核電DCS模擬機(jī)實(shí)施方案分析

袁金曉，王少華，張立群，張玉峰，陳日罡

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

20世紀(jì)70年代，當(dāng)?shù)谝慌_(tái)基于計(jì)算機(jī)的控制室模擬機(jī)投入使用時(shí)，電廠工藝模型的仿真范圍與保真度被當(dāng)時(shí)有限的計(jì)算機(jī)性能嚴(yán)重制約。1979年美國(guó)三里島（TMI）事故發(fā)生時(shí)，整個(gè)世界范圍內(nèi)的核工業(yè)幾乎沒(méi)有幾臺(tái)核電站控制室模擬機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，對(duì)核電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)的詳細(xì)回顧引發(fā)了對(duì)核電廠人員，特別是控制室人員的培訓(xùn)是否足夠的重新評(píng)估。基于這項(xiàng)審查，一些國(guó)家的運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)與核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)控制室人員的模擬機(jī)培訓(xùn)（以及這些培訓(xùn)方案的其他方面）制定了更嚴(yán)格的要求[2,3]。國(guó)內(nèi)也在《HAF103核動(dòng)力廠運(yùn)行安全規(guī)定》中提出：“必須使用有代表性的模擬裝置來(lái)進(jìn)行培訓(xùn)。模擬機(jī)培訓(xùn)必須把運(yùn)行狀態(tài)和事故工況的培訓(xùn)結(jié)合起來(lái)[4]。”由此可見，模擬機(jī)在核電廠安全運(yùn)行中所扮演的重要角色已逐步獲得世界范圍內(nèi)的核電運(yùn)行成員國(guó)的普遍共識(shí)。DCS作為核電廠運(yùn)行過(guò)程中的神經(jīng)中樞是模擬機(jī)工程實(shí)施過(guò)程中必不可少的一環(huán)，其實(shí)施方案的選擇將會(huì)直接影響模擬機(jī)的逼真度、性價(jià)比、運(yùn)行性能及集成與維護(hù)升級(jí)的難易程度。因此，有必要對(duì)其不同實(shí)施方案進(jìn)行從原理到特性的多角度分析，以做出最佳實(shí)施方案的選擇。

1 DCS仿真范疇

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)“IEEE Std 1050TM-2004”對(duì)DCS的名詞解釋可知，它是由分布式的軟件、硬件、電纜、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成并具備輸入輸出通信能力的控制系統(tǒng)，用于對(duì)設(shè)備和過(guò)程的控制與監(jiān)視[5]。應(yīng)用在核電廠中的DCS系統(tǒng)，雖然其軟硬件系統(tǒng)復(fù)雜且龐大，但其主要功能結(jié)構(gòu)依然可抽象為如圖1所示的關(guān)系。圖中箭頭所示方向?yàn)楹?jiǎn)化后各系統(tǒng)及設(shè)備間的主要信息傳遞路徑。虛線框中的“工藝系統(tǒng)設(shè)備”代表核電廠物理層，傳感器等儀表檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工藝系統(tǒng)的相關(guān)物理變量并進(jìn)行信號(hào)處理變換后，經(jīng)由電纜將信息反饋給DCS的邏輯控制層。由該層完成數(shù)據(jù)采集與信號(hào)預(yù)處理、邏輯處理及控制算法運(yùn)算后產(chǎn)生自動(dòng)控制和保護(hù)指令，同時(shí)將需要展示給電廠操縱人員的信息傳遞到DCS人機(jī)界面層。通過(guò)該層的人機(jī)接口，主控室運(yùn)行人員可以將手動(dòng)操作命令下發(fā)回邏輯控制層，在完成與自動(dòng)控制指令的優(yōu)選邏輯運(yùn)算后，將最終指令結(jié)果輸出至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)距離上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)或手動(dòng)控制。模擬機(jī)DCS工程實(shí)施所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)就是安裝并集成一個(gè)可再現(xiàn)參考電站DCS功能的系統(tǒng)，以滿足模擬機(jī)對(duì)物理和功能保真度的標(biāo)準(zhǔn)要求[6]。根據(jù)仿真范圍及深度的不同，可分為全范圍模擬機(jī)、教學(xué)仿真模擬機(jī)、工程模擬機(jī)、仿真分析模擬機(jī)等。通過(guò)這些模擬機(jī)可進(jìn)行相應(yīng)的核電站操縱員培訓(xùn)及執(zhí)照考試、教學(xué)演示、核電機(jī)組設(shè)計(jì)的評(píng)估驗(yàn)證、事故工況仿真分析等。

