核电厂安全级虚拟控制系统硬逻辑模拟开发

雷静

摘 要：为解决核电厂模拟机开发过程中遇到的DCS（Digital Control System）硬接线的模拟问题，提出了基于三菱MELTAC数字化仪控系统的模拟实施方案。首先，通过对核电厂上游输入文件的详细分析，包括核电厂系统手册、硬盘台图纸、继电器机柜图纸等，确定硬接线的模拟范围。然后介绍需模拟的硬逻辑在MELTAC中转化为DCS应用软件的过程。该方案的可行性在宁德核电一期全范围模拟机开发过程中得到验证。该方案可应用于新建模拟机虚拟DCS硬接线模拟和已投入培训的全寿期模拟机改造升级。

关键词：虚拟DCS；硬接线；模拟

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）19-0161-02

核电厂全范围模拟机（FSS，Full Scope Simulator）是核电厂建设的关键路径。核电厂控制系统的模拟、核电厂工艺系统的模拟是模拟机项目开发过程中最重要的两个部分。目前国际上通用的核电厂模拟机主要有纯模拟（Simulation）、虚拟实物模拟（Emulation）以及实物模拟（Stimulation）这3种实现途径，在实际项目选型时需要从经济性、精确性、易维护性以及对工程项目的时间进度影响等方面综合考虑。

宁德全范围模拟机项目对核电厂控制系统的模拟以虚拟实物模拟（Emulation）为主，结合实物模拟（Stimulation）和纯模拟（Simulation）方式。对虚拟DCS控制机柜中的逻辑模拟，采用对控制器Emulation方式将实际DCS的工程组态转移到虚拟DCS中，实现真实DCS的平台转移和控制功能再现。由于硬接线逻辑不包含在DCS工程组态的范围内，在实际电站中是由若干硬接线、继电器、定时器等硬件搭建组成。硬接线和硬盘台共同组成DCS控制系统故障时核电厂对机组的后备控制手段。在模拟机中如采用实物模拟（Stimulation）方式实现的话，成本太高，工期长，设备占据空间大，耗费人力物力，且实施和维护不易。本文采用Simulation方式模拟，具有节约成本、维护方便等诸多优点。本文以宁德全范围模拟机项目为例，就虚拟DCS开发过程中的硬接线模拟方案进行了分析和探讨。

1 技术方案

在实际安全级控制系統中，大部分安全级的控制和保护逻辑是通过运行在MELTAC（安全级控制系统控制器软件）中的POL（Problem Oriented Language）实现的，即我们通常所说的DCS工程组态；除此以外，安全级的ARC（Auxiliary Relay Cabinet）机柜、硬盘台与DCS的硬接线等都属于硬接线，在模拟机项目的模拟范围内。

实现安全级DCS虚拟控制系统硬接线模拟开发的技术关键：一是通过对上游输入文件的分析和研究，实现硬件到软件逻辑的转换；二是建立转换后的组态语言中I/O变量与模型变量、安全级内部I/O变量之间的通讯。

实现硬件到软件逻辑的转换，最快捷可行的方案是将ARC机柜及其他的硬接线转化为在MELTAC中运行的POL，就像其他的安全级控制系统软件逻辑一样在MELTAC中运行。为了实现这一方案，首先需要将硬接线逻辑通过MELENS（安全级控制系统工程师组态工具）进行组态。这些上游输入文件和图纸中设计的逻辑，在实际DCS系统工程实施时会转化为继电器机柜、硬接线等，而在模拟机中则转化为软件组态语言。POL是用于三菱核电厂仪控系统MELTAC -N plus R3中的控制语言，可实现核电厂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。

1.1 逻辑转换

逻辑转换的过程，即运用METAC-N plus R3系统的算法软件，通过上游输入文件实现实际DCS系统需要被虚拟的功能，在组态环境中完成功能算法的开发、I/O变量的添加、控制逻辑图的组态、编译和下装功能。

根据硬接线连接的接口不同，实施方案可分为三部分。第一部分是与安全级继电器机柜ARC相关联的部分；第二部分是安全级专用硬件-PIF卡件模拟；第三部分是除了第一部分和第二部分以外的部分，包括安全级DCS机柜间接口和BUP/ECP/RSS的接口。在逻辑开发的过程中，将第一部分的硬逻辑转换后生成的POL命名为ARC-A（A列继电器柜逻辑）和ARC-B（B列继电器柜逻辑），将第三部分的硬逻辑转换后生成的POL命名为MISC-HW（Miscellaneous hardware）；专用硬件-PIF卡件的模拟采用专用逻辑与I/O配置相结合的方式实现。

