虛擬DCS控制器在核電站DCS樣機調試的應用研究

高漢軍　劉培邦　魯星言

【摘 要】研究核電站DCS系統的驗證調試技術對于我國核電技術的發展和核安全的保障具有重要的意義。傳統的邏輯調試工作在實際控制器上進行，無法進行高效復雜的邏輯調試（如PID調節，閉環邏輯控制調試等），而且頻繁實驗操作對硬件的使用壽命也造成了影響。針對傳統測試方法的不足，提出了在DCS樣機邏輯調試中使用虛擬DCS控制器代替實物控制器的方法，其優點在于：1）針對虛擬DCS控制器軟件進行操作，信號的注入相當于變量的賦值，操作簡便而且效率很高；2）虛擬DCS控制器無需硬件設備的支持，減輕了對設備的依賴，邏輯組態和工程調試可以交叉迭代進行；3）虛擬DCS控制器可以直接下裝并運行DCS組態工程，能與DCS真實控制器并行聯調。實際的調試效果證明DCS虛擬機能夠有效的完成組態邏輯調試，提高調試效率。

【關鍵詞】DCS樣機；DCS調試；DCS虛擬機

【Abstract】The research on the technology of DCS commissioning in NPP has significance on promoting nuclear power technology and protecting nuclear safety.The conventional commissioning was directly carried out in the real controller，which couldnt have the complex logic experiments done. Furthermore，frequent experiments must have made great influence on the service life of devices.In view the deficiency of the conventional method，this paper proposed that the DCS commissioning could be executed in virtual DCS controllers instead of real controllers.The advantage of latter is apparent：1）The engineers make use of instruments to inject signals into the real controllers while those are just value assignments in virtual controllers， which makes the operation more simple and effective；2）The virtual controllers dont rely on hardware devices，which makes the cross iteration of logic configuration and commissioning possible；3）The configuration engineering can be directly downloaded into the virtual DCS controllers，who can run in parallel with real controllers.The application result shows that the virtual DCS controllers can be competent for DCS logic commissioning，and enhance the efficiency of commissioning.

【Key words】DCS Prototype；DCS commissioning；DCS Virtual Machine

0 引言

近年來，國內的核電站建設規模不斷增大，新建的核電廠均采用DCS 系統作為其生產控制系統；因此，研究核電DCS系統的工程調試驗證技術，對于我國核電技術的發展和核安全的保障具有重要的意義[1]。由于核電DCS系統的高效、安全、穩定關系到核電廠運營的安全和效益，因此，在DCS系統正式運行前，需要搭建DCS系統的工程樣機，進行全面且復雜的邏輯調試工作。傳統的邏輯調試工作在實際控制器上進行，通過短接線或信號發生器注入輸入信號，并按照規程測試相應的輸出信號，這種調試測試方式不僅無法高效的進行復雜的邏輯調試（如PID調節，閉環邏輯控制調試等），而且由于硬件操作的復雜性也導致邏輯調試效率較低。此外，傳統的邏輯調試方法需要控制器、IO板卡、總線、網絡等硬件設備的支持，對于邏輯組態期間硬件設備未完全配套時調試則無法進行；而且頻繁對硬件的短接操作對于硬件的使用壽命也造成了一定的影響。

針對傳統測試方法的不足，本文提出了在邏輯調試中使用虛擬DCS控制器代替實物控制器的方法。這種調試方式的優點在于：

1）調試人員針對虛擬DCS控制器軟件進行操作，信號的注入相當于變量的賦值，操作簡便而且效率很高；

2）虛擬DCS控制器軟件易于接入電廠的設備模型（通過TCP/IP通信進行變量通信），因而可以進行負責的邏輯調試，甚至可以進行多個系統的聯調；

3）虛擬DCS控制器無需硬件設備的支持，減輕了對設備的依賴，邏輯組態和工程調試可以交叉迭代進行；

4）虛擬DCS控制器可以直接下裝并運行DCS組態工程，其系統架構、執行環境與真實DCS系統高度相似，因此能夠達到較高的仿真度，能夠有效的完成組態功能的邏輯調試。

1 虛擬DCS控制器在樣機調試中的應用

1.1 虛擬控制器調試組態工程

由于虛擬DCS控制器無需硬件設備的支持，而且可以與工程組態迭代進行；因此，在DCS樣機調試過程中大規模應用了虛擬DCS控制器，進行組態工程的邏輯調試。利用虛擬DCS控制器，調試工程師可以方便進行分系統單調和多系統聯調；而且虛擬控制器與仿真DCS 0層可以通過TCP/IP協議進行數據交互，而無需關心如何將計算機數字信號轉換為控制器板卡識別的物力信號（如電壓、電流、電阻信號等）。虛擬控制器管理程序提供了數據監控&在線調試界面，能夠配合圖形化調試工具完成組態工程的動態的調試。

