核电站DCS仿真的三种实现形式探讨
2010-02-09魏来，陈森
魏 来，陈 森
（中核集团三门核电有限公司，浙江 三门 317112）
1 DCS仿真的定义
1.1 纯模拟（Simulation）
纯模拟，使用模拟机开发环境下的建模技术来复现参考机组的系统或子系统。由DCS仿真供货商直接根据DCS的I/O清单、控制逻辑图以及DCS图形化控制界面进行仿真。
1.2 虚拟实物模拟（Emulation）
虚拟实物模拟，特指通过将电站的系统或子系统的软件移植到模拟机运行环境下工作，其硬件平台可以是模拟主机，也可以是独立的计算机，来复现参考机组的系统或子系统。
1.3 实物模拟（Stimulation）
实物模拟，在模拟机中使用电站的真实系统或子系统的真实硬件和软件来复现参考机组的相应系统或子系统。
以上简要介绍了模拟机DCS仿真3种主要形式的定义和特点，下面将介绍DCS仿真的具体实现方法。
2 DCS仿真的具体实现方法
2.1 纯模拟的实现方法
纯模拟主要由DCS仿真供应商采用成熟的仪控组态软件，使用电站提供的可用于组态的仪控I/O清册、控制逻辑以及MMI人机接口界面对电站DCS直接组态供模拟机使用，主要包括点的组态、控制逻辑的组态以及图形界面的组态3个步骤。
第一步，需要将建模过程中用到的外部变量以及内部变量在数据库管理系统中完成定义，主要包括对模拟量输入输出（AI/AO）、数字量输入输出（DI/DO）以及控制算法中用到的一些中间变量点等进行定义并分组，由于核电站系统较多，通常百万千万级核电站的点数都在万点以上。
第二步，使用控制逻辑组态软件按照核电站核岛、常规岛以及公用系统的控制逻辑图进行组态。
第三步，完成MMI图形界面转换与控制点以及控制逻辑相对应。
第四步，与工艺系统进行集成测试，与核电站实际控制系统进行对比完善，消除不一致以及偏差，完成后下装入电站模型主机供使用。
2.2 虚拟实物模拟的实现方法
由DCS仿真供货商将电站控制系统供货商组态完成的控制逻辑以及算法，经过软件翻译的方式转换为模拟机可用的逻辑与仿真平台进行集成，包括点的翻译、控制逻辑的翻译、图形界面组态与电厂DCS保持一致等。
模拟机供应商为保证模拟机DCS控制系统与核电站DCS系统的高度一致并减少开发工作量，通常采用Emulation的方式在电站DCS系统组态完成后通过特定的经过V&V（检验和确认）的翻译软件翻译后供模拟机使用。
WEC公司在模拟机DCS虚拟实物仿真上具有丰富经验，曾经使用过Rose以及OpenSim对DCS进行翻译仿真。目前采用一种更为先进的Migration Tool的工具对全球多个核电项目进行DCS仿真，主要有Vogtle核电站的给水控制系统，McGuire核电站的核蒸汽供应系统等，以及正在建造中的浙江三门核电站以及Vogtle3号、4号机组模拟机的安全级控制系统以及非安全控制系统的DCS仿真实现。
2.3 实物模拟的实现方法
实物模拟主要考虑以真实的DCS机柜软硬件来实现仿真，对比于实际核电站的DCS系统的四层结构，具有除电厂接口层（泵、阀、风机等执行机构以及传感器等测量元件）以外的过程处理层，实时数据传输网络以及操纵员层在内的其他三层结构。
3 三种仿真方式的优缺点
3.1 纯模拟的优缺点以及适用项目
优点：
（1）使用电站I/O清册以及控制逻辑图进行组态，在一定程度上可以避免DCS承包商设计组态工期滞后对模拟机工程进度的影响。
（2）较少地使用DCS系统硬件，节约成本，便于硬件维护。
（3）有利于打破DCS供货商以及模拟机供货商作为一家供应商时垄断要价的局面。
缺点：
（1）模拟机设计阶段需要向模拟机承包商提供大量文件、图纸，工作量较大且繁琐。
（2）DCS仿真过程组态的工作量较大，相当于对DCS重新组态，模拟机供货商人力成本增加较大，直接增加了模拟机建造成本。
（3）与实际DCS控制系统存在偏差以及不一致的风险，需要长期验证消缺。
（4）变更以及记录较难，需要模拟机维护人员具备很高程度的DCS组态变更维护能力。
适用项目：
从纯模拟的特点来看，主要适用于控制点数较少，组态规模较小的DCS系统。核电站由于控制点数较多（相对于火电站），DCS组态周期长且工作量较大，模拟机供货商组态人力的投入将直接导致模拟机建造费用增加，一般情况下不建议单独由模拟机仿真供货商采用纯模拟的方式单独进行模拟机DCS仿真，而是建议采用DCS供货商与模拟机供货商共同合作开发的方式进行模拟机DCS仿真，从而共享部分组态技术成果达到有效降低模拟机建造成本的目的。
3.2 虚拟实物模拟的优缺点以及适用项目
优点：
（1）采用成熟的经过V&V（检验和确认）的软件将组态完成的DCS文件进行翻译，使用可靠性高，成本较低，耗时较少。
（2）较少地使用DCS系统硬件，节约成本，便于硬件维护。
（3）能够较好的与实际DCS系统保持一致。
（4）DCS组态文件易于维护和变更控制。
缺点：
（1）受限于DCS组态进度，DCS可用于模拟机的文件释放点时间必须保证模拟机可以按时用于核电站操纵员培训。
（2）在核电站DCS与模拟机非同一家供货商时，DCS供货商由于知识产权保护等原因可能拒绝向模拟机供货商提供一些组态源代码以及核心文件。
适用项目：
适用于控制点数较多，组态规模较大的核电DCS仿真。但是对于新建核电项目，尤其是没有参考电站的核电项目，潜在存在的DCS的设计以及组态等工程进度滞后等不利因素可能对DCS仿真乃至模拟机按时可用造成冲击。
3.3 实物模拟的优缺点以及适用项目
优点：
（1）使用DCS真实硬件和软件最大限度地实现仿真。
（2）彻底消除模拟机DCS与实际DCS的不一致以及偏差。
缺点：
（1）由于大量采用DCS硬件，对于规模较大的系统将直接导致模拟机成本增加。
（2）增加了DCS硬件维护工作量。
（3）受制于DCS设计组态进度。
适用项目：
实物模拟主要适用于控制点数较少，采用DCS硬件较少的DCS系统，不适用于大规模的核电站模拟机DCS仿真设计。
但是，对于已有模拟机核电站的部分系统DCS改造，在涉及硬件较少的情况下可以考虑采用实物模拟的实现途径。
4 小结
核电站模拟机DCS仿真需要最大限度地反映机组DCS真实设计，同时由于模拟机的可用必需按时满足核电站操纵员培训，因此对于核电站DCS仿真的实现形式选择时就需要在经济性、精确性、变更易维护以及对工程项目的时间进度影响等方面进行综合考虑，根据项目实际情况选择最有利的实现途径。
[1] Jin Joo Lee, Paul A. Fishwick. Real-Time Simulation-Based Planning for Computer Generated Force Simulation[R], 1994：10-63.
[2] Richard H. Hill. Simulation, emulation, &translation[J]，SIMULATION Feb 1968，10: 81-84.
