核電站安全級(jí)DCS虛擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

黎知行，章 旋

（中廣核(北京)仿真技術(shù)有限公司，深圳 518115）

0 引言

單元機(jī)組正朝著大容量、高參數(shù)和高自動(dòng)化方向發(fā)展，核電站日趨復(fù)雜，人們對(duì)核電運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性也越來越重視，對(duì)機(jī)組運(yùn)行人員專業(yè)知識(shí)、操作技能和排除故障應(yīng)變能力的要求也越來越高。因此，實(shí)施核電站機(jī)組的仿真系統(tǒng)，特別是安全級(jí)DCS 高逼真度仿真系統(tǒng)，在運(yùn)行人員的技能培訓(xùn)方面起到了重要作用。

由于控制器參數(shù)整定等工作都在現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)摸索和試驗(yàn)，需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力，并且受現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，這些工作可以在仿真系統(tǒng)上完成預(yù)期確定控制方案和控制參數(shù)大大減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試次數(shù)。

控制系統(tǒng)優(yōu)化不是簡(jiǎn)單地對(duì)現(xiàn)有控制器調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，而主要是研究采用新型控制結(jié)構(gòu)和新型控制算法的控制算法，在實(shí)際投運(yùn)之前在仿真系統(tǒng)上進(jìn)行詳細(xì)的試驗(yàn)，熟悉和掌握其運(yùn)行特性，驗(yàn)證其可行性，降低直接應(yīng)用于實(shí)際DCS中引起的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 技術(shù)方案

本文采用的過程數(shù)學(xué)模型仿真平臺(tái)是美國(guó)MSC公司的3KeyMaster軟件。其可實(shí)現(xiàn)圖形化建模、參數(shù)修改和編輯組態(tài)；利用軟件的仿真建模工具建立全物理過程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

以日本三菱MELTAC-N plus R3系統(tǒng)為虛擬對(duì)象，采用Visual Studio 9.0編程工具，在Windows系統(tǒng)上設(shè)計(jì)和開發(fā)基于虛擬DCS技術(shù)并且運(yùn)行于3KeyMaster仿真平臺(tái)上的高逼真度的虛擬控制系統(tǒng)軟件，完成安全級(jí)DCS Level1控制邏輯功能。實(shí)現(xiàn)與Level0過程數(shù)學(xué)模型的一體化仿真結(jié)構(gòu)，使得Level0與Level1之間的數(shù)據(jù)交互更加快速更加高效，給日常維護(hù)帶來很大方便。另外，Level1虛擬系統(tǒng)具有Level0仿真平臺(tái)的一些固有功能：如加速、凍結(jié)、快照、回放等等。

實(shí)現(xiàn)安全級(jí)DCS虛擬控制軟件的技術(shù)關(guān)鍵：一是開發(fā)功能塊算法軟件、數(shù)據(jù)接口軟件和任務(wù)控制管理軟件，建立虛擬運(yùn)行平臺(tái)；二是開發(fā)智能解析轉(zhuǎn)換軟件。

虛擬DCS采用對(duì)實(shí)際DCS工程組態(tài)文件進(jìn)行智能解析轉(zhuǎn)換的方式實(shí)現(xiàn)真實(shí)DCS的平臺(tái)轉(zhuǎn)移和控制功能再現(xiàn)。其變量定義、控制參數(shù)、功能算法和圖形外觀信息完全來源于工程文件，使得模擬機(jī)安全級(jí)控制系統(tǒng)的更新方便快捷，避免由于手工編碼或者繪制而產(chǎn)生的錯(cuò)誤。

2 功能軟件開發(fā)

運(yùn)用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，開發(fā)與真實(shí)METAC-N plus R3系統(tǒng)功能塊接近的算法軟件，功能塊算法類的數(shù)據(jù)成員和成員函數(shù)能正確表現(xiàn)實(shí)際DCS系統(tǒng)需要被虛擬的功能，在Visual Studio 9.0環(huán)境下編譯生成.exe的程序文件，作為在3KeyMaster平臺(tái)運(yùn)行的task，完成功能算法、控制邏輯圖的調(diào)用和數(shù)據(jù)流控制功能。

