虚拟DCS时间维度功能的设计与实现

彭 浩，张 旭，蒋 维，章 雨

（中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610213）

0 引言

虚拟DCS以软件形式模拟了实物DCS的系统架构、板卡功能、故障现象等，能够运行于通用的桌面操作系统，摆脱了特殊的硬件卡件束缚[1]。通常的实物DCS控制器的运行模式为定速定周期，无限循环每周期内的发送接收或运算任务，不能够在时间维度进行自由操作，这对于需要重现过去现象、快慢速展现某项功能的场合有不足之处。本文设计的虚拟DCS系统在满足实物DCS控制器定周期运算的前提下，设计并实现了时间维度相关功能，包括快慢速、冻结、定时长运行、工况（IC，Initial Conditions）、回溯（BC，Backtrack）、 快 照、场 景（Scenario）、重演（Replay）等[2]。时间维度功能使得虚拟DCS可根据需要，自由执行与时间相关的操作，这对于核电厂操纵人员培训考核、系统故障分析、事故工况分析等应用具有重要的意义。

图1 虚拟DCS软件架构图Fig.1 Virtual DCS software architecture diagram

图2 快慢速调整示意图Fig.2 Schematic diagram of fast and slow speed adjustment

1 系统设计

虚拟DCS软件结构与技术路线有多种形式[3-4]。仪控仿真系统常见的技术路线包括纯模拟（Simulation）、虚拟实物（Emulation）、实物模拟（Stimulation）。其中，虚拟实物方法具有较高的逼真度，能够实现复用实物控制器的主控单元软件、工程师站等。一种采用虚拟实物技术路线的仪控仿真系统的软件架构如图1所示[5-6]。

其中，DMS（调度核心）、VCS（虚拟控制站）分别实现核心调度与控制站虚拟化的功能。该体系的虚拟DCS具有“集中调度、异步运行、多机运行、一机多模”的特点[6]。每个VCS与一个或两个虚拟主控单元（VMPU）通过共享内存的方式实现进程间通信，VMPU移植于实物控制器的主控单元（MPU），实现算法运算等功能。仿真功能的指令、参数和反馈以共享内存的方式在VCS和VMPU之间传递。

2 时间维度功能

2.1 时间状态调整功能

时间状态调整相关功能包括运行、冻结、步进、快慢速等，不同厂商在该功能的设计上有所不同。如北京广利核系统工程有限公司研制的非安全级仪控仿真系统SpeedySim将系统状态分为初始化（Init）、正常冻结（Normal Frozen）、正常运行（Normal Running）、回放冻结（Replay Frozen）、回放运行（Replay Running），其中正常运行分为正常速度、慢速、快速3种[4]；中国核动力研究设计院（NPIC）研制的“数字龙鳞”虚拟DCS将运行模式分为“运行”“冻结”“步进”，速度模式分为“快速”和“慢速”。

图3 工况文件分布示意图Fig.3 Schematic diagram of working condition file distribution

针对图1框架的虚拟DCS，其虚拟主控单元的软件程序移植于实物控制器，在每个周期末，由VCS设置其仿真状态。冻结模式时使虚拟主控单元进入以周期为单位的无限循环，不执行算法运算，直到收到运行或步进指令时退出该模式。

每个VCS的时间同步线程根据每毫秒的触发事件消息，记录本周期经历的时间，与该VCS配置的主控制器周期比较，达到周期时长则通知VMPU开始下一周期。

快慢速功能由周期时间乘或除以速度因子，从而计算出新的周期时间，实现快慢速功能。

2.2 工况相关功能

工况代表一种可保存并可反复由此复现过去事件的参考机组的状态。工况相关的功能包括初始条件、回溯、场景、重演等。为了在操纵人员培训和事故分析等场合能够重复展示或编辑修改已发生的事件，设计上述功能。

2.2.1 保存工况功能

图4 保存工况流程图Fig.4 Flow chart of storage conditions

图5 保存场景流程图Fig.5 Save scenario flowchart

工况是某一时刻IO变量及内部变量数值状态，也包括仿真系统的故障模拟、超控变量信息。如图3为各应用程序对应的工况文件。

为了保存某一时刻系统所处的状态，以便于后续分析和状态恢复，为此设计增加保存工况功能。DMS接到保存工况指令，将该指令转发给各VCS，VCS通过修改共享内存的方式，通知VMPU写入工况文件，完成后反馈至VCS和DMS。DMS增加数据库记录条目，并保存DMS中的数值、超控、故障等信息。保存工况的流程如图4所示。

2.2.2 回溯功能

保存工况需人工手动操作，在设计验证、事故工况分析、长期拷机运行等应用场景时，需定期自动保存系统的状态数据，为此设计增加回溯功能。回溯与保存工况类似，都保存当前的IO数值、超控、故障模拟信息等，其区别在于，回溯功能为自动保存、失电数据丢失，装入某一BC后会丢失该时刻之后的BC信息。根据不同应用需求，保存BC的时间间隔由用户自定义，且在变速运行后会自动调整时间间隔，保持用户设定的仿真时间间隔。回溯条件由各VCS同时保存，因而由上层的DMS统一计算，并发出保存回溯条件指令。

