核电数字化仪控系统仿真与工程实施.pdf

核电数字化仪控系统仿真与工程实施吴毅。等 核电数字化仪控系统仿真与工程实施 S i m u l a t i o na n dE n g i n e e r i n gI m p l e m e n t a t i o n o ft h eD i g i t a l i z e dI n s t r u m e n ta n dC o n t r o lS y s t e mf o rN u c l e a rP o w e r 关旌互晓瞿胡晓磊唐 ( ! 曹晦 ( 中广核工程有限公司，广东深圳5 1 8 1 2 4 ) 摘要：针对核电站数字化仪控系统( D C S ) 存在仿真逼真度、可集成性、可维护性、运行性能、造价及全范围模拟机( F S S ) 交付进度等 问题，对几种D C S 仿真技术方法进行了综合分析与评价，并给出了这些方法的优选顺序。结合核电D C S 工程实施特点及其工程验证 方法的局限性，提出了一种既能满足F S S 交付进度，又能提高D C S 工程验证质量的D C S F S S 工程综合实施方案。该优选顺序及综合 实施方案，可为后续新建项目提供有益参考。 关键词：核电站D C S 控制算法拓朴结构实时通信 中图分类号：T L 3 6 5文献标志码：A A b s t r a c t ：A i m i n ga tt h ep r o b l e m se x s i t i n gi nD C So ft h en u c l e a rp o w e rs t a t i o n ，i n c l u d i n gt h es i m u l a t i o nf i d e l i t y ，i n t e g r a t a b l ep e r f o r m a n c e - m a i n t a i n a b i l i t y ，o p e r a t i o np e r f o r m a n c e 。c o s t sa n df u l ls c o p es i m u l a t i o n ( F S S ) t u r no v e rs c h e d u l e - e t c 1s e v e r a lt y p e so fD C Ss i m u l a t i o n t e c h n o l o g i c a lm e t h o d sa l ec o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e da n de v a l u a t e d 。t h eo r d e ro fs e l e c t i o np r i o r i t y i sg i v e n C o m b i n i n gw i t ht h ee n g i n e e r i n g i m p l e m e n t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h el i m i t a t i o n so fv e r i f i c a t i o nm e t h o do ft h eD C Si nn u c l e a rp o w e r 。t h ei n t e g r a t e dD C S F S Si m p l e m e n t i n g s t r a t e g yt h a tm e e t sb o t hF S St u r no v e rs c h e d u l ea n dD C Sv e r i f i c a t i o nq u a l i t yi sp r o p o s e d T h es e l e c t i o np r i o r i t ya n dc o m p r e h e n s i v ei m p l e m e n t i n g s t r a t e g yo f f e rv a l u a b l er e f e r e n c et of o l l o w - u pn e w l yb u i l tp r o j e c t s K e y w o r d s ：N u c l e a rp o w e rs t a t i o n D i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ( D C S ) C o n t r o la l g o r i t h m T o p o l o g i c a ls t r u c t u r e R e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n 0 引言 核电站核电仪控系统，即数字化仪控系统( d i g i t a l c o n t r o ls y s t e m ，D C S ) ，除承担电站机组的安全与经济运 行等控制任务以外。