基于仿真技术的核电站DCS人机界面验证研究

尹继超 向俊瑛 曲鸣

摘 要：把FES（Full Scope Engineering Simulator）作为仪控系统设计验证平台，可以为核电站主控室人机界面设计（Distributed Control System）以及运行导则、规程的编制提供直观的技术手段。使用FES平台和相关工具，可对DCS系统的逻辑控制层和监控层设计进行分析验证，该文重点介绍DCS系统流程图和数字化规程的验证过程及验证方法。系统流程图涵盖了电厂各个主要系统的运行画面，包括一回路、二回路、辅助系统、通风系统和三废处理系统等；数字化规程的验证包括数字化系统规程、数字化总体规程和数字化紧急事故操作规程（EOP规程）的验证。

关键词：验证平台 分布式控制系统 人机界面 数字化规程

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（a）-0006-03

Verification and Validation of DCS HMI in Nuclear Power Station Based on Simulation Technology

Yin Jichao Xiang Junying Qu Ming

（Wuhan nuclear power operation technology Limited by Share Ltd.，Wuhan Hubei，430223，China）

Abstract：Full Scope Engineering Simulator is a verification and validation method for the system design of the main control room of the nuclear power station.The simulation platform and tools will be suitable for the design and analysis of the level 1 and 2 DCS.In this paper，we focus on the verification and validation of the system display and the computerized procedures.System display covers the major system of nuclear power plant；.Computerized procedures inclues computerized system procedures，general procedures and emergency operating procedures.

Key Words：Full scope engineering simulator；Distributed control system； Human machine interface；Computerized procedures

1 应用背景

DCS系统仿真验证指在仿真环境下，用计算机模型程序模拟生产过程，DCS系统进行双向数据交换，DCS系统接受到模型对象数据后，在实际控制器或虚拟控制器中进行运算，再输出控制结果至模型计算机，构成控制闭环。通过对模拟核电厂的操作测试，达到检验所设计的DCS系统的设计方案是否正确，监视控制、数据管理、操作规程等功能否满足最终用户的需要的目的。FES（Full Scope Engineering Simulator）可以有效地配合控制室系统的设计，提供相关的验证支持工作。

2 验证应用范围

FES平台可用于对DCS系统的过程控制层和人机界面层的设计进行分析并执行一定的安全分析验证[1]。首先基于目标电厂建立完整的对象数学模型，核电厂的设备、流网、反应堆物理模型的建立是一个庞大的系统工程，因此核电厂DCS设计验证平台的开发必须分步骤进行，逐步扩充、完善。该项目的应用中使用了RINSIM仿真支撑平台及系列仿真建模工具，仿真DCS软件。

2.1 控制逻辑功能的设计验证

通过图形化建模工具SimGen，按照设计文件建立仿真模型，包括流体系统（可压缩流体网络和不可压缩流体网络）、控制系统以及电气系统模型软件。SimGen图形建模工具主要为仿真建模提供方便、智能化的图形开发工具，减少开发周期和劳动强度。在使用SimGen时，用户可根据仿真对象的特点，从SimGen的模块库中选择相应的模块并通过图形组态建立仿真对象模型。与支撑软件SimBase无缝集成，通过SimGen图形环境，可以直接完成SimBase下数据点生成、源程序生成、编译、连接、加载和程序运行调试。

2.2 人机交互操作设计验证

DCS人机界面层软件功能主要包括报警功能、趋势、数字化规程、挂牌功能、当前值、状态表等，MIMIC系统流程图的验证工作是其中最重要也是工作量最大的。与设计方约定制图规范，把设计图存为Visio可编辑格式，可以以文件直接导入的形式，方便快捷的实现设计数据到仿真平台的输入转换。导入工具为RINSIM平台下的图形编辑器SimDraw，SimDraw是仿真平台RinSim的组成部分，是用于仿真流程图和软台屏图开发的多文档图形编辑器，除了可以用来绘制一般的静态图形外，还可以用来生成仿真界面中用到的监控使用的动态图形。

系统流程图验证平台的开发过程主要包括如下几个步骤。

（1）系统流程图的绘制。

系统流程图的绘制环境为微软的工程绘图工具Visio，方便绘图工程师利用个人电脑绘制高质量的图纸。

（2）图元库部件的建立。

库部件的建立包括Visio库部件的建立和Simdraw库部件的建立两个过程。Visio库部件用于系统流程图的绘制过程，是包含多种部件信息的标准化图元；Simdraw库部件用于实现部件的动态设置和生成动态。

（3）导入工具的开发。

图形导入工具Simdraw能够识别使用VISIO绘图工具绘制的图文件，直接导入到FES平台上的图文件能够支持设备元件的动态设置、图间链接、控制窗链接等功能，自动完成图形组态过程。Simdraw提供了接口，可以将Visio生成的vdx格式的文件与Simdraw格式的文件进行相互转换，并完整的保留其图形信息，保证画面的正确性和完整性。

（4）MIMIC运行环境的开发。

HMI的MIMIC功能组件是系统流程图的最终运行环境。通过Simdraw导入的流程图文件可以在HMI平台上直接显示和运行。MIMIC运行界面的左侧主体区域为画面显示区域，实时显示阀门、开关的开关信息、液体的流量、温度的测量值、电压的高低等动态信息；MIMIC运行界面的右侧为部件的控制窗显示区，该区域显示当前选中部件的实时数据或可操控的按键信息。

