用于核电设计验证的工程仿真机仿真技术分析

郑明

【摘 要】利用工程仿真机实现对核电机组设计的评估验证已经实现，本文收集分析了一些工程仿真机主流的仿真技术，以总结分析各种技术方法的特点，供核电站设计、核电安全评估参考。工程仿真机从仿真技术上来说可以分为三层：底层工艺系统，仪控系统的控制和保护层（DCS level 1），仪控系统的操作和信息管理层（DCS level 2）。本文分别就这三个部分的仿真技术进行分析，总结不同技术方法各自特点及优缺点对比。

【关键词】工程仿真机；DCS level 1；DCS level 2

0 前言

计算机仿真技术在核动力领域的应用已经非常广泛，包含核电严重事故分析，核设备设计、核电设计验证、核电培训、核电机组调试、核动力相关实验等等。在这些应用中各有特点：核电严重事故分析方面要求仿真精度高；核设备设计注重力学分析、传热计算等；核电设计验证强调灵活性高、适应性强；核电培训要求逼真度高，范围全、实时性好；核电机组调试可用到仿真技术代替实际设备，以实现对仪控系统的调试；核相关实验利用了软件模拟各种现实情景，为实物实验增添了扩展空间。

用于核电设计验证工程仿真机在核电验证中的应用已经有了多个实例（如方家山、福清、昌江核电机组中的仪控设计验证）。用工程仿真机来辅助设计、验证设计已经是目前成熟的技术手段。它可以是全范围工程仿真机，也可以是小范围的桌面型仿真机。可用于仪控系统的操作和信息管理层设计验证、仪控系统的控制和保护层设计验证、工艺系统改进验证、运行规程验证等等。本文主要收集和分析实现工程仿真机的仿真技术。

1 工程仿真机的架构

工程仿真机就仿真技术可以分为两个部分，工艺系统部分和仪控系统。工艺系统，包括现场重要设备（如反应堆，蒸汽发生器）、泵阀通用设备、管道、测试仪表等。仪控系统又可以分为两层，仪控系统的控制和保护层（DCS level 1），包括设备控制、安全保护等仪控系统的控制和保护层；仪控系统的操作和信息管理层（DCS level 2），包含DCS人机交互的操作界面、信息监视界面等。

工艺系统基本上是用仿真工具进行建模，实现方式大同小异。目前主流的方法较过去的进步就是实现了图形化，将设备、管道在建模工具上作为部件使用，按照电厂系统流程图绘制，然后生成代码。

仪控系统的控制和保护层差异较大，实现方法目前可分为如下几种方式：手动建模、翻译仿真、DCS虚拟机、实物仿真。

仪控系统的操作和信息管理层的实现一般有两条途径：实物仿真或用其它软件进行模拟开发，完成与实际人机交互软件相同功能的软件开发。

2 工程仿真机的实现方式

工程仿真机的实现方式从仿真构架上来说就是将上述提到的工艺系统、DCS level 1、DCS level 2分别实现。同时在整个构架中需考虑三层之间的实时数据交换及命令的传递与执行等，下面分别介绍工艺系统、DCS level 1、DCS level 2的实现方式。

2.1 工艺系统实现

底层工艺系统一般用仿真工具进行建模，目前主流的方法基本上是图形化建模，按照电厂系统流程图绘制成流网图，然后生成代码。本文举一个建模平台的例子以说明：

通用仿真平台包含多个子软件，这里介绍其中较核心的三个：

仿真支撑软件是模拟机开发和运行的基础，它包括以全局共享数据库为核心的多个进程，提供对仿真模型软件开发与调试、系统集成、仿真机实时运行与维护等仿真机全寿期的支持。仿真支撑软件的主同步程序用于各实时执行程序（模型软件）的调度和共享内存数据交换机制的维护，包括实现对控制集合和I/O读写进程的调度，以及与通讯进程间的数据交换。工程仿真机的模型软件基于主同步程序进行调度。

通过对电厂流程图的简单分析，可以绘制为对应的流网图，图中各部件根据设计资料填入参数，完成后生成执行码。将所有要模拟的范围照这个方式完成流网图即完成了工艺系统层仿真的主要工作。

2.2 仪控系统的控制和保护层（DCS level 1）实现

工程仿真机仪控系统的控制和保护层（DCS level 1）的实现方法比较多样，目前可分为如下几种方式：手动建模、翻译仿真、DCS虚拟机、实物仿真。

2.2.1 手动建模

正向控制逻辑建模所参考的数据是由设计单位提供的图纸，设计图纸并是不是组态图，只反映了控制原理。

设计图上使用到的控制部件仅包含单一的功能，且没有详细规定算法的变量名，部件和部件间的数据传递也仅仅标注了方向。设计图纸是一种示意图，用于传达基本的控制设计，工程仿真机的实现方需要根据自身对于设计图纸的理解，使用仿真平台的通用基本部件来实现控制设计。