还需承担重要的电站核安全监控 与保护任务。因此，核电站仪控系统具有功能繁多、 系统庞大、结构复杂、造价昂贵以及工程周期长等特 点，这给新建电站的全范围模拟机( f u l ls c o p e s i m u l a t o r ，F S S ) 的D C S 仿真以及F S S 的工程实施带来 了困难。对于这些困难必须在D C S 及F S S 工程实施 开始前就给予认真考虑并妥善解决，否则不但会造成 F S S 交付进度的延误，影响电站首次装料的按期实施； 而且也会给F S S 的运行维护埋下长期隐患。 根据核电D C S 系统的特点，从技术和经济两方面 对几种D C S 仿真方法进行了分析评估，给出了合理仿 真的选择方法以及实现F S S 和D C S 工程进度双赢的 实施方案。 修改稿收到日期：2 0 1 2 0 6 1 5 。 第一作者吴毅( 1 9 6 1 一) ，男，1 9 8 7 年毕业于东南大学电厂热能动力及 其自动化专业，获硕士学位。高级工程师：主要从事棱电数字化仪控系统 及仿真技术方面的研究和应用。 1 核电D C S 功能结构特点 核电D C S 的实现方法与火电D C S 系统类似，也是 基于满足实时控制要求的工业计算机与网络通信技 术、数据库技术、图形显示技术，以及对过程控制与保 护算法、I O 、流程画面、报警及运行规程等的自动组态 编程技术而实现的 2 。 由于核电站的特殊性，核电D C S 的设计与实施，尤 其是安全级D C S 系统的设计与实施，必须满足单一故 障、故障安全、冗余、独立性、多样性、可试验性及可靠性 等7 大安全准则 3 。核安全方面的严格要求，决定了核 电站D C S 具有功能繁多、体系庞大、结构复杂、造价昂贵 及工程实施周期很长等不同于其他领域D C S 的特点。 整个仪控系统一般分为以下3 个层次：0 层为过 程一次仪表、执行机构及被控设备接口层；1 层为D C S 控制与保护层( 分安全级与非安全级) ，其基本由D C S 控制器( d i s t r i b u t e dp r o c e s su n i t ，D P U ) 及网络通信设备 组成；2 层为控制室人机接口设备层( 某些系统也分为 安全、非安全级) ，其主要由控制室内的D C S 操作员站 ( 以下简称O P S ) 、网络通信设备、计算机服务器及常 规备用盘等组成。 4 4 P R O C E S SA U T O M A T I O NI N S T R U M E N T A T I O NV o L3 4N o 3M a r c h2 0 1 3 万方数据 核电数字化仪控系统仿真与工程实施吴毅。等 对于这种以计算机及网络系统为基础的功能庞 大、结构复杂的仪控系统，仅采用以往基于设计院的控 制逻辑与调节原理图的原理性仿真方法是远远达不 到相关标准对核电F S S 的仿真逼真度要求的。尤其是 主控室备用及应急控制盘 习F - - 1 I - - - 1 F - 1 型口F - 1 1 - - 3 安全级 Il 应急控制 仪表手操器l 手操罂 其中的D C S 部分。因此，核电F S S 一般都采用直接或 间接利用实际D C S 工程实施所生成的D C S 组态结果 的高逼真度仿真方法。典型的核电仪控系统( 包括 D C S ) 的总体结构如图1 所示。 