圖1 核電DCS功能結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Functional structure of DCS in nuclear power plant

2 DCS實(shí)施方案

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，DCS實(shí)施方案逐漸發(fā)展出了以純模擬（Simulation）、翻譯（Translation）、虛擬實(shí)物（Emulation）及激勵(lì)式（Stimulation）這4種仿真路線為主的實(shí)施方案，如圖2所示。這4種方案分別發(fā)源于真實(shí)DCS工程實(shí)施過(guò)程中的不同階段。每種實(shí)施方案都有其特有優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在相應(yīng)的不足。而實(shí)際的模擬機(jī)項(xiàng)目選擇哪種方式也將取決于很多因素，包括DCS的系統(tǒng)架構(gòu)、DCS供應(yīng)商提供的可用于模擬機(jī)的實(shí)施方案、上游DCS專有數(shù)據(jù)的可用性、數(shù)據(jù)交付時(shí)間表、成本、最終用戶的喜好以及模擬機(jī)是用于工程還是培訓(xùn)或兩者兼而有之[7]。在充分了解每種方案的具體實(shí)施過(guò)程，并且權(quán)衡影響模擬機(jī)實(shí)施方案的各種因素的基礎(chǔ)上，可采取單一或組合的方式來(lái)滿足用戶的多樣化需求。

圖2 DCS在模擬機(jī)中的4種實(shí)施方案Fig.2 The four technical solutions for DCS in simulator

2.1 純模擬（Simulation）

原理：純模擬方式是對(duì)DCS系統(tǒng)的功能原理性仿真。在得到設(shè)計(jì)院提供的設(shè)計(jì)輸入后，由模擬機(jī)供應(yīng)商應(yīng)用自有的組態(tài)軟件，對(duì)DCS系統(tǒng)控制邏輯功能原理圖（SAMA圖）或圖形化控制界面（HMI設(shè)計(jì)圖）進(jìn)行分析并繪制，組態(tài)完成后進(jìn)行編譯，生成參考機(jī)組DCS系統(tǒng)的控制邏輯及人機(jī)畫面仿真程序，從而在新的軟硬件平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)對(duì)參考機(jī)組DCS系統(tǒng)功能的復(fù)現(xiàn)，并達(dá)到功能一致的效果。

利弊：這種仿真方式的特點(diǎn)是無(wú)需等待DCS供應(yīng)商提供的控制系統(tǒng)組態(tài)文件作為輸入，所以不會(huì)受限于DCS供應(yīng)商的軟硬件開發(fā)進(jìn)度，可與真實(shí)儀控系統(tǒng)開發(fā)同步進(jìn)行，可以嚴(yán)格控制時(shí)間進(jìn)度且成本不高，同時(shí)還能完成復(fù)雜的培訓(xùn)應(yīng)用功能。但因?yàn)槭侵苯釉谠O(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)輸入基礎(chǔ)上進(jìn)行的邏輯及畫面建模開發(fā)，與真實(shí)DCS組態(tài)文件的開發(fā)方式在人員及流程上都不相同，因此需要對(duì)控制邏輯和人機(jī)畫面進(jìn)行全面地確認(rèn)與驗(yàn)證以確保功能的保真度。這也使得此種方式的前期開發(fā)工作量巨大，且對(duì)控制模型開發(fā)工程師的專業(yè)能力要求比較高。但考慮其起始階段處在真實(shí)DCS工程實(shí)施流程的源頭，其最終完成時(shí)間相比其它方案通常更早。而模擬機(jī)通常要優(yōu)先于參考機(jī)組運(yùn)行完成交付，因此在某些具有進(jìn)度壓力的階段進(jìn)行工程實(shí)施時(shí)，這種純模擬的仿真方式將會(huì)被臨時(shí)采用。

2.2 翻譯（Translation）

原理：翻譯式仿真方案是將DCS供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)完成的組態(tài)圖借助專門的翻譯工具進(jìn)行轉(zhuǎn)換解析，包括畫面、算法庫(kù)及邏輯圖的翻譯等，使經(jīng)過(guò)翻譯后生成的文件可以運(yùn)行在模擬機(jī)仿真平臺(tái)上。由于真實(shí)DCS平臺(tái)算法邏輯除了根據(jù)上游設(shè)計(jì)而繪制的執(zhí)行控制、保護(hù)、調(diào)節(jié)功能的邏輯外，還有根據(jù)平臺(tái)自身特性設(shè)計(jì)的，如自診斷邏輯、CPU負(fù)荷監(jiān)測(cè)等，因而涉及平臺(tái)自身特性的算法邏輯因在模擬機(jī)仿真平臺(tái)上運(yùn)行無(wú)意義，所以應(yīng)加以識(shí)別并單獨(dú)處理[8]。

