核电厂DCS全范围验证系统0层设备仿真的实现

刘跃锋 李平 马陟 刘祖伦

【摘 要】 随着国内的核电站建设规模不断增大，为了提高核电的自主供货比例，研制开发国产核电站用DCS势在必行。因此，对于核电DCS平台的仿真验证工作变得非常重要。仿真验证工作的关键，是在于如何更真实、更高效地对设备层（0层）进行模拟。论文基于实际工程实施，讲解了一种0层设备仿真功能的实现方式和原理。

【Abstract】With the increasing scale of nuclear power plant construction in China， it is imperative to develop the domestic DCS for nuclear power plant in order to increase the proportion of independent nuclear power supply. Therefore， the simulation of the nuclear power DCS platform is very important. The key of simulation verification is how to simulate the equipment layer （0 layer） more realistically and efficiently. Based on the implementation of the actual engineering， this paper explains the realization mode and principle of the simulation function of 0 layer equipment.

【关键词】核电DCS；验证样机；非安全级

【Keywords】 nuclear power DCS； verification prototype； non-security level

【中图分类号】TL48 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）04-0192-03

1 引言

近年来，国内的核电站建设规模不断增大，在建和商运核电站DCS系统几乎全部用的是国外系统，中核控制系统工程有限公司所自主研发的Nicsys 2000 DCS平台，力图打破这一外国产品大量垄断的局面。然而核电站对于DCS系统稳定、可靠性比其他DCS系统的要求高，为验证新的DCS平台能否在核电站非安全级DCS系统可靠、稳定的运行，参照在运行的某核电站DCS系统，公司在内部搭建了一套非安全级DCS系统工程样机，以验证NicSys 2000平台的可用性[1]。

2 验证系统组成

为了验证Nicsys 2000系统的可靠性，本系统中采用实物模拟方式，在工程样机中使用真实硬件和软件来复现参考核电机组的全部子系统。虽然由于大量采用DCS硬件，增加工程机成本，但是使用DCS真实硬件和软件最大限度地实现仿真。彻底消除模拟机DCS与实际DCS的不一致以及偏差。典型的DCS系统分为0层现场设备层（泵、阀门、仪表）；1层过程控制层；2层操作监控层和信息管理层。

①核电站现场的0层是独立的设备，设备的运行状态通过电缆或者通讯连接到DCS 1层，在DCS样机系统中，不可能有这么多的现场设备，但为了实现仿真DCS系统的仿真运行，在工程样机中设立独立的服务器来仿真 0层电站真实设备的运行状态和仪表信息。它通过DCS 0-1层通信接口程序通过电缆和通讯与DCS1层进行信号数据交互。②过程控制层（DCS1层）的控制系统工程非常复杂，一般采用分系统的方式对控制工程进行划分，并下装至不同控制器中。因此一个核电控制过程一般包含多台控制器，控制器之间通过局域网络完成站间数据通信；而且，各个控制器作为独立的个体向操作监控层交换数据。③操作监控层（DCS2层）主要面向现场操纵员，它收集DCS1层的输出数据，进行工艺流程图的显示、重要参数的趋势监测，并根据操纵员的指令进行系统控制。DCS2层的操作指令则按照上述过程的反向反馈进DCS0层，由此形成整个DCS系统的信息闭环。

3 0层仿真模型服务器实现的功能

仿真模型软件以M310核电机组為参考机组，为DCS全范围验证系统提供一个电厂实际工艺系统的仿真平台，与DCS一层、二层连接，构成一个完整的电厂系统，用于Nicsys 2000系统的验证。模型软件将实时再现核电厂的性能与行为，所有在模拟的计算机工作站上观察到的现象以与参考机组的实际响应相同的速度显现出来。模拟的质量保证系统的响应与实际过程基本一致。

仿真模型软件的模拟范围涵盖维修冷停堆状态至满功率运行状态、各事故状态以及包括运行规程（包括在停堆换料期间的电站状态）内的全部范围。也就是说仿真模型能够尽可能地模拟参考机组在所有电厂工况下的行为，如：①参考机组正常操作，包括主回路系统的排水及半管运行等；②在任何正常运行状态期间的异常扰动；③事故运行（包括所有设计基准事故和部分超设计基准事故）。

仿真模型软件对参考机组的所有系统特性进行完全的、综合的和实时的仿真。各系统模型提供与其他相关仿真系统之间的接口，提供一个针对参考机组正常、异常和电站事故工况条件下以连续的和重复方式进行的完整和实时的模拟。仿真模型软件的响应不允许出现误导操纵员或导致操纵员不适当的动作等明显偏离参考机组实际响应的行为。仿真模型软件对各系统中的设备和部件如电机、泵、阀门、调节器等的动态运行特性和运行状态进行模拟。计算机化的人机界面系统应以一个合理的方式进行模拟，确保仿真模型软件对该部分系统模拟的逼真度。

工艺过程模型基于物理原理、参考机组的PI&D;图，功能图，SAMA图等，真实地反映电厂实际状况。所有模型都将基于“最佳估计”模型，而非“保守”模型设计。调节器的物理原理和运算都以数学模型的微积分和代数等式进行描述，特别是质量、能量和动量守恒定理将用于模型等式的推导[1]。控制逻辑将用布尔方程进行描述，功能图等应维持原样导入并进行自动数据链接。