1.2 继电器机柜及关联接口的实现

继电器机柜及关联接口共包含5种类型，分别是：（1）ARC机柜内部；（2）ARC与BUP/ECP的接口；（3）ARC与Level 0的接口；（4）ARC与NC（非安全级控制系统）的接口；（5）ARC与安全级其他机柜（如SLC或ESFAC）的接口；在BUP/ECP的原理图、信号接口图和各机柜配线图中，对以上五种接口类型的描述较为详细。

通过对上游输入文件的逻辑分析，在MELENS中新建两个虚拟机柜，分别命名为ARC-A和ARC-B；将图纸转化为软件组态语言后的POL。为了保证逻辑转换的完整性，需逐页确认图纸的硬逻辑信息。

1.3 其它硬逻辑的实现

其它硬逻辑的实现方式与继电器机柜的实现方法相似，但是涉及到的输入文件范围更广。其它硬逻辑包含两种类型接口：（1）安全级控制系统内部机柜间；（2）BUP/ECP/RSS内部的硬逻辑；在机柜原理图和逻辑图中包含其它硬逻辑的相关设计输入信息。

通过对上游输入文件的逻辑分析，在MELENS中新建一个虚拟机柜，命名为MISC-HW。

1.4 PIF卡件模拟

对安全级DCS中用到的4种PIF卡进行专项模拟，并在I/O配置文件中根据上游设计文件进行配置。开发好的专项模拟逻辑程序运行于安全级仿真服务器中，在MELTAC运行时由SCHEDULE统一调用。I/O配置文件的设置见第3节说明。

2 通讯实现

2.1 IO配置

安全级控制系统与模型服务器之间的通讯，通过I/O变量的地址对应来实现。在开发POL的过程中，会产生一些虚拟的I/O变量。这些变量在实际DCS控制系统的应用软件中原本不存在，在硬接线逻辑模拟实施过程中由工程师添加到MELENS中。这就需要对I/O变量表进行修改。

安全级DCS与模型之间的通讯原理见图1。

模型服务器周期发送AI/DI指令，发送周期为100ms；安全级虚拟DCS发送AO/DO信号。其中，AI为模拟量输入信號；DI为数字量输入信号；AO为模拟量输出信号；DO为数字量输出信号。这四种类型的信号参数（包括信号名称、描述、量程等）在IO sheet中定义。

2.2 PIF卡件的I/O配置

PIF卡件仅仅在安全级DCS DI/DO信号中使用，因此仅需要对DI Sheet和DO Sheet进行配置。PIF卡件类型及输入输出序号信息可从接口配线图（Wiring Diagram （IF））中获取。

2.3 内部通讯配置文件（PIO.INI）

安全级内部信号之间的通讯，采用名为PIO.INI的配置文件来定义。它定义了在安全级DCS内部的所有硬接线点的通讯，包括MELTAC and MELTAC（控制机柜之间）、MELTAC and ARC（控制机柜与继电器柜之间）、MELTAC and DAC（控制机柜与DAC机柜之间）、MELTAC and MISC-HW（控制机柜与其他硬接线虚拟机柜之间）。

3 开发输出

在硬逻辑模拟实施完成后，产生的输出软件程序及文件包含Relay Cabinet POL、Miscellaneous hardware logic POL、IO Sheet、pio.ini file。

4 结语

本文运用Simulation方式实现了宁德全范围模拟项目安全级控制系统硬接线逻辑模拟和开发。它充分利用已有控制系统提供的组态功能、变量增减功能、配置文件修改功能、软件应用开发功能，通过对上游设计文件的详细分析，实现了硬接线逻辑虚拟化，控制逻辑全面化。该方案不仅具有节约成本、功能和性能完善、维护方便等诸多优点，还避免了重新开发工具软件。它不仅能够为不同类型的DCS控制系统模拟提供参考方法，也可用于从实际DCS应用软件到虚拟DCS应用软件的升级改造。

参考文献

[1]李成银，赵登科，王自岭.基于虚拟DCS的仿真系统设计与开发[J].山东电力技术，2007，（6）：77-80.

[2]屈晓刚，邹刚.虚拟DCS开发及应用研究[J].燕山大学学报，2006，30（5）：407-409.