虛擬控制器管理程序的數據監控功能如圖1所示。圖1（1）中展示了虛擬控制器的數據監控功能，該界面監控了變量K3RCV004MP的實時值（該變量為虛擬IO板卡的采集值，為11.979914MA，量程為4-20MA）。圖1（2）為“化學和容積控制系統”（RCV）中下泄調節閥對應的組態邏輯，下泄調節閥根據設定壓力（本工況下是2.5MPa），調節主冷卻劑系統的下泄壓力。該壓力測點RCV004MP位于下泄調節閥前，量程為0-5MPa，在數據采集中將其轉換為4-20MA的電流信號，變量K3RCV004MP_AV是組態邏輯中對應該傳感器的接口變量（它是由變量K3RCV004MP經過IO算法固件庫量程轉變而來（量程轉變公式為K3RCV004MP_AV=（K3RCV004MP.MU-K3RCV004MP.MD）*（K3RCV004MP-4）/（20-4）按照當前工況應為2.493723MPa，組態邏輯中的實時值為2.49MPa）。

虛擬控制器管理程序的在線調試功能如圖2和圖3所示。通過在虛擬機強制下泄調節閥前測點傳感器RCV004MP的壓力值，查看PID以及調節閥的調節狀況。當強制輸入值為4MA時，如圖2（1）所示；通過量程轉換，傳入到PID的輸入值為0MPa，如圖2（2）所示；PID經過計算，輸出計算值0%，通過通信接口軟件傳到DCS 0層（設備模型），閥門逐漸全部關閉至0%，如圖2（3）所示。

當在虛擬機中強制輸入值為20MA時，如圖3（1）所示；通過轉換，傳入到PID的輸入值為5MPa，如圖3（2）所示； PID經過計算，輸出計算值100%，再通過通信接口軟件傳到DCS 0層（設備模型），閥門逐漸全部開啟至100%，如圖3（3）所示。

這表示在系統的運行過程中，能實時設置輸入/輸出變量和中間變量值，并能實時在線監視調試過程輸入量、輸出量和任意選定的變量；而且可以配合DCS樣機系統的圖形化調試工具完成組態工程的動態調試。

1.2 虛擬控制器和實物控制器聯合調試

在樣機調試過程中，缺省情況是所有系統都用虛擬控制器進行調試，每次分系統（如rcv系統）的邏輯調試完成后，則將調試好的組態工程（虛擬控制器中的組態工程）下裝至相應的實物控制器中，再在虛擬控制器中進行其他系統的調試。將組態工程下裝至實物控制器后，還需要進行多系統聯調，這就涉及到虛實控制器的切換工作，即將某些控制器由虛擬切換為實物。切換完成后，仿真DCS 0層數據則重定向至實物控制器中，控制器間的站間通信，以及向DCS 2層的數據交互也將由虛擬轉向實物。

2 總結

由于傳統的邏輯調試在實際控制器上進行，無法高效的進行復雜的邏輯調試。本文提出了在邏輯調試中使用虛擬DCS控制器代替實物控制器的方法。這種調試方式的優點在于：1）調試人員針對虛擬DCS控制器軟件進行操作，信號的注入相當于變量的賦值，操作簡便而且效率很高；2）虛擬DCS控制器軟件易于接入電廠的設備模型（通過TCP/IP通信進行變量通信），因而可以進行負責的邏輯調試，甚至可以進行多個系統的聯調；3）虛擬DCS控制器無需硬件設備的支持，減輕了對設備的依賴，邏輯組態和工程調試可以交叉迭代進行；4）虛擬DCS控制器可以直接下裝并運行DCS組態工程，其系統架構、執行環境與真實DCS系統高度相似。實際的調試效果證明DCS虛擬機能夠有效的完成組態邏輯調試，提高調試效率。

【參考文獻】

[1]曲鳴，張玉峰，李姝，劉純.核電DCS 仿真與設計驗證[C].中國核科學技術進展報告，2009（1）：769-777.

[2]高漢軍，曲鳴，李青，景應剛.核電站分布式系統虛擬過程控制平臺設計研究[J]. 計算機仿真，2016（2）：160-163.

[3]高漢軍，劉培邦，曲鳴.核電站DCS樣機驗證系統的通信接口研究[J].科技傳播，2016（8）：114-115.

[責任編輯：田吉捷]