利弊：相比純模擬的方式，它同樣應(yīng)用模擬機(jī)環(huán)境，因此在部分文章里也有將其歸為純模擬方式一并討論的。由于該方案使用真實(shí)DCS組態(tài)數(shù)據(jù)作為輸入，因而相比純模擬方式可以縮短建模周期并提供更高的建模逼真度。由其當(dāng)DCS供應(yīng)商不具備提供可應(yīng)用于模擬機(jī)平臺(tái)的仿真軟件時(shí)，就只能選擇純模擬或翻譯式實(shí)施方案。

2.3 虛擬實(shí)物（Emulation）

原理：“虛擬”是相對(duì)于計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)中的真實(shí)DCS而言，其實(shí)現(xiàn)方式是將真實(shí)DCS在計(jì)算機(jī)中以特種形式再現(xiàn)。采用這種仿真方式的模擬機(jī)供應(yīng)商需要儀控系統(tǒng)供應(yīng)商提供控制邏輯及圖形界面的組態(tài)文件代碼才能繼續(xù)開展工作。這些在實(shí)際DCS系統(tǒng)中分散于各個(gè)控制器（DPU）的組態(tài)代碼將會(huì)被模擬機(jī)供應(yīng)商移植到處于仿真環(huán)境下的一個(gè)通用計(jì)算機(jī)上，并在這個(gè)計(jì)算機(jī)中為每個(gè)控制器的可執(zhí)行組態(tài)代碼創(chuàng)建一個(gè)包含若干虛擬子機(jī)的虛擬運(yùn)行環(huán)境，從而可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)構(gòu)成上保持與實(shí)際儀控系統(tǒng)相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此種方案通常由DCS廠家基于DCS的平臺(tái)進(jìn)行補(bǔ)充開發(fā)[9]。

利弊：由于此種方式采用的控制邏輯與人機(jī)畫面與實(shí)際DCS系統(tǒng)完全一致，因而可以在模擬機(jī)集成測(cè)試環(huán)節(jié)提前發(fā)現(xiàn)DCS控制邏輯或算法的問(wèn)題，從而減輕真實(shí)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段的壓力。虛擬實(shí)物仿真方式的逼真度和可信度遠(yuǎn)高于純模擬或翻譯式仿真，因此可以真正有效、經(jīng)濟(jì)和廣泛地應(yīng)用于電廠運(yùn)行人員培訓(xùn)。但也正是因?yàn)檫@種實(shí)施方式的輸入文件來(lái)源于實(shí)際DCS供應(yīng)商，因此在其具體實(shí)施過(guò)程中不論是時(shí)間進(jìn)度還是資金成本都將受到供應(yīng)商的制約。

2.4 激勵(lì)式（Stimulation）

原理：激勵(lì)式仿真有時(shí)也被稱為實(shí)物仿真，即在模擬機(jī)中使用與參考電站相同的儀控系統(tǒng)軟硬件來(lái)復(fù)現(xiàn)參考機(jī)組的儀控系統(tǒng)功能。因此，它的啟動(dòng)時(shí)間最晚，因?yàn)樾枰鹊紻CS供應(yīng)商的軟件硬件都具備復(fù)制條件后才能進(jìn)行。為使其具備如運(yùn)行、凍結(jié)及復(fù)位等模擬機(jī)所必備的功能，還要對(duì)其進(jìn)行仿真功能開發(fā)。

利弊：這種仿真方式的最大特點(diǎn)是逼真度非常高，可以對(duì)主控室人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)測(cè)試與驗(yàn)證。但考慮實(shí)際儀控系統(tǒng)硬件體系龐大且價(jià)格昂貴，以及模擬機(jī)所必須的某些特有功能，如：“運(yùn)行/凍結(jié)、減速/加速以及IC加載等”難以實(shí)現(xiàn)等諸多問(wèn)題。因此，該方法幾乎不用于模擬機(jī)對(duì)儀控系統(tǒng)控制層的仿真，而主要用于對(duì)主控室中操作員站及硬盤臺(tái)系統(tǒng)的仿真[6]。

