基于仿真技術的核電站DCS人機界面驗證研究

尹繼超 向俊瑛 曲鳴

摘 要：把FES（Full Scope Engineering Simulator）作為儀控系統設計驗證平臺，可以為核電站主控室人機界面設計（Distributed Control System）以及運行導則、規程的編制提供直觀的技術手段。使用FES平臺和相關工具，可對DCS系統的邏輯控制層和監控層設計進行分析驗證，該文重點介紹DCS系統流程圖和數字化規程的驗證過程及驗證方法。系統流程圖涵蓋了電廠各個主要系統的運行畫面，包括一回路、二回路、輔助系統、通風系統和三廢處理系統等；數字化規程的驗證包括數字化系統規程、數字化總體規程和數字化緊急事故操作規程（EOP規程）的驗證。

關鍵詞：驗證平臺 分布式控制系統 人機界面 數字化規程

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0006-03

Verification and Validation of DCS HMI in Nuclear Power Station Based on Simulation Technology

Yin Jichao Xiang Junying Qu Ming

（Wuhan nuclear power operation technology Limited by Share Ltd.，Wuhan Hubei，430223，China）

Abstract：Full Scope Engineering Simulator is a verification and validation method for the system design of the main control room of the nuclear power station.The simulation platform and tools will be suitable for the design and analysis of the level 1 and 2 DCS.In this paper，we focus on the verification and validation of the system display and the computerized procedures.System display covers the major system of nuclear power plant；.Computerized procedures inclues computerized system procedures，general procedures and emergency operating procedures.

Key Words：Full scope engineering simulator；Distributed control system； Human machine interface；Computerized procedures

1 應用背景

DCS系統仿真驗證指在仿真環境下，用計算機模型程序模擬生產過程，DCS系統進行雙向數據交換，DCS系統接受到模型對象數據后，在實際控制器或虛擬控制器中進行運算，再輸出控制結果至模型計算機，構成控制閉環。通過對模擬核電廠的操作測試，達到檢驗所設計的DCS系統的設計方案是否正確，監視控制、數據管理、操作規程等功能否滿足最終用戶的需要的目的。FES（Full Scope Engineering Simulator）可以有效地配合控制室系統的設計，提供相關的驗證支持工作。

2 驗證應用范圍

FES平臺可用于對DCS系統的過程控制層和人機界面層的設計進行分析并執行一定的安全分析驗證[1]。首先基于目標電廠建立完整的對象數學模型，核電廠的設備、流網、反應堆物理模型的建立是一個龐大的系統工程，因此核電廠DCS設計驗證平臺的開發必須分步驟進行，逐步擴充、完善。該項目的應用中使用了RINSIM仿真支撐平臺及系列仿真建模工具，仿真DCS軟件。

2.1 控制邏輯功能的設計驗證

通過圖形化建模工具SimGen，按照設計文件建立仿真模型，包括流體系統（可壓縮流體網絡和不可壓縮流體網絡）、控制系統以及電氣系統模型軟件。SimGen圖形建模工具主要為仿真建模提供方便、智能化的圖形開發工具，減少開發周期和勞動強度。在使用SimGen時，用戶可根據仿真對象的特點，從SimGen的模塊庫中選擇相應的模塊并通過圖形組態建立仿真對象模型。與支撐軟件SimBase無縫集成，通過SimGen圖形環境，可以直接完成SimBase下數據點生成、源程序生成、編譯、連接、加載和程序運行調試。

2.2 人機交互操作設計驗證

DCS人機界面層軟件功能主要包括報警功能、趨勢、數字化規程、掛牌功能、當前值、狀態表等，MIMIC系統流程圖的驗證工作是其中最重要也是工作量最大的。與設計方約定制圖規范，把設計圖存為Visio可編輯格式，可以以文件直接導入的形式，方便快捷的實現設計數據到仿真平臺的輸入轉換。導入工具為RINSIM平臺下的圖形編輯器SimDraw，SimDraw是仿真平臺RinSim的組成部分，是用于仿真流程圖和軟臺屏圖開發的多文檔圖形編輯器，除了可以用來繪制一般的靜態圖形外，還可以用來生成仿真界面中用到的監控使用的動態圖形。

系統流程圖驗證平臺的開發過程主要包括如下幾個步驟。

（1）系統流程圖的繪制。

系統流程圖的繪制環境為微軟的工程繪圖工具Visio，方便繪圖工程師利用個人電腦繪制高質量的圖紙。

（2）圖元庫部件的建立。

庫部件的建立包括Visio庫部件的建立和Simdraw庫部件的建立兩個過程。Visio庫部件用于系統流程圖的繪制過程，是包含多種部件信息的標準化圖元；Simdraw庫部件用于實現部件的動態設置和生成動態。

（3）導入工具的開發。

圖形導入工具Simdraw能夠識別使用VISIO繪圖工具繪制的圖文件，直接導入到FES平臺上的圖文件能夠支持設備元件的動態設置、圖間鏈接、控制窗鏈接等功能，自動完成圖形組態過程。Simdraw提供了接口，可以將Visio生成的vdx格式的文件與Simdraw格式的文件進行相互轉換，并完整的保留其圖形信息，保證畫面的正確性和完整性。

（4）MIMIC運行環境的開發。

HMI的MIMIC功能組件是系統流程圖的最終運行環境。通過Simdraw導入的流程圖文件可以在HMI平臺上直接顯示和運行。MIMIC運行界面的左側主體區域為畫面顯示區域，實時顯示閥門、開關的開關信息、液體的流量、溫度的測量值、電壓的高低等動態信息；MIMIC運行界面的右側為部件的控制窗顯示區，該區域顯示當前選中部件的實時數據或可操控的按鍵信息。