毒莽赢) ( 羹霖簧羹) ( 辇态萎蓄) ( 工程师站操作员站JL 操作员站JL 中心终端，L ”州 终端总线 保护| | 保护II 保护| l 保护Il 保护| | 保护I | 保护| | 保护 通道| | 通道通道| l 通道Il 通道I | 通道I | 通道| | 通道 I - II JI 2I l ! I I 1l I1 1 I - 2lI l - l | | - 2l II v l II V 一2 攀謦 簸l 一篮 逻辑 运算 工l 优先| |l 优先 逻辑卜hl 逻辑 网关 A 列数据处理、历史lIB 列数据处理、历史 服务器( 核岛、常规岛) lI 服务器( 核岛、常规岛) l 层 网关lL 控制总线AJ 【 控制总线B 第三方 | | A 列 I B 列 仪控控制站II 非安全级控制站lI 非安全级控制站 安全执行机构A 列l I 停堆开关l | 停堆开关l | 安全执行机构B 列非安全级执行机构 o 层 图l典型核电仪控系统结构 F i g 1T y p i c a la r c h i t e c t u r eo ft h ei n s t r u m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf o rn u c l e a rp o w e r 2 核电D C S 的仿真方法 与火电D C S 的仿真类似，核电D C S 也主要有激励 式、软激励式和虚拟分散处理单元D P U 这3 种仿真方 法。为缓解F S S 优先于参考机组运行所需交付的进度 压力，在具体工程实施时，核电F S S 可能还会l I 缶时采用 上述直接基于设计院的控制逻辑与调节原理图的功能 原理性仿真方法。 2 1 激励式仿真方法 在仿真技术中激励式仿真 4 1 指直接采用控制系 统或控制室系统实际设备的软硬件与被D C S 控制或 监视的仿真对象( 即仿真数学模型) 结合组成仿真系 统。此时，被仿真的D C S 设备与实际设备一样，两者 的区别在于，仿真采集的信号来自过程实时仿真数学 模型计算机。其发出的控制保护指令也被过程实时仿 真数学模型所接收，并通过仿真计算反馈实时的响应， 由此形成闭环以实现对参考机组全工况的动态实时 仿真。 激励式仿真的最大特点是逼真度高，但由于1 层 D C S 控制系统的D P U 数量众多，与F S S 的工艺过程实 时仿真数学模型接口需要大量额外的接口卡，因此总 体费用非常高。且存在F S S 的某些特有功能( 如I C 存 自动化仪表第3 4 卷第3 期2 0 1 3 年3 月 载、回溯、回放等) 难以实现等诸多问题。因此该方法 几乎不用于F S S 对D C S 控制器( D P U ) 的仿真，而主要 用于对控制室中D C S 操作员站及其支持系统的仿真。 2 2 软激励式仿真方法 在仿真技术中，软激励式仿真( v i r t u a ls i m u l a t i o n ) 集中将图1 中的1 层实际D C S 系统中分散于各控制器 ( D P U ) 的组态代码及算法块可执行代码移植到一个 通用计算机并在这个通用计算机中为每个控制器组 态及算法块可执行代码分别创建一个虚拟的运行环 境，即若干个虚拟子机。这样既从逻辑上保留了实际 控制系统控制器的拓扑结构，又从组态代码、算法代码 及软硬件结构方面最大程度地保证了逼真度。由于这 些虚拟子机在主机内是以线程或进程形式存在的通 过在虚拟主机支持软件上加一层外壳。以及开发虚拟 主机与F S S 主机( 过程实时仿真模型计算机) 的实时 通信接E l ，即可按F S S 主机的要求实现对虚拟机内的 各虚拟子机的统一实时调度与执行( 尽管各虚拟子机 计算调度周期可能与实际控制器计算周期相同) 。 软激励式仿真的最大特点是借助主“虚拟机”，这 样既保证了最高的逼真度，又省去了1 层D C S 控制器 等大量硬件成本。若虚拟机外壳开发应用得当，可确 保F S S 特有功能，例如，I C 创建与存储装载、冻结、回 4 5 万方数据 核电数字化仪控系统仿真与工程实施吴毅。等 溯等功能的实现。该方法对过程实时仿真模型的精度 要求很高，在D C S 实际组态中，经过现场机组调试后， 又可以利用它对过程模型进行精调。 2 3 虚拟D P U 仿真方法 虚拟D P U 方法“ J ，俗称“翻译”的方法D P U 在 此即为图1 中1 层D C S 控制器( D P U ) 。它主要将导 入实际D C S 控制器的D C S 工程师站组态文件也直接 导人过程仿真系统的实时运行环境中即通过专门 开发的翻译工具对实际D C S 的组态文件及数据库进 行翻译，找出对所有控制算法块的调用关系并自动 与事先专门开发好的第三方( 一般是F S S 厂家) D C S 仿真算法模块库连接。通过代码编译、链接，生成直 接运行于过程仿真实时环境中“仿真”的D P U 可执 行代码。 虚拟D P U 的最大特点是。