3 仿真方案的選擇

通過(guò)對(duì)以上4種仿真方式的實(shí)施原理及利弊進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)每種實(shí)施方案各有其特點(diǎn)，將其特性進(jìn)行分類并加以對(duì)比，可以得出如表1所示的關(guān)系。核電廠模擬機(jī)在實(shí)際工程應(yīng)用中，這4種仿真方式各有其應(yīng)用場(chǎng)景。

表1 4種實(shí)施方案的特性對(duì)比Table 1 Features comparison of the four technical solutions

1）全范圍模擬機(jī)

全范圍模擬機(jī)因?yàn)橐獫M足操縱員執(zhí)照考試的需求，其控制室的環(huán)境及硬件設(shè)施要求與真實(shí)電站主控室看起來(lái)完全相同，所以保真度是全范圍模擬機(jī)控制室最主要關(guān)注的特性。因此，激勵(lì)式仿真通常會(huì)被用在全范圍模擬機(jī)主控室的建造中。

2）教學(xué)仿真模擬機(jī)

由于安全性是核電廠運(yùn)行的首要目標(biāo)，因而除了對(duì)操縱員需要進(jìn)行教學(xué)培訓(xùn)以完成執(zhí)照考試外，還有現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)及運(yùn)行維護(hù)人員等也同樣需要獲得特定的培訓(xùn)。考慮全范圍模擬機(jī)造價(jià)昂貴，因此可以滿足眾多不同人員對(duì)特定學(xué)習(xí)需求的教學(xué)模擬機(jī)即成為核電廠用戶的又一需求。在這種背景下，經(jīng)濟(jì)性成為教學(xué)模擬機(jī)的首要關(guān)注特性。因此，相比全范圍模擬機(jī)，主控室的環(huán)境將采用純模擬的方式在計(jì)算機(jī)中實(shí)施。

3）新建機(jī)組模擬機(jī)

由于模擬機(jī)所承擔(dān)的培訓(xùn)教學(xué)作用，因而通常要在核電廠正式商運(yùn)前很長(zhǎng)時(shí)間就要交付用戶，用于開展培訓(xùn)工作以確保工作人員具備相應(yīng)的運(yùn)行操作能力。但模擬機(jī)DCS仿真開發(fā)過(guò)程所需的數(shù)據(jù)又有賴于真實(shí)工程的提供，為緩解這種需求與時(shí)間上的矛盾，通常可以選擇在模擬機(jī)的建設(shè)初期采用純模擬的方式，雖然保真度低，但因?yàn)椴灰蕾囉贒CS供應(yīng)商，所以啟動(dòng)時(shí)間早，可以提早開展與模擬機(jī)其他部分的集成工作。后續(xù)再在適當(dāng)時(shí)候，將DCS部分替換升級(jí)為虛擬實(shí)物或激勵(lì)式仿真以滿足用戶的最終需求。

4）工程模擬機(jī)

以上3種實(shí)施方案是從核電廠最終用戶的需求角度進(jìn)行的分析。在核電廠的建設(shè)過(guò)程中，有時(shí)還需要工程模擬機(jī)來(lái)滿足工程實(shí)施單位對(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程的驗(yàn)證需求。如儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)單位在完成控制策略的初步設(shè)計(jì)后，需要對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。這種情況下，采用純模擬的方式將控制邏輯及人機(jī)畫面的設(shè)計(jì)文件在模擬機(jī)平臺(tái)上完成組建，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬電廠的運(yùn)行控制過(guò)程以檢驗(yàn)控制策略的設(shè)計(jì)效果。DCS供應(yīng)商在完成對(duì)設(shè)計(jì)院上游輸入文件的組態(tài)開發(fā)形成軟件后，則可采用虛擬實(shí)物的方式集成到模擬機(jī)的環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)組態(tài)開發(fā)環(huán)節(jié)的驗(yàn)證。

4 結(jié)論與展望

綜上所述，仿真方案的選擇需要在理解各種仿真方式原理的基礎(chǔ)上，對(duì)不同用戶的需求進(jìn)行分析，在比較各種方案的特性之后，最終做出權(quán)衡后的選擇。目前已有的4種仿真技術(shù)已經(jīng)可以采用單一或組合的方式，從多個(gè)角度滿足各類用戶在不同階段或場(chǎng)合的多種需求。近年來(lái)人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，智能化的DCS實(shí)施方案也許會(huì)在不久的將來(lái)應(yīng)用到核能領(lǐng)域。因此，模擬機(jī)DCS仿真技術(shù)需要持續(xù)的關(guān)注與開發(fā)以適應(yīng)市場(chǎng)的新需求。