全范围模拟机数字仪控系统全仿方案研究

徐 奎，张丹红

(1.中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北武汉430223；2.武汉理工大学自动化学院，湖北武汉430070)

全范围模拟机数字仪控系统全仿方案研究

徐 奎1，张丹红2∗

(1.中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北武汉430223；2.武汉理工大学自动化学院，湖北武汉430070)

全范围模拟机是核电操纵员培训的重要手段.传统的数字仪控系统仿真模拟方法存在着价格昂贵、数据难以采集、进度得不到保证等缺点.研究了一种结合功能模拟和翻译模拟的全范围模拟机数字仪控系统全仿方案，在项目前期采用功能模拟方式保证核电厂操纵员培训进度的要求，而维护阶段采用翻译模拟的方式，使用DCS实际机组的组态工程数据对模拟机进行数据更新.研究结果表明该DCS仿真软件在功能完整、各项性能指标与同类型核电用DCS软件相当，在满足模拟机培训需求的同时节约了成本.

核电；模拟机；仪控系统；全模拟

全范围模拟机是核电站培训核电操纵员的重要手段，而不同的全范围模拟机厂商的实现方式也不同[1－5].在某核电全范围模拟的研制项目中，权衡了各种模拟方式的特点，拟采用一种全模拟(Full Simulation)的方式对核电数字仪控系统进行仿真.

目前，国内尚无将数字仪控系统(DCS)全仿方案应用到核电模拟机研制中的案例.因此，本文将研究一种全范围模拟机DCS全仿方案[6－7]，该方案结合了功能模拟和翻译模拟两种功能，研究结果表明本文研制的DCS仿真软件功能完整、各项性能指标与同类型核电DCS软件相当，能满足模拟机培训的需求.

表1 常见的模拟仿真方法Tab.1 Common simulation methods

1 方案概述

对于DCS的仿真，通常有4种方法:实物模拟、仿真模拟、翻译模拟、功能模拟[8－11]，它们的主要特点如表1所示.

上述4种方法中，实物模拟方法主要用于工程验证，采用单一实物模拟的方式在核电站模拟机中几乎没有应用.

仿真模拟方法是当前最常用的方法，但是其缺点在于它依赖DCS生产商，价格昂贵、进度上又得不到保证[12].翻译模拟方法目前在国内火电厂得到了广泛的应用，这种方法的实质仍然是先采用用模拟开发与DCS模块接近，再将真实DCS下载文件翻译模拟的软件.因此这种方法的模拟精度和模拟方法相同，只是带来了方便.它直接从电厂取DCS下载文件到模拟机上，但是这种方法难以收集到需要的DCS数据资料[13].因此，这种仿真方式的进度需要依赖DCS厂商提交数据.功能模拟的开发进度则主要依赖设计院的设计数据的提交进度，但这种方式的模拟精度低[14].

如图1所示，本文提出的全模拟方案结合了功能模拟和翻译模拟的特点.在项目前期采用了功能模拟的方式，保证了核电厂操纵员培训的进度要求；而维护阶段采用了翻译模拟的方式，使用DCS实际机组的组态工程数据对模拟机进行数据更新.图1表示了基于DCS全仿方案设计的核电站全范围模拟机软件的层次结构，以及工程数据和DCS工程设计文件与仿真工程的关系.

在方案实施过程中，主要解决翻译仿真与功能模拟仿真结合的问题，以及DCS仿真平台的运行软件和翻译软件的设计与实现的问题.

图1 全模拟的软件与各种工程数据的关系Fig.1 The relationship between the full simulation software and the various engineering data

图2 全模拟的两个项目阶段Fig.2 Two phases of the full simulation

2 翻译模拟与功能模拟的结合

为了实现翻译模拟和功能模拟仿真在同一个全范围模拟机项目中使用，采取以下步骤:

1)定义能同时适用于两种方案的DCS一层和二层仿真数据格式.

2)设计实现DCS一体化的数据库，使系统具备数据一致性检查功能.

