABS1、ABS2、GT、TE、FX20、LMT等等。

4）输入输出功能块；如AI、AO、DI、DO、CDI等等。

另外，功能块不仅要跟DCS系统保持相同的算法，还要保持比较相近的图形外观，功能块图如图1所示。

图1 功能块图

当功能块算法发生变更或添加新功能块时，只需对发生变化和新添加的功能块重新编译，达到了修改方便，复用性好的效果。

2.2 T ask任务

虚拟系统控制软件要在3KeyMaster平台上运行才能实现Level1的控制层功能，这就需要设计用来实现对虚拟系统控制和管理的task。 可由3KeyMaster的运行系统自动或用户手动完成虚拟系统的启动、冻结和停止。

Task完成以下三个功能：

1）识别控制策略中的数据流向；

2）按照数据流向顺序调用功能块；

3）完成功能块具体特定的逻辑算法。

3 智能解析转换软件

安全级DCS虚拟系统开发的关键部分是要分析实际DCS的核心代码，保持与原DCS系统相同的逻辑层次结构（见图2）。DCS的核心代码是有多个控制站程序代码组成的，控制站是由实时功能块(FB)按照一定的顺序连接构成的，每一条代码都是在控制器的CPU中执行，各控制器之间和工作站之间通过网络进行实时通讯，实现DCS控制功能。

图2 安全级Level1结构

POL（Problem Oriented Language）是用于三菱核电站仪控系统MELTAC-N plus R3中的控制语言，可实现核电站安全级常规控制和异常保护的高可靠控制逻辑和功能组态。每一个控制器中的控制方案是由控制页（control sheet）构成的，控制页由是有功能块构成的，功能块是由输入输出变量、中间参数和算法构成的。

开发智能转换软件VTR用于对MELTAC Level1各机柜控制器组态完成的工程文件进行扫描解析。在自动解析完成后，一方面，根据功能块类的输入输出变量数目、类型等方面相关信息自动建立3KeyMaster中相对的Type定义；另一方面，自动生成3KeyMaster平台上运行的控制逻辑图以及相关文件。

3.1 控制逻辑页面

逻辑页面的生成包括整个控制系统技术的全部内容，如数据库、初始化、信号连接、控制组合和接口界面等方面。虚拟DCS的自动生成处理原则上不需要人工干预。

由于DCS的工程文件不是统一的格式，需要进行智能化判断和规格化处理，生成规范的虚拟DCS程序语义库。

使用该转换软件工具VTR，根据工程组态文件的功能块变量、类型、数量、位置、连接等等信息生成3KeyMaster平台上运行的页面drawing，即.page文件和.trs文件。每一张Sheet页面对应于3KeyMaster平台上的每一页面。转换结果如图3所示。

图3 逻辑图

3.2 逻辑执行顺序

3KeyMaster平台是按照一种层次化的工程树型结构进行组织的，这些层次化的结构中包含了如下的元素：Project、Book、Chapter和Drawing。Project是位于整个仿真软件的层次化结构的最顶层，是一组相关联的仿真元素。它包含Task、Type、Book、Chapter等等；Book 中包含 Chapter、Drawing、Book等等；Drawing是仿真系统的系统流程图。

根据工程组态文件中的信号流向，页面调用顺序信息，生成与相对应的3KeyMaster中的工程树型结构，确保虚拟系统功能块执行顺序跟原系统保持一致。

采用跟图2相类似的程序层次结构，控制站对应于3KeyMaster中的与控制站名字相同的Book，Sheet对应与Sheet名字一样的drawing，如图4。

4 数据交互

图4 控制逻辑结构

Level1虚拟系统融合到过程仿真平台上，不仅方便仿真系统的维护管理，还使得过程仿真模型跟虚拟DCS系统之间的数据交互变得简单、快速。具有以下一些特点：

1）系统的一体化，方便对点、调试等工作；

2）数据交互的处理方法也简单；使用Assign文件即可实现不同变量之间的数值传递。

3）系统的集成，使得网络之间的通讯转变成本机之间的数据交换，提高通讯速度和效率。

5 结束语

本文运用面向对象程序设计技术开发了针对安全级三菱MELTAC系统虚拟Level1功能软件，它充分利用虚拟DCS技术的高度逼真性和开放性，实现了控制逻辑功能。能够真正有效、经济、广泛地实现操作员培训、设计调试、控制参数整定、控制策略优化和系统反事故演练等一系列功能。

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