核電廠DCS全范圍驗證系統0層設備仿真的實現

劉躍鋒，李平，馬陟，劉祖倫

（中核控制系統工程有限公司，北京100176）

1 引言

近年來，國內的核電站建設規模不斷增大，在建和商運核電站DCS系統幾乎全部用的是國外系統，中核控制系統工程有限公司所自主研發的NicsysR2000 DCS平臺，力圖打破這一外國產品大量壟斷的局面。然而核電站對于DCS系統穩定、可靠性比其他DCS系統的要求高，為驗證新的DCS平臺能否在核電站非安全級DCS系統可靠、穩定的運行，參照在運行的某核電站DCS系統，公司在內部搭建了一套非安全級DCS系統工程樣機，以驗證NicSysR2000平臺的可用性[1]。

2 驗證系統組成

為了驗證NicsysR2000系統的可靠性，本系統中采用實物模擬方式，在工程樣機中使用真實硬件和軟件來復現參考核電機組的全部子系統。雖然由于大量采用DCS硬件，增加工程機成本，但是使用DCS真實硬件和軟件最大限度地實現仿真。徹底消除模擬機DCS與實際DCS的不一致以及偏差。典型的DCS系統分為0層現場設備層（泵、閥門、儀表）；1層過程控制層；2層操作監控層和信息管理層。

①核電站現場的0層是獨立的設備，設備的運行狀態通過電纜或者通訊連接到DCS 1層，在DCS樣機系統中，不可能有這么多的現場設備，但為了實現仿真DCS系統的仿真運行，在工程樣機中設立獨立的服務器來仿真0層電站真實設備的運行狀態和儀表信息。它通過DCS 0-1層通信接口程序通過電纜和通訊與DCS1層進行信號數據交互。②過程控制層（DCS1層）的控制系統工程非常復雜，一般采用分系統的方式對控制工程進行劃分，并下裝至不同控制器中。因此一個核電控制過程一般包含多臺控制器，控制器之間通過局域網絡完成站間數據通信；而且，各個控制器作為獨立的個體向操作監控層交換數據。③操作監控層（DCS2層）主要面向現場操縱員，它收集DCS1層的輸出數據，進行工藝流程圖的顯示、重要參數的趨勢監測，并根據操縱員的指令進行系統控制。DCS2層的操作指令則按照上述過程的反向反饋進DCS0層，由此形成整個DCS系統的信息閉環。

3 0層仿真模型服務器實現的功能

仿真模型軟件以M310核電機組為參考機組,為DCS全范圍驗證系統提供一個電廠實際工藝系統的仿真平臺，與DCS一層、二層連接，構成一個完整的電廠系統，用于NicsysR 2000系統的驗證。模型軟件將實時再現核電廠的性能與行為，所有在模擬的計算機工作站上觀察到的現象以與參考機組的實際響應相同的速度顯現出來。模擬的質量保證系統的響應與實際過程基本一致。

仿真模型軟件的模擬范圍涵蓋維修冷停堆狀態至滿功率運行狀態、各事故狀態以及包括運行規程（包括在停堆換料期間的電站狀態）內的全部范圍。也就是說仿真模型能夠盡可能地模擬參考機組在所有電廠工況下的行為，如：①參考機組正常操作，包括主回路系統的排水及半管運行等；②在任何正常運行狀態期間的異常擾動；③事故運行（包括所有設計基準事故和部分超設計基準事故）。

仿真模型軟件對參考機組的所有系統特性進行完全的、綜合的和實時的仿真。各系統模型提供與其他相關仿真系統之間的接口，提供一個針對參考機組正常、異常和電站事故工況條件下以連續的和重復方式進行的完整和實時的模擬。仿真模型軟件的響應不允許出現誤導操縱員或導致操縱員不適當的動作等明顯偏離參考機組實際響應的行為。仿真模型軟件對各系統中的設備和部件如電機、泵、閥門、調節器等的動態運行特性和運行狀態進行模擬。計算機化的人機界面系統應以一個合理的方式進行模擬，確保仿真模型軟件對該部分系統模擬的逼真度。

工藝過程模型基于物理原理、參考機組的PI&D圖，功能圖，SAMA圖等，真實地反映電廠實際狀況。所有模型都將基于“最佳估計”模型，而非“保守”模型設計。調節器的物理原理和運算都以數學模型的微積分和代數等式進行描述，特別是質量、能量和動量守恒定理將用于模型等式的推導[1]。控制邏輯將用布爾方程進行描述，功能圖等應維持原樣導入并進行自動數據鏈接。

在仿真模型中主要包括了堆芯物理學或動力學模型、堆芯熱工水力模型、安全殼模型、汽輪機模型、發電機模型及其他設備部件模型。仿真真實電站工藝過程，系統功能是以被測物理變量和過程狀態等式來完成描述的。除狀態變量外，工藝過程模型的輸入數據，包括其他模塊的計算變量、泵狀態、閥和風機的遠程和就地控制，故障的狀態變量信息和外部的參數都在仿真模型軟件中設定。