3)研发能运行在仿真平台上一层、二层数据的翻译软件，可以将实际电厂DCS的工程数据格式翻译成模拟机能运行的工程文件.

如图2所示，在开发阶段使用功能模拟的方案，将设计院的设计文件作为仿真工程的输入，确保了电厂培训的进度要求，降低了项目的执行风险.而在数据修正阶段，全范围模拟机使用了翻译仿真的方式将DCS厂商的工程数据作为工程输入，提高了工程数据的仿真精度.

3 DCS仿真方案

DCS仿真方案从总体上可以分成一层仿真方案(Level 1)和二层仿真方案(Level 2)两部分，在全范围模拟机项目的实际执行过程中，分别对其进行图形化建模仿真，下面分别介绍其具体建模内容.

3.1 DCS一层仿真方案

王哲(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向为表面增强拉曼散射及其应用. Email:zhewangscience@163.com

在项目前期阶段，采用由设计院提供的参考机组DCS控制逻辑组态设计文件作为模拟机的设计输入，并参照模拟机项目的设计功能进行DCS部件的建立，增加DCS的特定部件库.采用模拟机的工程部件开发工具作为DCS的Level 1仿真软件的开发工具，使用开发出的DCS部件库进行图形化建模.建模工具生成的DCS的Level 1仿真程序在仿真运行平台下运行，由模拟机支撑平台软件实时调度.根据DCS系统的IO点清单，在仿真图中加入DCS仿真系统与工艺以及DCS二层仿真系统的接口，生成相应的DCS仿真模型接口变量，与其它模拟机系统进行数据交换.

在数据修正阶段，模拟机投入运行以后，以DCS厂商提交的控制逻辑组态文件作为模拟机的设计输入进行模拟机修正.

3.2 DCS的二层仿真平台软件

为了满足核电DCS仿真软件的功能需求，在核电DCS的仿真系统中，除了处理DCS固有操作和状态管理以外，还会处理教控操作，例如:复位、冻结、状态存储、重演等.因此，DCS仿真软件具有数据量大、通信负载重、计算复杂度高的特点.

为了满足DCS全范围模拟机的数据需求，在DCS二层仿真运行平台的开发过程中.按照软件的功能划分，该软件可分为运行平台软件和离线翻译软件两个部分.

3.2.1 运行平台软件.运行平台软件是DCS仿真工程数据的运行载体，主要包含以下几个方面的内容.

1)DCS监控软件的实现.DCS二层监控软件作为替代传统操作盘台的人机操作工作站.软件主要通过直观的流程图界面，实现对硬件点的控制和监测.另外，DCS其他的应用界面还具有重要参数监视、报警及故障提示、运算和操作验证等功能，以辅助操作员对反应堆发电过程状态的全面了解.

从功能角度看，画面、报警、趋势作为DCS仿真软件的核心功能，是核电厂操作员的主要信息来源和操作对象.从软件开发角度看，画面、报警、趋势占据了DCS仿真软件系统的大多数系统资源，并与所有的基础通信和数据服务有着密切的关系，其性能关系到DCS二层软件的整体性能，是监控软件开发的关键.

2)实时数据通信方案设计.实时数据通信的可靠性和效率直接决定了整个仿真系统的稳定性和运行效率.项目中，DCS的I/O点数大于3000，数据大于50万点，各种DCS画面大于7000张.通过项目的执行，研制了实时数据通信服务.通过实时通信服务软件，将局域网络内各节点的分布式数据进行可靠的实时同步.

考虑了通信服务的QoS，由于DCS数据的业务不同，对其通信的质量要求不同.例如，DCS中的命令通信必须可靠并要求反馈；而某流程图功能的要求较高的实时性较高但可靠性要求较低；规程数据通信的实时性和可靠性要求都较低.本软件能配合组态信息对通信业务进行划分，以针对不同的业务提供不同的通信服务.同时，考虑到了丢包策略，对于有实时性要求的数据，为了在网络拥塞情况下避免阻塞，提供了必要的丢包策略.还在通信软件中加入了延时控制，将数据同步时间控制在合理的范围内.

