核电DCS模拟机实施方案分析

袁金晓，王少华，张立群，张玉峰，陈日罡

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

0 引言

20世纪70年代，当第一台基于计算机的控制室模拟机投入使用时，电厂工艺模型的仿真范围与保真度被当时有限的计算机性能严重制约。1979年美国三里岛（TMI）事故发生时，整个世界范围内的核工业几乎没有几台核电站控制室模拟机在运转[1]。进入20世纪80年代后，对核电厂运行经验及教训的详细回顾引发了对核电厂人员，特别是控制室人员的培训是否足够的重新评估。基于这项审查，一些国家的运营机构与核安全监管机构对控制室人员的模拟机培训（以及这些培训方案的其他方面）制定了更严格的要求[2,3]。国内也在《HAF103核动力厂运行安全规定》中提出：“必须使用有代表性的模拟装置来进行培训。模拟机培训必须把运行状态和事故工况的培训结合起来[4]。”由此可见，模拟机在核电厂安全运行中所扮演的重要角色已逐步获得世界范围内的核电运行成员国的普遍共识。DCS作为核电厂运行过程中的神经中枢是模拟机工程实施过程中必不可少的一环，其实施方案的选择将会直接影响模拟机的逼真度、性价比、运行性能及集成与维护升级的难易程度。因此，有必要对其不同实施方案进行从原理到特性的多角度分析，以做出最佳实施方案的选择。

1 DCS仿真范畴

依据标准“IEEE Std 1050TM-2004”对DCS的名词解释可知，它是由分布式的软件、硬件、电缆、传感器及执行机构组成并具备输入输出通信能力的控制系统，用于对设备和过程的控制与监视[5]。应用在核电厂中的DCS系统，虽然其软硬件系统复杂且庞大，但其主要功能结构依然可抽象为如图1所示的关系。图中箭头所示方向为简化后各系统及设备间的主要信息传递路径。虚线框中的“工艺系统设备”代表核电厂物理层，传感器等仪表检测现场工艺系统的相关物理变量并进行信号处理变换后，经由电缆将信息反馈给DCS的逻辑控制层。由该层完成数据采集与信号预处理、逻辑处理及控制算法运算后产生自动控制和保护指令，同时将需要展示给电厂操纵人员的信息传递到DCS人机界面层。通过该层的人机接口，主控室运行人员可以将手动操作命令下发回逻辑控制层，在完成与自动控制指令的优选逻辑运算后，将最终指令结果输出至执行机构，从而实现在远距离上对现场设备的自动或手动控制。模拟机DCS工程实施所要实现的目标就是安装并集成一个可再现参考电站DCS功能的系统，以满足模拟机对物理和功能保真度的标准要求[6]。根据仿真范围及深度的不同，可分为全范围模拟机、教学仿真模拟机、工程模拟机、仿真分析模拟机等。通过这些模拟机可进行相应的核电站操纵员培训及执照考试、教学演示、核电机组设计的评估验证、事故工况仿真分析等。

图1 核电DCS功能结构示意图Fig.1 Functional structure of DCS in nuclear power plant

2 DCS实施方案

随着计算机技术的发展，DCS实施方案逐渐发展出了以纯模拟（Simulation）、翻译（Translation）、虚拟实物（Emulation）及激励式（Stimulation）这4种仿真路线为主的实施方案，如图2所示。这4种方案分别发源于真实DCS工程实施过程中的不同阶段。每种实施方案都有其特有优势，但同时也存在相应的不足。而实际的模拟机项目选择哪种方式也将取决于很多因素，包括DCS的系统架构、DCS供应商提供的可用于模拟机的实施方案、上游DCS专有数据的可用性、数据交付时间表、成本、最终用户的喜好以及模拟机是用于工程还是培训或两者兼而有之[7]。在充分了解每种方案的具体实施过程，并且权衡影响模拟机实施方案的各种因素的基础上，可采取单一或组合的方式来满足用户的多样化需求。