2.2.3 场景功能

场景是一组模拟机运行过程，运行该场景能够重现指定时间段内的人机操作和系统状态。场景功能分为保存场景、加载场景、运行场景三部分。

系统收到保存场景指令后，DMS将指令转发给各虚拟控制站，每个虚拟控制站保存场景起止时间之内的所有BC，并发送反馈至DMS。DMS接收到所有控制站的反馈后，判断反馈成功，然后拷贝场景时间以内的所有IC和BC，并将工况列表保存至文件中。然后，保存历史数据、操作日志，增加数据库记录条目，以供查询。保存场景的流程如图5所示。

在保存场景后，可通过加载场景功能回到此场景。接收到加载场景指令后，DMS将仿真状态置为冻结并将该指令转发各虚拟控制站，各虚拟控制站装入指定的起始IC/BC。DMS保存加载时的数据，包括工况、当前倍速、模拟故障信息、变量信息，待退出场景模式时恢复系统状态。加载场景后，以IC为初始工况时，仿真时间及物理时间归零；以BC为初始工况时，仿真时间及物理时间回到该BC对应的时间。

为实现能够考察相同的操纵人员操作指令对不同工况的不同影响，场景模式可指定以某个IC为初始条件，使不同初始条件能够针对相同的操作做出反应，或理解为分析不同工况下按照相同的操作规程所能带来的不同影响。加载场景的执行流程如图6所示。

场景模式下的运行与正常模式下的运行的区别在于，场景模式下，独立的重演线程实现了在固定的时刻再次注入过去的操作，且忽略期间用户执行的其他操作，重现过去的情况。

2.2.4 重演功能

为了实现在不保存场景的情况下，重现本次运行的先前情况，设计重演功能。重演功能与场景功能类似，都是重现过去的操作和现象，同样由重演线程实现功能。重演功能以指定的BC为起点，重演期间忽略用户执行的其他操作，由重演线程再次注入过去的操作，重现过去的情况。

图6 加载场景流程图Fig.6 Flow chart of loading scenario

图7 工况校正流程图Fig.7 Working condition correction flow chart

3 时间维度支持功能

3.1 工况校正

实际工程使用中，可能出现下装组态文件变化的情况。由于个别变量或算法块的增删导致组态逻辑中变量或算法块的偏移地址与工况文件中不对应，会出现工况文件不可用的情况。因组态的略微变化导致需要重新进行工况调试，会给调试人员带来巨大的工作量。

针对该问题，引入工况校正（Calibrate）功能，使得保存的工况、回溯条件或场景在组态算法发生改变时，其中未改变的部分仍能够正确地重新装入对应的原变量或算法块的位置。工况校正功能给调试人员的调试工作带来便利，既有利于算法改变位置的定位，也使得调试人员不需要在每次算法组态略有改动时就要重新进行工况调试。工况校正功能涉及输入输出变量、时间相关算法块和时间无关但带有参数的算法块。通过解析带有其名称及其偏移量的文件，记录每个变量或算法块的偏移地址，在装入工况、回溯条件或场景时，即可将对应的值装入正确的变量或算法块。

工况校正功能由DMS、VCS、VMPU三级共同实现，DMS接收到工况校正指令，将指令转发给各VCS。VCS修改与VMPU的共享内存状态，并等待VMPU执行工况校正功能后的事件信息。在VMPU执行本周期的仿真功能时，执行工况校正功能，在新旧工况中找到相同变量并赋值，完成后以触发事件的方式通知VCS，并最终反馈至DMS。

3.2 二次编辑

为了使用户可针对相同的工况，快速方便地观察不同操作带来的影响，设计场景的二次编辑功能。用户通过仪控系统对工艺设备的直接操作（如阀门开关）可在场景文件中二次编辑，即删除或增加某个操作，并重新运行，观察这个改动带来的影响。以核电厂虚拟DCS为例，人机界面设备具有该功能，如安全级的安全显示单元（称为SVDU或SCID）、非安全级的操纵员站。

4 总结与展望

虚拟DCS时间维度功能实现了针对仪控系统功能在时间层面的自由操作，可反复、变速或以其他各种角度复现或改变工况，给予用户高度的自主性。本文设计并实现的时间维度仿真功能能够有效满足科研、设计验证、培训等应用要求，具有重要的工程应用意义和经济价值。

可将虚拟DCS时间维度功能与三维立体虚拟化或虚拟现实等功能相结合，形成四维沉浸式仿真系统，使用户能够从空间和时间上多维度发挥仪控仿真系统的功能，提升用户体验，强化培训效果。