在仿真模型中主要包括了堆芯物理学或动力学模型、堆芯热工水力模型、安全壳模型、汽轮机模型、发电机模型及其他设备部件模型。仿真真实电站工艺过程，系统功能是以被测物理变量和过程状态等式来完成描述的。除状态变量外，工艺过程模型的输入数据，包括其他模块的计算变量、泵状态、阀和风机的远程和就地控制，故障的狀态变量信息和外部的参数都在仿真模型软件中设定。

4 0层设备仿真的实现方案

仿真系统的主要目的是为了验证Nicsys2000系统的应用可靠性、可用性，需要对包括控制器、I/O板卡、各层软件等进行全方位的验证，所以本系统中以实物仿真为主，1：1重构核电站非安全级DCS系统。0层设备的设备仿真采用与 DCS 1层相同的控制板卡，来实现DCS系统的仿真。有些功能无法通过IO板卡来实现，则通过用仿真控制器来实现，并实现了仿真软件与DCS硬件的通讯。

4.1 仿真模型与DCS一层之间通过I/O板卡功能的实现

为了验证Nicsys2000系统的稳定性和可靠性，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，暨采用真实DCS的硬件、软件和网络系统的再现现场执行机构。虽然实物模拟软硬件实现成本很高，与电厂工艺系统模型层之间的接口复杂，但实物模拟具有很高的软硬件逼真度，能够完全验证DCS系统的性能。

在验证系统DCS一层按照真实核电厂非安全级DCS系统完全相同的配置，来配置DCS系统的一层，整个系统工应用68台控制柜，IO点数共计15566点。

在设备仿真侧同样采用Nicsys2000系统，只是把一层DCS系统中的开关量、模拟量输入卡变为开关量、模拟量输出卡，一层DCS输出卡变为输入卡，一层DCS系统与仿真0层的IO卡件通过电缆连接。

在0层系统中配置模型服务器1台，实现现场设备的仿真，模型服务器通过以太网与通讯网关相连，通讯网关将模型服务器设备仿真数据转换为Nicsys2000系统的通信协议，并将0层通讯控制器数据经过处理后发给模型服务器，进行双向数据通信。0层通讯控制器通过以太网接收到网关的数据后，经由NicBusII总线将数据和命令发送IO板卡，0层IO板卡在通过硬接线电缆间数据发给1层控制器IO板卡，1层控制器接收到数据后进行逻辑运行，并把运行结果和下一步的命令反向发给模型服务器，模型进行下一步的运行。同时1层控制器并把设备数据发送给2层进行数据显示和操作员操作，现场设备形成一个闭环的控制，达到现场设备的仿真运行。

4.2 仿真模型与DCS一层通过虚拟控制器连接的实现

有些现场设备中输入无法通过硬接线将数据发送给1层控制器，比如温度信号，热电偶信号等，这些信号处理需要用到虚拟机控制器，虚拟机控制器通过一层监控网络将数据发送给控制器，设备仿真控制。

虚拟控制器通过移植实物控制器的控制软件实现，它是执行控制组态程序的核心。通过修改系统接口和资源分配策略，将实物控制器中的下位机软件移植进Windows系统中，并保持其核心执行代码不变，可以直接加载运行控制组态程序。虚拟控制器和实物控制器采用相同的运行环境配置和控制组态程序，可以确保对于同样的输入信号，两者具有同样的输出响应，并保证了实物控制器的组态程序和虚拟机的组态程序相互通用。

虚拟控制器的通信包括： DCS 0层端通信、DCS 2层端通信、控制器站间通信三部分。

①DCS 0层端通信。虚拟DCS 0层端通信接口程序负责与DCS 0层的数据交互，仿真模型服务器（与实务控制器模型仿真为同一套模型）将数据发送给通讯网关，通讯网关将接收到的仿真数据通过共享内存直接转发至虚拟I/O 通信板卡中，由 I/O 驱动传送至虚拟控制器中，虚拟控制器进行逻辑处理和模拟量处理，处理完成后，虚拟机控制器下发指令进行逆向处理 ，仿真模型服务器。②控制器站间通信。站间通信服务程序主要负责虚拟控制器、虚拟控制器与实物控制器之间的数据传输。为了能够实现与实物控制器的通信协议兼容，虚拟控制器间采用实物控制器的站间通信协议，并按照配置文件的配置信息进行站间数据发送，同时采用定周期方式发送。同时控制器通讯数据后，根据自身配置信息，判断是否保存至自身的实时数据库中，供虚拟I/O设备驱动读取。虚拟控制器与实务控制器之间的站间通讯是通过DCS 1层控制网络实现。③DCS 2层端通信。DCS 2层端通信负责虚拟控制器和DCS 2 层之间的数据交互。它主要完成以下工作 ：将 DCS 1 层的过程控制变量传送至 DCS 2 层 ；接收 DCS 2 层的操作指令。虚拟控制器不仅仅是补充了硬接线仿真系统中无法实现的功能，同时虚拟控制器系统过程控制层软件也为DCS工程控制组态提供了一整套测试、验证调试的平台，能够用于DCS工程组态和仿真验证，有效的压缩DCS工程组态开发调试时间，而且该软件具有与真实DCS系统一致的仿真度，对于全范围模拟的性能和仿真度也有极大的改善。

5 结论

针对自主研制的 Nicsys2000系统工程样机，以参考机组DCS系统为基础，建立全套、实用、可靠和先进的仿真环境，再现核电站DCS的控制逻辑功能设计调试、控制参数整定、控制策略优化和事故工况，为验证Nicsys2000样机系统的高性能和高可靠性提供了有力的保障。

【参考文献】

【1】刘鹏飞.核电厂DCS系统功能验证工程模拟机研究[J].核动力工程， 2009（30）：48-51.