2.1 功能塊算法

功能塊是Level1控制系統(tǒng)最底層的程序模塊，是為了實(shí)現(xiàn)某一特定的控制功能而編寫的算法。首先，根據(jù)MELTAC系統(tǒng)的功能塊說明書中的功能描述說明，進(jìn)行功能塊算法解析；其次，采用面向?qū)ο蟮姆椒?，將所有的功能塊定義為結(jié)構(gòu)體來處理，結(jié)構(gòu)體類型數(shù)據(jù)定義在3KeyMaster平臺(tái)的Type文件中，編制相應(yīng)的功能塊算法實(shí)現(xiàn)程序；最后是在3KeyMaster平臺(tái)上進(jìn)行功能塊的測(cè)試，驗(yàn)證其運(yùn)算的準(zhǔn)確性和響應(yīng)的快速性。功能塊算法一一對(duì)應(yīng)于MELTAC系統(tǒng)的真實(shí)控制算法，功能塊名和功能塊變量名采用與MELTAC系統(tǒng)相同的名稱，這里主要有以下四大類算法功能塊：

1）數(shù)字控制功能塊；如AND、OR、RS、2OF3、ON DELAY等等。

2）模擬控制功能塊；如ADD，SUB、SQRT、DIFF、DTIM、LAG、LLAG等等。

3）擴(kuò)展功能塊；如 ABM、ABS1、ABS2、GT、TE、FX20、LMT等等。

4）輸入輸出功能塊；如AI、AO、DI、DO、CDI等等。

另外，功能塊不僅要跟DCS系統(tǒng)保持相同的算法，還要保持比較相近的圖形外觀，功能塊圖如圖1所示。

圖1 功能塊圖

當(dāng)功能塊算法發(fā)生變更或添加新功能塊時(shí)，只需對(duì)發(fā)生變化和新添加的功能塊重新編譯，達(dá)到了修改方便，復(fù)用性好的效果。

2.2 T ask任務(wù)

虛擬系統(tǒng)控制軟件要在3KeyMaster平臺(tái)上運(yùn)行才能實(shí)現(xiàn)Level1的控制層功能，這就需要設(shè)計(jì)用來實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬系統(tǒng)控制和管理的task。 可由3KeyMaster的運(yùn)行系統(tǒng)自動(dòng)或用戶手動(dòng)完成虛擬系統(tǒng)的啟動(dòng)、凍結(jié)和停止。

Task完成以下三個(gè)功能：

1）識(shí)別控制策略中的數(shù)據(jù)流向；

2）按照數(shù)據(jù)流向順序調(diào)用功能塊；

3）完成功能塊具體特定的邏輯算法。

3 智能解析轉(zhuǎn)換軟件

安全級(jí)DCS虛擬系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵部分是要分析實(shí)際DCS的核心代碼，保持與原DCS系統(tǒng)相同的邏輯層次結(jié)構(gòu)（見圖2）。DCS的核心代碼是有多個(gè)控制站程序代碼組成的，控制站是由實(shí)時(shí)功能塊(FB)按照一定的順序連接構(gòu)成的，每一條代碼都是在控制器的CPU中執(zhí)行，各控制器之間和工作站之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)DCS控制功能。

圖2 安全級(jí)Level1結(jié)構(gòu)

POL（Problem Oriented Language）是用于三菱核電站儀控系統(tǒng)MELTAC-N plus R3中的控制語言，可實(shí)現(xiàn)核電站安全級(jí)常規(guī)控制和異常保護(hù)的高可靠控制邏輯和功能組態(tài)。每一個(gè)控制器中的控制方案是由控制頁（control sheet）構(gòu)成的，控制頁由是有功能塊構(gòu)成的，功能塊是由輸入輸出變量、中間參數(shù)和算法構(gòu)成的。

