核電廠安全級虛擬控制系統硬邏輯模擬開發

雷靜

摘 要：為解決核電廠模擬機開發過程中遇到的DCS（Digital Control System）硬接線的模擬問題，提出了基于三菱MELTAC數字化儀控系統的模擬實施方案。首先，通過對核電廠上游輸入文件的詳細分析，包括核電廠系統手冊、硬盤臺圖紙、繼電器機柜圖紙等，確定硬接線的模擬范圍。然后介紹需模擬的硬邏輯在MELTAC中轉化為DCS應用軟件的過程。該方案的可行性在寧德核電一期全范圍模擬機開發過程中得到驗證。該方案可應用于新建模擬機虛擬DCS硬接線模擬和已投入培訓的全壽期模擬機改造升級。

關鍵詞：虛擬DCS；硬接線；模擬

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）19-0161-02

核電廠全范圍模擬機（FSS，Full Scope Simulator）是核電廠建設的關鍵路徑。核電廠控制系統的模擬、核電廠工藝系統的模擬是模擬機項目開發過程中最重要的兩個部分。目前國際上通用的核電廠模擬機主要有純模擬（Simulation）、虛擬實物模擬（Emulation）以及實物模擬（Stimulation）這3種實現途徑，在實際項目選型時需要從經濟性、精確性、易維護性以及對工程項目的時間進度影響等方面綜合考慮。

寧德全范圍模擬機項目對核電廠控制系統的模擬以虛擬實物模擬（Emulation）為主，結合實物模擬（Stimulation）和純模擬（Simulation）方式。對虛擬DCS控制機柜中的邏輯模擬，采用對控制器Emulation方式將實際DCS的工程組態轉移到虛擬DCS中，實現真實DCS的平臺轉移和控制功能再現。由于硬接線邏輯不包含在DCS工程組態的范圍內，在實際電站中是由若干硬接線、繼電器、定時器等硬件搭建組成。硬接線和硬盤臺共同組成DCS控制系統故障時核電廠對機組的后備控制手段。在模擬機中如采用實物模擬（Stimulation）方式實現的話，成本太高，工期長，設備占據空間大，耗費人力物力，且實施和維護不易。本文采用Simulation方式模擬，具有節約成本、維護方便等諸多優點。本文以寧德全范圍模擬機項目為例，就虛擬DCS開發過程中的硬接線模擬方案進行了分析和探討。

1 技術方案

在實際安全級控制系統中，大部分安全級的控制和保護邏輯是通過運行在MELTAC（安全級控制系統控制器軟件）中的POL（Problem Oriented Language）實現的，即我們通常所說的DCS工程組態；除此以外，安全級的ARC（Auxiliary Relay Cabinet）機柜、硬盤臺與DCS的硬接線等都屬于硬接線，在模擬機項目的模擬范圍內。

實現安全級DCS虛擬控制系統硬接線模擬開發的技術關鍵：一是通過對上游輸入文件的分析和研究，實現硬件到軟件邏輯的轉換；二是建立轉換后的組態語言中I/O變量與模型變量、安全級內部I/O變量之間的通訊。

實現硬件到軟件邏輯的轉換，最快捷可行的方案是將ARC機柜及其他的硬接線轉化為在MELTAC中運行的POL，就像其他的安全級控制系統軟件邏輯一樣在MELTAC中運行。為了實現這一方案，首先需要將硬接線邏輯通過MELENS（安全級控制系統工程師組態工具）進行組態。這些上游輸入文件和圖紙中設計的邏輯，在實際DCS系統工程實施時會轉化為繼電器機柜、硬接線等，而在模擬機中則轉化為軟件組態語言。POL是用于三菱核電廠儀控系統MELTAC -N plus R3中的控制語言，可實現核電廠安全級常規控制和異常保護的高可靠控制邏輯和功能組態。

1.1 邏輯轉換

邏輯轉換的過程，即運用METAC-N plus R3系統的算法軟件，通過上游輸入文件實現實際DCS系統需要被虛擬的功能，在組態環境中完成功能算法的開發、I/O變量的添加、控制邏輯圖的組態、編譯和下裝功能。

根據硬接線連接的接口不同，實施方案可分為三部分。第一部分是與安全級繼電器機柜ARC相關聯的部分；第二部分是安全級專用硬件-PIF卡件模擬；第三部分是除了第一部分和第二部分以外的部分，包括安全級DCS機柜間接口和BUP/ECP/RSS的接口。在邏輯開發的過程中，將第一部分的硬邏輯轉換后生成的POL命名為ARC-A（A列繼電器柜邏輯）和ARC-B（B列繼電器柜邏輯），將第三部分的硬邏輯轉換后生成的POL命名為MISC-HW（Miscellaneous hardware）；專用硬件-PIF卡件的模擬采用專用邏輯與I/O配置相結合的方式實現。