3)DCS二层高效率计算的问题.支持DCS二层的计算组态的问题，该计算服务软件能够建立和运用复杂的数据，将数据中的变量和常量分为不同的区域存放.在复杂的多处理器系统调试中，数据可以被多用户共同读取和使用.当然，数据可否被多个用户使用，是由数据的级别所决定.

计算服务软件支持C和FORTRAN语言编写的计算程序，程序在编写完成之后要进行编译，编译通过后的程序才能在仿真系统中调用运行.计算软件为系统提供编译程序命令.计算服务软件提供一套强有力的分系统软件调试系统，支持多计算模块在各自的模块下同时调试自己的执行程序.

3.2.2 离线翻译软件.离线翻译软件的功能是将来自于实际DCS的工程数据文件，翻译转换成能被仿真平台识别并运行的工具软件.

首先，离线翻译软件能解析、转换实际DCS工程的电厂对象数据库，并将其中包括的电厂设备、报警、故障等各种数据下装到仿真平台，仿真运行平台能直接处理翻译后的数据.其次，离线翻译软件还能解析、转换实际DCS工程中的各种画面组态文件.最后，离线翻译软件还能解析、转换实际DCS工程中的逻辑计算.

4 总结

采用DCS全仿方式进行模拟机研制，在国内属于首创.在项目中使用的一系列方法、研制出的软件、工具均属于原创，在国内也属于首创.

在项目的不同执行阶段，能够在同一软件平台下，分别使用功能仿真和翻译仿真两种方式.实现了通用的DCS二层仿真支撑平台软件；实现了服务和应用业务的分离，可灵活配置，通过对UI的修改，可仿真各种不同品牌的DCS产品；实现了强大的DCS实时数据处理能力，可达到50万点规模；实现了DCS一体化的数据库，具备数据一致性检查功能；研制了灵活友好的图形化仿真DCS组态界面；解决了DCS仿真系统大数据量处理的性能、功能的完整性、二层数据同步性能、系统的稳定性等问题.

一方面，全范围模拟机数字仪控系统全仿方案的成功研制保证了全范围模拟机项目的成功实施和按时投运，使得核电厂能够按进度要求培训和考核足够数量的核电厂操纵人员，从而为电站的商运提供了运行人员保障，进而为缓解电力紧张局面做出贡献.

另一方面，全范围模拟机数字仪控系统全仿方案的成功研制，大大降低了全范围模拟机项目研制的成本，也为机组人因工程集成系统的验证提供了平台，相比于实物仿真方案，具有设置初始条件迅速、DCS性能稳定性好的优势.

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责任编辑:时 凌

Full Simulation Scheme for Nuclear Power Plant I＆C System

XU Kui1，ZHANG Danhong2∗
(1.China Nuclear Power Operation Technology Cooperation Ltd.，Wuhan 430223，China；2.School of Automation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

Full－scope simulator is an essential means of training operators in nuclear power plants.The traditional digital instrumentation system simulation method has such shortcomingsas expensive price，difficult data collection and lack of guarantee of the progress.In this paper，a full－range simulation program of full－range simulator and digital instrumentation system combined with functional simulation and translation simulation is studied.In the early stage of the project，functional simulation is used to ensure the progress of nuclear power plant operator training.In the maintenance stage，translation simulation is usedand the configuration engineering data of the DCS actual unit is used to update the data of the simulator.The results show that the developed DCS simulation software is complete in function and the performance indexes are equivalent to those of the DCS software of the same type of nuclear power，which can meet the needs of simulator training and save the economic costs.

nuclear power；simulator；I＆C；full simulation

TP362

A

1008－8423(2017)01－0016－03

10.13501/j.cnki.42－1569/n.2017.03.004

2017－01－01.

湖北省自然科学基金项目(2015CFB586).

徐奎(1979－)，男，博士，工程师，主要从事核电DCS仿真的研究；∗

张丹红(1968－)，女，硕士，教授，主要从事智能控制理论及应用、计算机机控制等的研究.