2.3 電廠規程驗證及編制支持

電廠規程驗證及編制支持是基于仿真模型、系統流程圖和數字化規程三者基礎之上的驗證工作。數字化規程可以充分利用計算機處理信息的優勢，使主控室操縱員可以非常靈活的尋找信息，在規程與畫面、畫面與畫面及規程與規程之間進行相互調用。把電廠運行規程通過導入工具加入到驗證平臺中，逐份驗證規程電子化后的操作響應。

數字化規程驗證平臺的開發過程主要包括如下幾個步驟。

2.3.1 規程的編制

一般由電廠操作員根據經驗編制電廠運行需要的系統規程、總體規程和EOP規程等。

2.3.2 規程的數字化處理

規程以Word文檔格式提供，并填寫到標準格式的表格中。給規程的章節編碼，給出MODE或SHEET編號；用特殊字符標識需要實時顯示的設備代號；需要記錄或時間記錄的位置添加Recorder標識；對于需要連接到二層畫面、規程其他章節、現場操作單、其他規程的位置加入連接標識和目標位置編碼；對于需要確認操作執行的位置加入揀取框標識符。

2.3.3 導入工具軟件的開發

根據MOS（MODE或SHEET）編號，導入軟件將Word版規程拆分成可供運行環境調用的數個文件，并讀取特殊的標識符：數字顯示符、Recorder或時間Recorder、連接符和揀取框標識符等。

2.3.4 數字化規程運行環境的開發

數字化規程的運行環境讀取通過導入軟件生成的規程文件，并通過標識符在相應的位置生成信息顯示或動態可操作的元部件。

3 驗證過程

3.1 系統流程圖的驗證

系統流程圖的驗證工作的目的有驗證一層邏輯與二層動態的兼容性、二層畫面操作設計的正確性與完整性，二層畫面布局的設計合理性。詳細的驗證工作按以下幾個方面展開。

（1）圖形是否易于辨識；

（2）畫面信息的可靠性和有效性；

（3）部件顯示功能；

（4）部件控制功能；

（5）通過元件的顯示功能和控制功能測試，驗證一層控制邏輯與二層動態顯示邏輯的設計兼容性；

（6）根據畫面操作驗證工藝過程正確性。

3.2 數字化規程的驗證

數字化規程功能包含數字化規程部分和電子化規程部分。電子化規程僅用于顯示和瀏覽；數字化規程是動態可操作、執行的計算機化規程。數字化規程主要包括三大部分：數字化系統規程、數字化總體規程和數字化緊急事故操作規程（EOP規程）。

驗證關注的內容包括參數顯示、操作鏈接、確認條件的判斷等等。設置時間或事件觸發條件，彈出相應工況的操作規程，指導操縱員操作，驗證操作規程的正確性。設計驗證平臺具有和參考機組FSS一樣的運行范圍，包括機組從冷停堆至額定功率工況；機組從額定功率至冷停堆工況；功率運行和負荷變動；偏離正常運行的主要瞬態工況（包括常見故障，某些不常見的故障）以及嚴重事故工況的模擬。

數字化規程的驗證工作的目的有驗證規程本身的成熟可用性、驗證一層模型的功能完備性、驗證二層畫面的設計合理性。詳細的驗證工作按以下幾個方面展開。

（1）規程內容的合理性和完整性；

（2）規程中數字顯示、Recorder和連接的正確性；

（3）規程流程的正確性；

（4）通過執行規程可以驗證一層模型的各項指標是否滿足要求及是否達到模擬范圍的要求；

（5）通過執行規程可以驗證二層畫面顯示的內容是否滿足執行規程所需的信息。

設計驗證平臺主要完成了以下的各項工作。

（1）核島設計驗證，模型的范圍限制于NI/CI的相關系統及其一層的設計驗證工作并基于這一范圍考慮事故分析結果對其進行模擬；

（2）進行主控制室人機界面詳細設計的驗證工作并為DCS系統人機界面設計提供輸入；

（3）編制和驗證電廠運行/事故規程支持；

（4）系統設計驗證。

4 驗證效果評價

動態驗證參考NUREG-0711進行。（如圖1所示）

以某核電工程中的一次驗證活動為例，驗證平臺的應用效果統計（如表1）。

工程應用實踐表明，使用驗證平臺節省了工程驗證時間，提高了驗證正確率。

5 結語

核電DCS設計驗證平臺為核島的設計、控制室系統的設計、運行規程的編制、分析研究運行事件、工程技術人員的培訓提供了一個工程驗證的仿真平臺，滿足了核電工程設計驗證的需求，為核電廠在投產后的安全高效運行提供了有力保障[3]。

參考文獻

[1] 曲鳴，張玉峰，李姝，等.核電廠DCS仿真與設計驗證[C]//中國核學會2009年學術年會論文集（第一卷·第3冊）.2009.

[2] 曲鳴，張玉峰，劉偉，等.核電廠DCS設計驗證平臺[C]//中國核學會2011年學術年會論文集第3冊（核能動力分卷（下））.2011.

[3] 張玉峰.設計驗證平臺設備技術規格書[R].2009.

[4] 王劍平.全范圍模擬機開發項目總體設計說明書[R].2009.

[5] Deng Geyan，Yin Jichao.Studies on Configuration of NPPs DCS HMI Simulation[C]//2014 International Conference on Future Computer and Communication Engineering.2014.