2.3 电厂规程验证及编制支持

电厂规程验证及编制支持是基于仿真模型、系统流程图和数字化规程三者基础之上的验证工作。数字化规程可以充分利用计算机处理信息的优势，使主控室操纵员可以非常灵活的寻找信息，在规程与画面、画面与画面及规程与规程之间进行相互调用。把电厂运行规程通过导入工具加入到验证平台中，逐份验证规程电子化后的操作响应。

数字化规程验证平台的开发过程主要包括如下几个步骤。

2.3.1 规程的编制

一般由电厂操作员根据经验编制电厂运行需要的系统规程、总体规程和EOP规程等。

2.3.2 规程的数字化处理

规程以Word文档格式提供，并填写到标准格式的表格中。给规程的章节编码，给出MODE或SHEET编号；用特殊字符标识需要实时显示的设备代号；需要记录或时间记录的位置添加Recorder标识；对于需要连接到二层画面、规程其他章节、现场操作单、其他规程的位置加入连接标识和目标位置编码；对于需要确认操作执行的位置加入拣取框标识符。

2.3.3 导入工具软件的开发

根据MOS（MODE或SHEET）编号，导入软件将Word版规程拆分成可供运行环境调用的数个文件，并读取特殊的标识符：数字显示符、Recorder或时间Recorder、连接符和拣取框标识符等。

2.3.4 数字化规程运行环境的开发

数字化规程的运行环境读取通过导入软件生成的规程文件，并通过标识符在相应的位置生成信息显示或动态可操作的元部件。

3 验证过程

3.1 系统流程图的验证

系统流程图的验证工作的目的有验证一层逻辑与二层动态的兼容性、二层画面操作设计的正确性与完整性，二层画面布局的设计合理性。详细的验证工作按以下几个方面展开。

（1）图形是否易于辨识；

（2）画面信息的可靠性和有效性；

（3）部件显示功能；

（4）部件控制功能；

（5）通过元件的显示功能和控制功能测试，验证一层控制逻辑与二层动态显示逻辑的设计兼容性；

（6）根据画面操作验证工艺过程正确性。

3.2 数字化规程的验证

数字化规程功能包含数字化规程部分和电子化规程部分。电子化规程仅用于显示和浏览；数字化规程是动态可操作、执行的计算机化规程。数字化规程主要包括三大部分：数字化系统规程、数字化总体规程和数字化紧急事故操作规程（EOP规程）。

验证关注的内容包括参数显示、操作链接、确认条件的判断等等。设置时间或事件触发条件，弹出相应工况的操作规程，指导操纵员操作，验证操作规程的正确性。设计验证平台具有和参考机组FSS一样的运行范围，包括机组从冷停堆至额定功率工况；机组从额定功率至冷停堆工况；功率运行和负荷变动；偏离正常运行的主要瞬态工况（包括常见故障，某些不常见的故障）以及严重事故工况的模拟。

数字化规程的验证工作的目的有验证规程本身的成熟可用性、验证一层模型的功能完备性、验证二层画面的设计合理性。详细的验证工作按以下几个方面展开。

（1）规程内容的合理性和完整性；

（2）规程中数字显示、Recorder和连接的正确性；

（3）规程流程的正确性；

（4）通过执行规程可以验证一层模型的各项指标是否满足要求及是否达到模拟范围的要求；

（5）通过执行规程可以验证二层画面显示的内容是否满足执行规程所需的信息。

设计验证平台主要完成了以下的各项工作。

（1）核岛设计验证，模型的范围限制于NI/CI的相关系统及其一层的设计验证工作并基于这一范围考虑事故分析结果对其进行模拟；

（2）进行主控制室人机界面详细设计的验证工作并为DCS系统人机界面设计提供输入；

（3）编制和验证电厂运行/事故规程支持；

（4）系统设计验证。

4 验证效果评价

动态验证参考NUREG-0711进行。（如图1所示）

以某核电工程中的一次验证活动为例，验证平台的应用效果统计（如表1）。

工程应用实践表明，使用验证平台节省了工程验证时间，提高了验证正确率。

5 结语

核电DCS设计验证平台为核岛的设计、控制室系统的设计、运行规程的编制、分析研究运行事件、工程技术人员的培训提供了一个工程验证的仿真平台，满足了核电工程设计验证的需求，为核电厂在投产后的安全高效运行提供了有力保障[3]。

参考文献

[1] 曲鸣，张玉峰，李姝，等.核电厂DCS仿真与设计验证[C]//中国核学会2009年学术年会论文集（第一卷·第3册）.2009.

[2] 曲鸣，张玉峰，刘伟，等.核电厂DCS设计验证平台[C]//中国核学会2011年学术年会论文集第3册（核能动力分卷（下））.2011.

[3] 张玉峰.设计验证平台设备技术规格书[R].2009.

[4] 王剑平.全范围模拟机开发项目总体设计说明书[R].2009.

[5] Deng Geyan，Yin Jichao.Studies on Configuration of NPPs DCS HMI Simulation[C]//2014 International Conference on Future Computer and Communication Engineering.2014.