核电厂DCS系统调试装置研制

覃 华，刘培邦，张绪怡

（中核武汉核电运行技术股份有限公司 仿真中心，武汉 430223）

0 引言

目前国内外新建核电站都采用分布式控制系统（DCS），DCS的功能和性能直接关系到核电厂的安全性与经济性[1]。因此，核电厂DCS系统投入使用之前，需要进行大量的现场调试工作，以确保DCS系统功能及性能满足核电厂要求。传统的DCS系统调试方式是根据测试规程，通过短接线或信号发生器手动为I/O模块注入输入信号，然后查看I/O模块输出信号。此种方式每次只能完成单个通道的测试，无法测试完整的设备联锁控制逻辑以及DCS机柜整体的性能，而且核电厂DCS系统的I/O规模基本都在10000点以上，采用传统调试方式，需要大量的人员和时间，而且容易引入人因失误。

本文所描述的核电厂数字化仪控系统调试装置，通过构建全厂的工艺系统和控制逻辑仿真模型，采用快速I/O接口技术以及控制逻辑虚实切换技术，与核电厂DCS构成完整闭环，可根据调试需求灵活实现对通道、模块、机柜、子系统以及全厂DCS系统的测试、验证。同时，利用该调试装置可进行核电厂DCS在稳态、故障、事故等各类场景下的功能和性能验证。将仿真技术应用到DCS出厂阶段测试已经逐渐被各大DCS厂商认可，这种模式的测试也正在成为当前DCS工程实施阶段测试的主要方法[2]。

1 系统概述

1.1 研制流程

本装置的研制包含了各种硬件的选型、集成，应用软件开发，主要开发流程如下：

图1 系统结构图Fig.1 System structure diagram

1）开发电厂工艺过程模型和仿真DCS一层。

2）选取待测试的系统，整理该系统的I/O清单。

3）根据选择系统的I/O信息，配置硬件I/O板卡，制作便携式调试箱。

4）开发接口。

5）根据清单配置I/O板卡，整理出配置文件。

6）开发IOMAP软件。

7）编写测试用例及规程。

根据测试规程，选取工作模式一和工作模式二，对比关键参数的曲线和逻辑响应。

1.2 系统工作原理

在本装置的研制及使用过程中，电厂模型与DCS一层有两种连接模式，系统架构如图1所示。

模式一（DCS一层采用仿真方式）：电厂工艺模型和DCS一层仿真系统在服务器内通过接口程序构成闭环。

模式二（DCS一层采用混合模式）：一部分DCS一层逻辑在DCS仿真系统中，通过接口程序与工艺系统模型构成闭环；另外一部分待测试系统（或机柜）的DCS一层逻辑在DCS一层机柜中，经I/O通讯板卡，通讯协议传递给测试系统（或机柜）对应的电厂工艺模型；使DCS一层逻辑与电厂模型构成闭环。

2 系统设计

本系统主要包括硬件系统、DCS一层仿真软件、电厂工艺模型软件、调试管理软件等部分。

2.1 硬件构架

本装置的硬件部分主要包括：服务器、调试箱、与DCS控制器机柜的接口，硬件架构如图2所示。

服务器用于运行电厂工艺模型、DCS一层仿真系统软件、通讯以及工程调试管理软件。在开发阶段，采用机架式服务器；工程应用阶段，为了方便移动，可采用便携式移动终端配合服务器使用。

图2 核电数字化系统调试装置硬件架构图Fig.2 Hardware architecture diagram of nuclear power digital system debugging device

便携式调试装置主要包括电源、通讯控制器、I/O模块和小型交换机等，主要用于将模型软件计算出的工艺过程数据传递给实际机组的DCS控制机柜，同时将DCS控制机柜的控制输出信号反馈到服务器中。调试装置将根据电厂实际DCS机柜的通道类型和通道数，来配置不同种类和数量的I/O模块。为了在工程应用中方便携带，移动测试不同系统的DCS控制机柜，所有的I/O模块集成在旅行箱形状的调试装置中。

2.2 工艺系统模型与仿真的DCS一层

电厂工艺系统模型和仿真的DCS一层参考机组设计数据，在RINSIM平台上开发，对各主要系统采用不同的软件建模。以下软件/工具都是有广泛的工程应用、成熟的软件。

1）堆芯物理：SimCore

2）主冷却剂系统：SimTherm

3）安全壳：SimCont

4）流体和电气网络系统：SimGen

5）DCS控制层：SimGen

采用纯模拟方式（simulation），按DCS一层控制器的功能分布实现了DCS的控制层的图形化建模，按机柜设计图进行了I/O点表的配置。

DCS一层机柜：在研制过程中，采用仿真的DCS一层机柜代替。机柜的I/O接口部分采用NI的I/O板卡代替；控制逻辑部分在服务器中仿真。

2.3 通讯接口

通信接口软件用于建立仿真模型主机的I/O变量和一层DCS机柜的硬件设备点之间的映射关系，完成软件变量与硬件设备点之间的通信传输。为了提高软件的重构能力，以及软件的通用性，本装置专门设计了软件变量与硬件I/O设备的映射关系工具，该工具的主要功能是建立系统软件变量和硬件设备点之间的映射关系，并产生一系列配置文件供通信接口软件使用。

