核電廠設備0-1層標準接口仿真模塊開發

劉 穎，祁 蔚，張玉峰，張立群

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223）

0 引言

被控設備（傳感器）的狀態反饋信號可直接反饋至1層過程控制機柜，而過程控制系統發出的指令則需經過設備執行機構再發送至0層設備。由于核電廠安全對設備失效安全位的特殊要求，核電廠的0層設備的執行機構的類型眾多，包含氣動閥、電磁閥、電動閥、電機、安全閥、氣動液壓閥、電動液壓閥等，需要分別通過不同的裝置（電氣柜、繼電器柜、氣路、液壓回路等）來實現。這些不同類型的設備與控制系統之間的接口信號類型不同，信號的接口方式也不相同。

以往核電設計中，控制系統與0層被控設備之間的信號接口沒有采用標準分類，儀控設計人員在繪制設計圖時需要將相關設備的電磁閥驅動的氣動閥門的氣路圖、液壓回路圖等詳細繪制，以保證設備控制信息表達的完整性[1,2]。華龍一號的儀控設計采用標準化的做法，將執行機構和設備反饋與1層控制系統之間的信號交互綜合為0-1層標準接口塊，用于將設備的執行機構類型、設備失效安全位置、執行機構電氣特性、信號接線方式、交互信號類型標準化。這樣，儀控設計人員只需要引用設備0-1層標準號，繪制控制邏輯組態圖紙，即可完整地表達被控設備的控制設計信息。

由于核電廠設備0-1層信號接口沒有標準化分類，因而進行核電廠設備建模時，只能采用邏輯塊組合的方式逐個搭建設備的執行機構模型，控制指令和設備的反饋信號也只能通過建模工程師手動連線，或者逐條編寫指令和反饋信號的賦值語句，實現控制系統與被控設備之間的信號傳遞。0-1層標準接口仿真模塊將執行機構特性、設備與1層控制機柜之間的傳遞信號綜合在一起，并封裝為標準塊。用于將設備的執行機構動作特性、失效位置、執行機構電氣特性、信號接線方式、交互信號類型歸類細分，并將0-1層之間的信號傳遞標準化為固定的變量對點規則，開發程序代碼以自動實現標準接口塊與1層控制組態邏輯之間的信號變量賦值。

另外，為了控制系統調試方便，根據不同類型執行機構的特點，在0-1層標準接口仿真塊中對設備特性進行簡單模擬，包含對失電故障、I/O卡件故障的仿真計算，用于在沒有工藝模型的情況下對被控設備響應的簡單模擬。

0-1層標準接口塊典型的兩種類型是氣動調節閥和電動閥，其輸入輸出、內部參數、設備特性最具代表性。本文以220V交流電動閥、帶雙電磁閥（不同供電回路）的氣動調節閥為例，介紹了0-1層標準接口仿真模塊的內部參數、輸入輸出接口、設備特性計算功能以及與0層閥門，與相應的1層標準邏輯塊之間的自動對點規則。

1 0-1層標準接口仿真模塊的輸入輸出

圖1所示為0-1層標準接口塊MOV1-1（220V交流電動閥）的電路驅動原理以及信號接口示意圖。MOV1-1的執行機構為電氣柜，由多個繼電器組成多個回路，從而實現了設備的遠程控制，并且反饋電氣柜的故障、運行等狀態信號。圖1最下方為MOV1-1與1層機柜之間的接線端子，對應仿真模塊則為輸入、輸出針腳。

圖1 MOV1-1的電路驅動原理以及信號接口示意圖Fig.1 Circuit driving principle and signal interface diagram of mov1-1

圖2 MOV1-1的仿真接口塊外觀Fig.2 Appearance of simulation interface block of MOV 1-1

圖2所示為仿真模擬MOV1-1性能的標準仿真接口塊的外觀以及輸入、輸出針腳。其中，左區為1層接收/發送至標準接口塊的信號，右區為標準接口塊接收/發送至0層設備的信號。標準接口塊設置內部變量local，使得接口塊可選擇是否向0層下發指令、接收0層設備的反饋信號。當local為1時，接口塊不發送指令至0層，同樣也不接收來自0層的反饋信號。接口塊送往1層的反饋信號通過內部計算獲得。圖2所示的電動閥頭可以設置供電母線等參數，計算電氣柜故障、過流故障，存在固定的變量交換，因此將接口塊與電動閥頭視為一個模塊。