1.2 繼電器機柜及關聯接口的實現

繼電器機柜及關聯接口共包含5種類型，分別是：（1）ARC機柜內部；（2）ARC與BUP/ECP的接口；（3）ARC與Level 0的接口；（4）ARC與NC（非安全級控制系統）的接口；（5）ARC與安全級其他機柜（如SLC或ESFAC）的接口；在BUP/ECP的原理圖、信號接口圖和各機柜配線圖中，對以上五種接口類型的描述較為詳細。

通過對上游輸入文件的邏輯分析，在MELENS中新建兩個虛擬機柜，分別命名為ARC-A和ARC-B；將圖紙轉化為軟件組態語言后的POL。為了保證邏輯轉換的完整性，需逐頁確認圖紙的硬邏輯信息。

1.3 其它硬邏輯的實現

其它硬邏輯的實現方式與繼電器機柜的實現方法相似，但是涉及到的輸入文件范圍更廣。其它硬邏輯包含兩種類型接口：（1）安全級控制系統內部機柜間；（2）BUP/ECP/RSS內部的硬邏輯；在機柜原理圖和邏輯圖中包含其它硬邏輯的相關設計輸入信息。

通過對上游輸入文件的邏輯分析，在MELENS中新建一個虛擬機柜，命名為MISC-HW。

1.4 PIF卡件模擬

對安全級DCS中用到的4種PIF卡進行專項模擬，并在I/O配置文件中根據上游設計文件進行配置。開發好的專項模擬邏輯程序運行于安全級仿真服務器中，在MELTAC運行時由SCHEDULE統一調用。I/O配置文件的設置見第3節說明。

2 通訊實現

2.1 IO配置

安全級控制系統與模型服務器之間的通訊，通過I/O變量的地址對應來實現。在開發POL的過程中，會產生一些虛擬的I/O變量。這些變量在實際DCS控制系統的應用軟件中原本不存在，在硬接線邏輯模擬實施過程中由工程師添加到MELENS中。這就需要對I/O變量表進行修改。

安全級DCS與模型之間的通訊原理見圖1。

模型服務器周期發送AI/DI指令，發送周期為100ms；安全級虛擬DCS發送AO/DO信號。其中，AI為模擬量輸入信號；DI為數字量輸入信號；AO為模擬量輸出信號；DO為數字量輸出信號。這四種類型的信號參數（包括信號名稱、描述、量程等）在IO sheet中定義。

2.2 PIF卡件的I/O配置

PIF卡件僅僅在安全級DCS DI/DO信號中使用，因此僅需要對DI Sheet和DO Sheet進行配置。PIF卡件類型及輸入輸出序號信息可從接口配線圖（Wiring Diagram （IF））中獲取。

2.3 內部通訊配置文件（PIO.INI）

安全級內部信號之間的通訊，采用名為PIO.INI的配置文件來定義。它定義了在安全級DCS內部的所有硬接線點的通訊，包括MELTAC and MELTAC（控制機柜之間）、MELTAC and ARC（控制機柜與繼電器柜之間）、MELTAC and DAC（控制機柜與DAC機柜之間）、MELTAC and MISC-HW（控制機柜與其他硬接線虛擬機柜之間）。

3 開發輸出

在硬邏輯模擬實施完成后，產生的輸出軟件程序及文件包含Relay Cabinet POL、Miscellaneous hardware logic POL、IO Sheet、pio.ini file。

4 結語

本文運用Simulation方式實現了寧德全范圍模擬項目安全級控制系統硬接線邏輯模擬和開發。它充分利用已有控制系統提供的組態功能、變量增減功能、配置文件修改功能、軟件應用開發功能，通過對上游設計文件的詳細分析，實現了硬接線邏輯虛擬化，控制邏輯全面化。該方案不僅具有節約成本、功能和性能完善、維護方便等諸多優點，還避免了重新開發工具軟件。它不僅能夠為不同類型的DCS控制系統模擬提供參考方法，也可用于從實際DCS應用軟件到虛擬DCS應用軟件的升級改造。

參考文獻

[1]李成銀，趙登科，王自嶺.基于虛擬DCS的仿真系統設計與開發[J].山東電力技術，2007，（6）：77-80.

[2]屈曉剛，鄒剛.虛擬DCS開發及應用研究[J].燕山大學學報，2006，30（5）：407-409.