控制模型工程师对于控制设计理解的正确性会直接影响到最终的控制逻辑的正确性。對于非逻辑部件，则需要根据经验进行调试，方能确定合适的参数。

2.2.2 虚拟机实现方法

虚拟机实现方法的优点在于能够直接使用DCS组态的文件，能够和DCS组态保持完全的一致性，具有相同的响应，模拟精确度是最高的，而且也节省了二次开发的工作量。但是采用虚拟机的方法实现工程仿真机的模拟有其局限性，一般来说虚拟机的模拟方式只能由DCS厂商自己实现。因为不同的DCS厂商进行组态后下装的文件是不一样的，文件的内容和格式都是由厂商自定义的，对于其他使用者来说是基本无法解析的黑匣子。DCS厂商的组态下装文件只能被其自主开发的平台所解析并调用，很难与其他的平台相融合，也就很难做到在其他的仿真平台上正常运行。而且考虑到新建电厂DCS完成的时间进度要求远远晚于工程仿真机完成的时间要求，所以如果要满足工程仿真机用于设计验证，则要求DCS组态时间必须提前，这样是不合理的，会造成正确性和完整性降低等一系列问题。

2.2.3 实物仿真实现方法

实物仿真即采购与仿真对象完全一致的软硬件，型号和个数需要达到一一对应的关系。相当于将实际DCS的设备用于制造工程仿真机，这种方式实现的工程仿真机最接近实际核电站，最具有说服力。控制逻辑、操作界面完全一致，仅现场设备和流网需用传统的仿真平台进行模拟，并与实际DCS进行数据传输。但其造价很高，且实现冻结、重演等仿真机的重要功能也比较困难，核电站的工程仿真机很少采用实物仿真的实现方法。

2.2.4 翻译仿真的实现方法

除了三种主流的工程仿真机实现方法，在特定条件下，可以采用翻译的实现方式。翻译是介于正向全仿和虛拟机之前的实现方法，用翻译的方法进行模拟的首要条件是翻译源文件的获取。翻译源文件并不是DCS组态下装的文件，但是其包含了DCS组态的所有信息，且能够被正确的解析。因为翻译没有正向组态的过程，所以采用翻译方法能够模拟的范围取决于翻译源文件所包含内容的范围。如果要实现全范围仿真，则必须得到核电站进行了完整的DCS组态之后。

2.3 仪控系统的操作和信息管理层（DCS level 2）实现

仪控系统的操作和信息管理层的实现一般有两条途径：实物仿真或进行软件开发。

2.3.1 DCS level 2实物仿真

DCS level 2实物仿真与DCS level 1的实物仿真方式一样，由DCS供应商直接对软件进行适应性开发，使其可以与DCS level 1及底层工艺系统进行数据传递和命令执行。

实物仿真方式优点是界面和操作感受完全一致，功能验证可信度很高。但因其供货的单一性，造价通常比较高，且多因商业动作存在一定的技术壁垒。

2.3.2 DCS level 2软件开发

DCS level 2软件开发就是对已知的界面、功能进行开发，达到设计要求或与已有的实际DCS level 2一致。这里就存在两种情况，一种是在实际DCS还未出现时，仅有设计理念或设计文件支撑，另一种情况就是已经有了目标DCS level 2，对它进行依照开发。这两种情况从技术手段来说没有本质区别。

软件开发方式实现的优点是灵活性较高，在DCS level 2尚在设计阶段就可以实施，不同的阶段逐步变化，对DCS level 2设计前期有较大的作用。缺点是在实际DCS level 2成形后，开发出来的版本与实际版本不可避免有一些细微的差别，用于验证的可信度稍欠。

下面就DCS level 2的软件开发架构进行简要说明。DCS level 2软件可分为三个基本层次，定义为：

1）界面层：为运行在OWP（Operator Work Panel，操作员工作台）上的软件，主要为操作员人机交互界面。

2）功能代理层：运行在OWP上，作为界面和数据服务、通信服务的接口，解除了系统服务软件和界面的耦合性。

3）数据服务层：为各种DCS功能提供全局服务，例如DCS level 1的数据接口软件为level 2提供Level 1的实时数据。

3 小结

用于验证的仿真技术多种多样，主流方法也各有优缺点，适用于验证的各种目的、时期、场合。下表是各技术方法的分析总结。

表1 仿真方法总结

【参考文献】

[1]曲鸣.数字化仪控系统设计验证平台总体设计说明书[S].

[2]鲁星言.基于翻译技术的压水堆核电站DCS level 1仿真实现[J].

[3]徐奎.核电厂非安全级HMI软件研制项目监控软件设计说明书[S].

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

[责任编辑：田吉捷]