MOV1-1與0層閥門的對點方式為通過SimGen中的變量連接符號連接，這個連接為可視化的。

圖3所示為0-1層標準接口塊AOV9-1帶雙電磁閥（不同供電回路）的氣動調節閥氣路原理圖以及信號接口示意圖。AOV9-1的閥門驅動是通過氣路與閥門本體彈簧的設置來實現的。圖3中上方為AOV9-1與1層機柜之間的接線端子，對應仿真模塊則為輸入、輸出針腳。

表1 MOV1-1模塊的輸入/輸出信號列表Table 1 Input/output signal list of MOV 1-1 module

表2 AOV9-1模塊的輸入/輸出信號列表Table 2 Input / output signal list of AOV 9-1 module

圖4所示為仿真模擬AOV9-1性能的標準仿真接口塊外觀及輸入輸出針腳。與MOV1-1的外觀類似，左區為1層接收/發送至標準接口塊的信號，右區為標準接口塊接收/發送至0層設備的信號。圖4所示的氣動閥頭可以設置供氣索引等參數，計算氣壓喪失故障、失氣故障等，存在固定的變量交換，因此將接口塊與氣動閥頭視為一個模塊。AOV9-1與0層工藝流網模型的對點方式為通過SimGen中的變量連接符號進行手動連接，這個連接為可視化的。

表1、表2列出了MOV1-1和AOV9-1的所有輸入輸出陣腳名稱、含義描述以及信號類型。

圖3 AOV9-1的氣路驅動原理以及信號接口示意圖Fig.3 Pneumatic drive principle and signal interface diagram of AOV9-1

圖4 AOV9-1的仿真接口塊外觀Fig.4 Appearance of AOV 9-1 simulation interface block

2 0-1層標準塊的功能及主要參數

0-1層標準仿真模塊主要有3類功能：執行機構的特性模擬、1層失效時的缺省值設置、設備特性計算。

2.1 執行機構的特性模擬

執行機構的特性模擬主要是故障特性模擬。氣動設備的故障類型較少，主要是壓縮氣壓降低、失去壓縮氣源、電磁閥掉電，最終故障的計算結果都體現在閥門的安全位置計算（表3）中。

電機類設備的故障類型眾多，包括電機故障、電氣柜故障、失電故障等，不同原因引發的故障對設備的影響不同。所有故障基本都通過電氣柜將fault信號反饋至1層，然后在人機界面層顯示給操縱員。fault信號主要包含Switchgear fault和MCC fault，其中，MCC fault直接反饋到1層采集。

表3 AOV9-1閥門特性的模擬計算Table 3 Simulation calculation of AOV 9-1 valve characteristics

Switchgear fault是電氣柜產生的報警信號，主要有以下幾個來源：

◇ 失去控制電源，但是不會導致斷路器保護跳閘。

◇ 失去110VDC，但是不會導致斷路器保護跳閘。

◇ 失去設備動力電220VAC，即電機相連母線的unavailable信號，不會導致斷路器保護跳閘。

◇ 電氣柜設備故障

MCC fault是有多個觸發信號，包含以下兩種：

◇ Switchgear fault直接觸發MCC fault。

◇ 電機的短路故障，電動閥卡死等會導致過流保護的故障。這種情況下會導致斷路器保護跳閘。

2.2 標準接口塊的缺省值設定功能

當傳感器或者現場的設備反饋，傳送至DCS輸入卡件的信號不滿足要求時，invalid信號出現（一般來說，火災、斷線、斷路、I/O通道故障等故障都會造成信號invalid）；CP與IO卡件之間通訊喪失、DCS機柜斷電也會造成信號invalid。

Invalid信號的產生由0/1層標準接口塊實現。每個接口塊產生兩種invalid信號，一種是AI/DI類型的，用來表征DCS輸入信號的質量失效；另外一種是AO/DO類型的，用來表征DCS輸出指令信號的質量失效。當0/1層接口塊所連接的DCS機柜掉電時，AI/DI/AO/DO信號全部失效。

當AI/DI/AO/DO信號失效時，其默認值可以通過參數（表4/5中的**default value）進行設置，若不設置，則默認維持上一時刻的有效值。

2.3 標準接口塊的設備特性計算功能

標準塊設置內部變量local，用戶通過設置local來選擇接口塊是否與工藝模型（0層設備）產生真實的信號傳遞。當local為1時，接口塊不發送指令至0層，同樣也不接收來自0層的反饋信號，接口塊送往1層的反饋信號通過內部計算獲得。

MOV1-1的輸入針腳OD為1時，閥門開度開始以一定的速率（可設置）增加，當CD為1時，閥門開度以一定速率（可設置）減小。因此，需要在接口塊中設置一個變量（閥門行程時間），閥位為指令保持時間的線性函數。