图2 DCS在模拟机中的4种实施方案Fig.2 The four technical solutions for DCS in simulator

2.1 纯模拟（Simulation）

原理：纯模拟方式是对DCS系统的功能原理性仿真。在得到设计院提供的设计输入后，由模拟机供应商应用自有的组态软件，对DCS系统控制逻辑功能原理图（SAMA图）或图形化控制界面（HMI设计图）进行分析并绘制，组态完成后进行编译，生成参考机组DCS系统的控制逻辑及人机画面仿真程序，从而在新的软硬件平台下实现对参考机组DCS系统功能的复现，并达到功能一致的效果。

利弊：这种仿真方式的特点是无需等待DCS供应商提供的控制系统组态文件作为输入，所以不会受限于DCS供应商的软硬件开发进度，可与真实仪控系统开发同步进行，可以严格控制时间进度且成本不高，同时还能完成复杂的培训应用功能。但因为是直接在设计院的设计输入基础上进行的逻辑及画面建模开发，与真实DCS组态文件的开发方式在人员及流程上都不相同，因此需要对控制逻辑和人机画面进行全面地确认与验证以确保功能的保真度。这也使得此种方式的前期开发工作量巨大，且对控制模型开发工程师的专业能力要求比较高。但考虑其起始阶段处在真实DCS工程实施流程的源头，其最终完成时间相比其它方案通常更早。而模拟机通常要优先于参考机组运行完成交付，因此在某些具有进度压力的阶段进行工程实施时，这种纯模拟的仿真方式将会被临时采用。

2.2 翻译（Translation）

原理：翻译式仿真方案是将DCS供应商已经开发完成的组态图借助专门的翻译工具进行转换解析，包括画面、算法库及逻辑图的翻译等，使经过翻译后生成的文件可以运行在模拟机仿真平台上。由于真实DCS平台算法逻辑除了根据上游设计而绘制的执行控制、保护、调节功能的逻辑外，还有根据平台自身特性设计的，如自诊断逻辑、CPU负荷监测等，因而涉及平台自身特性的算法逻辑因在模拟机仿真平台上运行无意义，所以应加以识别并单独处理[8]。

利弊：相比纯模拟的方式，它同样应用模拟机环境，因此在部分文章里也有将其归为纯模拟方式一并讨论的。由于该方案使用真实DCS组态数据作为输入，因而相比纯模拟方式可以缩短建模周期并提供更高的建模逼真度。由其当DCS供应商不具备提供可应用于模拟机平台的仿真软件时，就只能选择纯模拟或翻译式实施方案。

2.3 虚拟实物（Emulation）

原理：“虚拟”是相对于计算机过程控制系统中的真实DCS而言，其实现方式是将真实DCS在计算机中以特种形式再现。采用这种仿真方式的模拟机供应商需要仪控系统供应商提供控制逻辑及图形界面的组态文件代码才能继续开展工作。这些在实际DCS系统中分散于各个控制器（DPU）的组态代码将会被模拟机供应商移植到处于仿真环境下的一个通用计算机上，并在这个计算机中为每个控制器的可执行组态代码创建一个包含若干虚拟子机的虚拟运行环境，从而可以实现在系统构成上保持与实际仪控系统相同的拓扑结构。此种方案通常由DCS厂家基于DCS的平台进行补充开发[9]。

利弊：由于此种方式采用的控制逻辑与人机画面与实际DCS系统完全一致，因而可以在模拟机集成测试环节提前发现DCS控制逻辑或算法的问题，从而减轻真实机组现场调试阶段的压力。虚拟实物仿真方式的逼真度和可信度远高于纯模拟或翻译式仿真，因此可以真正有效、经济和广泛地应用于电厂运行人员培训。但也正是因为这种实施方式的输入文件来源于实际DCS供应商，因此在其具体实施过程中不论是时间进度还是资金成本都将受到供应商的制约。