图3 工程调试管理软件运行界面Fig.3 Engineering debugging management software running interface

通信接口软件为C/S架构，分为模型主机端（客户端）和数据板卡端（服务器端）。其中，数据板卡端的接口软件运行在通信控制器中，作为数据收发的服务器端，接受来自模型主机端请求。同时，数据板卡端的接口软件通过TCP/IP协议将数据同步至数据板卡模块中，进而由其通过硬接线的方式传送至DCS机柜。模型主机端的接口软件作为仿真支撑平台的一部分，由仿真主控程序MST进行统一调度。电厂模型启动运行时，通信接口软件将同时启动，同步连接数据板卡端的服务器程序。

因为核电厂DCS系统验证试验对于I/O采集响应时间有较高的要求，所以在该方案选择了NI的CRIO系列，DCS采样速度最快可到微秒级，满足反应堆保护系统快速响应测试的需求（通过FPGA进行精确的数字I/O时间控制和延时计算），I/O模块通过MXI进行扩展。

2.4 控制切换及配置

工程调试管理软件具备“DCS”和“SIM”两种运行模式：即一般意义上的仿真模式（SIM）和切换至真实控制系统的DCS模式。在SIM模式下，电站过程模型由内部搭建的I&C策略控制运行，在DCS模式下，过程模型由实际DCS控制组态控制，以满足单独控制保护系统一对一的分步功能测试和若干控制保护系统关联运行的开/闭环控制功能测试、逻辑预演及瞬态分析要求 。

根据DCS I/O点清单信息，建立相应的I/O点数据库，每次试验前根据调试规程选取需要通讯的点进行配置，其界面如图3所示。该软件具有如下功能：

◇ 完整的电厂DCS I/O点数据库，数据库支持导入、导出和查询等功能。

◇ 建立调试箱（I/O模块）的接口点数据库。

◇ 设置合理的选择条件对DCS I/O点进行筛选。

◇ 全图形化操作界面，方便进行DCS点与仿真点的匹配或删除等操作。

◇ 自动检测DCS I/O点是否重复匹配，如果是，将报警提示。

◇ 可保存试验I/O点列表，以便下次试验时直接导入

3 应用测试

图4 调试参数曲线Fig.4 Debugging parameter curves

对于数字量系统测试，在调试过程中，根据调试需要可以实时监测到DCS I/O点的计算值，并可对通讯的值进行操作干预，以图形化形式显示。主要包括功能：实时显示被调试DCS I/O点的动态输出值；针对AI、DI类型变量，可进行超控，强制改变从仿真系统传递输入至DCS的值，相当于常规调试的信号注入；对于AO、DO类型变量，可对其在“实际DCS输出”与“仿真DCS计算值”之间进行比较，当偏差大于一定值时将变为红色以警示。如图4所示。软件部分的测试主要是针对电厂实际DCS level 1控制部分的测试。方法如下：

◇ 根据测试规程，整理出所有相关I/O点。

◇ 将这些I/O点置于“SIM”模式。

◇ 按照测试规程，复位相应IC条件，操作模型（模型服务器中的机柜逻辑参考DCS level 1的设计文件），观察变量响应。

◇ 将这些I/O点从“SIM”模式切换到“DCS”模式。

◇ 复位同样IC条件，在模型上做同样操作，观察变量响应。

◇ 响应一致说明DCS中逻辑正确，不一致再查找原因。

由于本装置尚处于开发研制阶段，为了验证本装置的实际可用性，特采用仿真DCS的形式，模拟电厂RCV系统的控制逻辑部分。分别在满工况和事故工况下对两种模式下RCV系统的重要参数进行比较。

复位满工况IC，分别采用模式一“SIM”模式和模式二“DCS”模式构成回环，运行3min左右，输出这段时间内上充下泄流量、容控箱液位、堆芯硼浓度、三四号稳压器电加热器功率等参数曲线，如图4(a)、图4(c)所示。复位满工况IC，分别采用模式一“SIM”模式和模式二“DCS”模式构成回环，运行60s后，插入高压下泄孔板下游和RCV010VP上游的管线泄漏；再运行2min左右，输出这段时间内稳压器实际水位、压力、上充下泄流量、容控箱液位以及上充阀开度变化曲线，如图4(b)、图4(d)所示。

满工况和事故工况下两组重要参数曲线的对比表明，在DCS机柜配置和组态逻辑与设计资料一致，模式二与模式一下参数响应时间、参数变化趋势都几乎是一致的，仿真DCS可以实现与实际DCS切换，控制工艺系统运行，进一步证明此装置可以起到核电厂实际DCS控制逻辑的验证需求。

4 结束语

研究核电DCS系统的工程调试验证技术，对于国内核电技术的发展和核安全的保障具有重要的意义[3]。本文的核电数字化系统调试装置已投入实际工程应用，但对实际工程应用中需要的功能如快速端接替换、测试场景的适用性、可操作性等方面考虑不够充分，随着依托项目的进行，将会逐步完善这些功能，本装置也将会在核电厂现场DCS调试中发挥更大的作用。