開發(fā)智能轉(zhuǎn)換軟件VTR用于對(duì)MELTAC Level1各機(jī)柜控制器組態(tài)完成的工程文件進(jìn)行掃描解析。在自動(dòng)解析完成后，一方面，根據(jù)功能塊類的輸入輸出變量數(shù)目、類型等方面相關(guān)信息自動(dòng)建立3KeyMaster中相對(duì)的Type定義；另一方面，自動(dòng)生成3KeyMaster平臺(tái)上運(yùn)行的控制邏輯圖以及相關(guān)文件。

3.1 控制邏輯頁面

邏輯頁面的生成包括整個(gè)控制系統(tǒng)技術(shù)的全部?jī)?nèi)容，如數(shù)據(jù)庫(kù)、初始化、信號(hào)連接、控制組合和接口界面等方面。虛擬DCS的自動(dòng)生成處理原則上不需要人工干預(yù)。

由于DCS的工程文件不是統(tǒng)一的格式，需要進(jìn)行智能化判斷和規(guī)格化處理，生成規(guī)范的虛擬DCS程序語義庫(kù)。

使用該轉(zhuǎn)換軟件工具VTR，根據(jù)工程組態(tài)文件的功能塊變量、類型、數(shù)量、位置、連接等等信息生成3KeyMaster平臺(tái)上運(yùn)行的頁面drawing，即.page文件和.trs文件。每一張Sheet頁面對(duì)應(yīng)于3KeyMaster平臺(tái)上的每一頁面。轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖3所示。

圖3 邏輯圖

3.2 邏輯執(zhí)行順序

3KeyMaster平臺(tái)是按照一種層次化的工程樹型結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織的，這些層次化的結(jié)構(gòu)中包含了如下的元素：Project、Book、Chapter和Drawing。Project是位于整個(gè)仿真軟件的層次化結(jié)構(gòu)的最頂層，是一組相關(guān)聯(lián)的仿真元素。它包含Task、Type、Book、Chapter等等；Book 中包含 Chapter、Drawing、Book等等；Drawing是仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)流程圖。

根據(jù)工程組態(tài)文件中的信號(hào)流向，頁面調(diào)用順序信息，生成與相對(duì)應(yīng)的3KeyMaster中的工程樹型結(jié)構(gòu)，確保虛擬系統(tǒng)功能塊執(zhí)行順序跟原系統(tǒng)保持一致。

采用跟圖2相類似的程序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)，控制站對(duì)應(yīng)于3KeyMaster中的與控制站名字相同的Book，Sheet對(duì)應(yīng)與Sheet名字一樣的drawing，如圖4。

4 數(shù)據(jù)交互

圖4 控制邏輯結(jié)構(gòu)

Level1虛擬系統(tǒng)融合到過程仿真平臺(tái)上，不僅方便仿真系統(tǒng)的維護(hù)管理，還使得過程仿真模型跟虛擬DCS系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互變得簡(jiǎn)單、快速。具有以下一些特點(diǎn)：

1）系統(tǒng)的一體化，方便對(duì)點(diǎn)、調(diào)試等工作；

2）數(shù)據(jù)交互的處理方法也簡(jiǎn)單；使用Assign文件即可實(shí)現(xiàn)不同變量之間的數(shù)值傳遞。

3）系統(tǒng)的集成，使得網(wǎng)絡(luò)之間的通訊轉(zhuǎn)變成本機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，提高通訊速度和效率。

5 結(jié)束語

本文運(yùn)用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)了針對(duì)安全級(jí)三菱MELTAC系統(tǒng)虛擬Level1功能軟件，它充分利用虛擬DCS技術(shù)的高度逼真性和開放性，實(shí)現(xiàn)了控制邏輯功能。能夠真正有效、經(jīng)濟(jì)、廣泛地實(shí)現(xiàn)操作員培訓(xùn)、設(shè)計(jì)調(diào)試、控制參數(shù)整定、控制策略優(yōu)化和系統(tǒng)反事故演練等一系列功能。

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