表4 MOV1-1模塊的主要內部參數列表Table 4 Main internal parameters list of MOV 1-1 module

表5 AOV9-1模塊的主要內部參數列表Table 5 Main internal parameters list of AOV 9-1 module

AOV9-1為調節型氣動閥，模塊的計算功能包含兩個方面：一個是開關狀態的計算，另一個是調節狀態的計算。開關狀態的計算原則見表3。

調節閥類的設備（帶有電氣轉換器），接口塊需要增加一個變量，調節速率。調節閥在接受到EP指令后，閥位=原閥位±調節速率*時間，其中“±”的確定需要比較EP指令和原閥位。若EP指令大于原閥位，則符號為“+”，若EP指令小于原閥位，則符號為“-”。

圖5 自動變量賦值程序流程示意圖Fig.5 Flow chart of automatic variable assignment program

MOV1-1和AOV9-1的主要內部參數設置詳見表4和表5。

3 0-1層標準塊與1層/0層對點規則

3.1 與1層的變量對點

如表1所示，MOV1-1與1層的接口變量一共有6個，4個信號發送至1層，2個信號從1層接收。將標準塊中所有變量名的后綴設置為.swg，將1層控制邏輯塊中發送至標準接口塊的指令變量名的后綴設置為.l0，將接受0層反饋信號的邏輯塊命名為.pnt。

采用“ID+擴展碼+后綴”的方式對接口塊的輸入輸出變量進行命名，其中，標準接口塊的ID與設備ID相同，需手動填入。由于0-1層接口塊使用了代碼的方式，這部分工作可由毫無仿真經驗的人員完成。下一步工作可以開發程序，通過導入表單的方式，讀取excel表單中的ID，類型，分配的圖紙名、控制模塊名、子程序模塊名即可掛在載SimGen的樹狀節點中，從而自動生成標準接口塊的仿真圖紙。

接口塊與1層之間的變量自動對點程序的流程如圖5所示，標準接口塊的仿真圖紙完成之后，對圖紙進行編譯，查找初值文件中的后綴為.swg的變量，對其進行字符串處理，生成變量賦值的代碼。1層控制邏輯組態圖導入仿真平臺并編譯后，對其初值文件中的接口塊（后綴為.l0和.pnt）的變量也進行字符串處理，生成的代碼行與標準接口塊的代碼行進行比對校驗。若完全一致，程序無誤，可以直接下裝；若軟件檢查出不一致的情況，則需要重新核查標準接口塊的仿真圖紙以及控制組態源圖紙，檢查錯誤。

3.2 與0層的變量對點

由于Rinsim平臺0層設備模型的變量名與圖紙號有關，而不是單純的與設備ID相關，因而無法與標準0-1層模塊總結出標準的對點規則，所以標準接口塊與0層設備的變量傳遞只能通過圖形化建模軟件SimGen提供的變量連接符號連接，這個連接為可視化的。

3.3 診斷功能

標準塊具有診斷功能，可以自動判斷接口塊與1層是否有真實的變量傳遞/賦值。若接口塊與1層之間的變量傳遞/賦值不成功（被中斷），則接口塊為洋紅色。若接口塊與1層之間的變量傳遞/賦值成功，則接口塊為正常顏色。

診斷功能可在“裝載”仿真程序的時候自動運行，也可通過腳本/菜單選項運行診斷功能。

4 結論

0-1層標準接口仿真模塊將執行機構特性、設備與1層控制機柜之間的傳遞信號綜合在一起，并封裝為標準塊，簡化了設備完整控制回路的環節。在此基礎上，接口塊與1層控制組態邏輯之間的信號傳遞標準化為固定的變量對點規則，并通過開發程序代碼以實現了標準接口塊與1層控制組態邏輯之間的信號變量對點，很大程度的提高了對點工作的效率和準確性。

從仿真的工作量劃分來看，0-1層標準接口仿真模塊的出現，可將一部分簡單的繪圖工作劃分出來給毫無仿真工作經驗的人員來完成，甚至可開發程序使用表單導入的方式完成，可將仿真建模的核心工作繼續壓縮。

0-1層標準接口仿真模塊模擬了簡單的設備特性，可作為儀控系統單獨調試的輔助工具，對控制組態邏輯設計驗證工作有非常重要的意義。使得可在沒有工藝模型的情況下，調試控制組態邏輯時無需置位設備狀態，即可獲得合理的設備反饋。這對于多個設備聯鎖控制邏輯的驗證有著非常重要的意義。

另外，標準接口仿真模塊還模擬了設備故障特性，可模擬測試單個IO卡件故障，單個機柜掉電等事故，進行單個母線掉電模擬，檢查缺省值的設計驗證，極大地方便在沒有工藝模型的情況下進行控制邏輯設計的驗證工作。