4 0層設備仿真的實現方案

仿真系統的主要目的是為了驗證NicsysR2000系統的應用可靠性、可用性，需要對包括控制器、I/O板卡、各層軟件等進行全方位的驗證，所以本系統中以實物仿真為主，1:1重構核電站非安全級DCS系統。0層設備的設備仿真采用與DCS 1層相同的控制板卡，來實現DCS系統的仿真。有些功能無法通過IO板卡來實現，則通過用仿真控制器來實現，并實現了仿真軟件與DCS硬件的通訊。

4.1 仿真模型與DCS一層之間通過I/O板卡功能的實現

為了驗證Nicsys2000系統的穩定性和可靠性，在模擬機中使用電站的真實系統或子系統的真實硬件和軟件來復現參考機組的相應系統或子系統，暨采用真實DCS的硬件、軟件和網絡系統的再現現場執行機構。雖然實物模擬軟硬件實現成本很高，與電廠工藝系統模型層之間的接口復雜，但實物模擬具有很高的軟硬件逼真度，能夠完全驗證DCS系統的性能。

在驗證系統DCS一層按照真實核電廠非安全級DCS系統完全相同的配置，來配置DCS系統的一層，整個系統工應用68臺控制柜，IO點數共計15566點。

在設備仿真側同樣采用Nicsys2000系統，只是把一層DCS系統中的開關量、模擬量輸入卡變為開關量、模擬量輸出卡，一層DCS輸出卡變為輸入卡，一層DCS系統與仿真0層的IO卡件通過電纜連接。

在0層系統中配置模型服務器1臺，實現現場設備的仿真，模型服務器通過以太網與通訊網關相連，通訊網關將模型服務器設備仿真數據轉換為Nicsys2000系統的通信協議，并將0層通訊控制器數據經過處理后發給模型服務器，進行雙向數據通信。0層通訊控制器通過以太網接收到網關的數據后，經由NicBusII總線將數據和命令發送IO板卡，0層IO板卡在通過硬接線電纜間數據發給1層控制器IO板卡，1層控制器接收到數據后進行邏輯運行，并把運行結果和下一步的命令反向發給模型服務器，模型進行下一步的運行。同時1層控制器并把設備數據發送給2層進行數據顯示和操作員操作，現場設備形成一個閉環的控制，達到現場設備的仿真運行。

4.2 仿真模型與DCS一層通過虛擬控制器連接的實現

有些現場設備中輸入無法通過硬接線將數據發送給1層控制器，比如溫度信號，熱電偶信號等，這些信號處理需要用到虛擬機控制器，虛擬機控制器通過一層監控網絡將數據發送給控制器，設備仿真控制。

虛擬控制器通過移植實物控制器的控制軟件實現，它是執行控制組態程序的核心。通過修改系統接口和資源分配策略，將實物控制器中的下位機軟件移植進Windows系統中，并保持其核心執行代碼不變，可以直接加載運行控制組態程序。虛擬控制器和實物控制器采用相同的運行環境配置和控制組態程序，可以確保對于同樣的輸入信號，兩者具有同樣的輸出響應，并保證了實物控制器的組態程序和虛擬機的組態程序相互通用。

虛擬控制器的通信包括：DCS 0層端通信、DCS 2層端通信、控制器站間通信三部分。

①DCS 0層端通信。虛擬DCS 0層端通信接口程序負責與DCS 0層的數據交互，仿真模型服務器（與實務控制器模型仿真為同一套模型）將數據發送給通訊網關，通訊網關將接收到的仿真數據通過共享內存直接轉發至虛擬I/O通信板卡中，由I/O驅動傳送至虛擬控制器中，虛擬控制器進行邏輯處理和模擬量處理，處理完成后，虛擬機控制器下發指令進行逆向處理，仿真模型服務器。②控制器站間通信。站間通信服務程序主要負責虛擬控制器、虛擬控制器與實物控制器之間的數據傳輸。為了能夠實現與實物控制器的通信協議兼容，虛擬控制器間采用實物控制器的站間通信協議，并按照配置文件的配置信息進行站間數據發送，同時采用定周期方式發送。同時控制器通訊數據后，根據自身配置信息，判斷是否保存至自身的實時數據庫中，供虛擬I/O設備驅動讀取。虛擬控制器與實務控制器之間的站間通訊是通過DCS 1層控制網絡實現。③DCS 2層端通信。DCS 2層端通信負責虛擬控制器和DCS 2層之間的數據交互。它主要完成以下工作：將DCS 1層的過程控制變量傳送至DCS 2層；接收DCS 2層的操作指令。虛擬控制器不僅僅是補充了硬接線仿真系統中無法實現的功能，同時虛擬控制器系統過程控制層軟件也為DCS工程控制組態提供了一整套測試、驗證調試的平臺，能夠用于DCS工程組態和仿真驗證，有效的壓縮DCS工程組態開發調試時間，而且該軟件具有與真實DCS系統一致的仿真度，對于全范圍模擬的性能和仿真度也有極大的改善。

5 結論

針對自主研制的Nicsys2000系統工程樣機，以參考機組DCS系統為基礎，建立全套、實用、可靠和先進的仿真環境，再現核電站DCS的控制邏輯功能設計調試、控制參數整定、控制策略優化和事故工況，為驗證Nicsys2000樣機系統的高性能和高可靠性提供了有力的保障。