2.4 激励式（Stimulation）

原理：激励式仿真有时也被称为实物仿真，即在模拟机中使用与参考电站相同的仪控系统软硬件来复现参考机组的仪控系统功能。因此，它的启动时间最晚，因为需要等到DCS供应商的软件硬件都具备复制条件后才能进行。为使其具备如运行、冻结及复位等模拟机所必备的功能，还要对其进行仿真功能开发。

利弊：这种仿真方式的最大特点是逼真度非常高，可以对主控室人机界面实现测试与验证。但考虑实际仪控系统硬件体系庞大且价格昂贵，以及模拟机所必须的某些特有功能，如：“运行/冻结、减速/加速以及IC加载等”难以实现等诸多问题。因此，该方法几乎不用于模拟机对仪控系统控制层的仿真，而主要用于对主控室中操作员站及硬盘台系统的仿真[6]。

3 仿真方案的选择

通过对以上4种仿真方式的实施原理及利弊进行分析，可以发现每种实施方案各有其特点，将其特性进行分类并加以对比，可以得出如表1所示的关系。核电厂模拟机在实际工程应用中，这4种仿真方式各有其应用场景。

表1 4种实施方案的特性对比Table 1 Features comparison of the four technical solutions

1）全范围模拟机

全范围模拟机因为要满足操纵员执照考试的需求，其控制室的环境及硬件设施要求与真实电站主控室看起来完全相同，所以保真度是全范围模拟机控制室最主要关注的特性。因此，激励式仿真通常会被用在全范围模拟机主控室的建造中。

2）教学仿真模拟机

由于安全性是核电厂运行的首要目标，因而除了对操纵员需要进行教学培训以完成执照考试外，还有现场作业及运行维护人员等也同样需要获得特定的培训。考虑全范围模拟机造价昂贵，因此可以满足众多不同人员对特定学习需求的教学模拟机即成为核电厂用户的又一需求。在这种背景下，经济性成为教学模拟机的首要关注特性。因此，相比全范围模拟机，主控室的环境将采用纯模拟的方式在计算机中实施。

3）新建机组模拟机

由于模拟机所承担的培训教学作用，因而通常要在核电厂正式商运前很长时间就要交付用户，用于开展培训工作以确保工作人员具备相应的运行操作能力。但模拟机DCS仿真开发过程所需的数据又有赖于真实工程的提供，为缓解这种需求与时间上的矛盾，通常可以选择在模拟机的建设初期采用纯模拟的方式，虽然保真度低，但因为不依赖于DCS供应商，所以启动时间早，可以提早开展与模拟机其他部分的集成工作。后续再在适当时候，将DCS部分替换升级为虚拟实物或激励式仿真以满足用户的最终需求。

4）工程模拟机

以上3种实施方案是从核电厂最终用户的需求角度进行的分析。在核电厂的建设过程中，有时还需要工程模拟机来满足工程实施单位对设计开发过程的验证需求。如仪控系统设计单位在完成控制策略的初步设计后，需要对其设计方案进行验证。这种情况下，采用纯模拟的方式将控制逻辑及人机画面的设计文件在模拟机平台上完成组建，即可实现动态模拟电厂的运行控制过程以检验控制策略的设计效果。DCS供应商在完成对设计院上游输入文件的组态开发形成软件后，则可采用虚拟实物的方式集成到模拟机的环境中，从而实现对组态开发环节的验证。

4 结论与展望

综上所述，仿真方案的选择需要在理解各种仿真方式原理的基础上，对不同用户的需求进行分析，在比较各种方案的特性之后，最终做出权衡后的选择。目前已有的4种仿真技术已经可以采用单一或组合的方式，从多个角度满足各类用户在不同阶段或场合的多种需求。近年来人工智能技术飞速发展，智能化的DCS实施方案也许会在不久的将来应用到核能领域。因此，模拟机DCS仿真技术需要持续的关注与开发以适应市场的新需求。