其仿真或虚拟的D P U 程序的运行完全受仿真主机的控制；在组态逻辑关系、 控制策略及拓扑结构上，它能基本反映实际D C S 控制 器的组态逻辑、控制功能及系统拓扑结构。但虚拟 D P U 的控制算法不一定与实际D C S 一致由此可能需 要对实际D C S 的控制参数作某些调整。 该方法首次使用成本较高，但随着应用的广泛 开展，它将是性价比较高的一种方法。当某些复杂 功能算法块的仿真算法问题解决后该方法同样可 用于对2 层控制室系统的仿真。它现已在火电F S S 的虚拟O P S 中取得良好的效果同时在采用传统仪 控系统的核电F S S 的P P C 仿真子系统中取得了满意 的效果。 2 4 功能原理性仿真方法 功能原理性仿真方法利用F S S 厂家自有的控制 系统仿真建模工具。根据设计院编制的逻辑控制和 调节原理图生成参考机组仪控系统的逻辑控制及 调节功能仿真程序，对机组的仪控系统进行功能原 理性仿真。同样地，对于2 层的控制室系统，在得到 设计院的相应设计输人后，也可采用这种方法。该 方法生成的仿真程序同样运行于过程实时仿真运行 环境，其行为完全受仿真主机控制。但由于缺乏实 际的D C S 组态等信息，其逼真度与前3 种方法存在 较大差距。 2 5 仿真方法比较与选择 前述激励式、软激励式及虚拟D P U 仿真方法都 能确保D C S 的仿真逼真度但这都是以直接或间接 利用实际D C S 软硬件( 激励式) 、软件( 软激励式) 或 组态结果( 虚拟D P U ) 为条件的。从F S S 特有功能的 角度来看，这3 种方法都存在各自的缺陷。各种D C S 仿真方法的优缺点比较如表1 所示。表1 从仿真逼 真度、F S S 特有功能可实现程度、可集成性、升级维 护、性价比等几方面，对上述3 种方法的5 种组合方 案的优缺点进行概括。不同的组合方案，其逼真度、 F S S 特有功能运行特性、可集成性、升级维护及性价 比不同。 表1 各种D C S 仿真方法优缺点比较表 T a b 1 C o m p a r i s o no ft h ea d v a n t a g e s d i s a d v a n t a g e so fv a r i o u sD C Ss i m u l a t i o nm e t h o d s 从表1 中的综合比较结果来看在具体选择仿真 技术方案时，应首选虚拟O P S + 虚拟D P U ，其次是激励 O P S + 虚拟D P U 再次是激励O P S + 软激励D P U 的仿真 方法。 在采用激励或软激励方法时务必要注意强调 F S S 特有功能的实现，尤其是I C 的存储及可编辑功能 的实现。其次是要注意虚拟主机与仿真主机的实时调 度周期等的同步问题。而在成本控制方面，应注意激 励O P S 及软激励D P U 方法，由于D C S 厂家的价格垄 断，其性价比很低。 在采用虚拟D P U 或虚拟O P S 方法时，则应强调某 些特殊控制算法块或性能算法块的正确性和精确性。 在方案拟定前，必须明确提出对其算法精度的要求；同 时，也需明确提出对D C S 总体拓扑结构的正确“虚拟”。 3 核电D C S 工程实施特点 为确保核电F S S 对D C S 的仿真逼真度避免D C S 仿 真部分的二次开发。在总体集成测试阶段F S S 必须采用 4 6 P R O C E S SA U T O M A T I O NI N S T R U M E N T A T I O NV o k3 4N o 3M a r c h2 0 1 3 万方数据 核电数字化仪控系统仿真与工程实施吴毅。等 直接或间接利用实际D C S 经出厂验收测试后的工程组态 结果的方法将D C S 仿真部分集成以尽量减少后续测试 的工作量、提高集成测试的效率、确保F S S 按期交付。但 核电D C S ( 尤其是安全级及安全相关级) 的工程实施，从 初步设计、详细设计、系统集成与工厂测试，直到出厂验收 等各个环节，都需经过严格的验证与确认r 6 1 ( v e r i f i c a t i o n a n dv a l i d a t i o n ，V v ) ，核电D C S 的工程实施流程示意图 如图2 所示。这是一个十分漫长的过程加上受D C S 上 游环节的工程进度制约其实际工程进度很难满足上述 F S S 集成对D C S 组态结果提交进度的要求 7 ，这就给F S S 的总体交付进度带来极大风险。 电站系统工艺要求 仪控初步设计 二 仪控施工设计 两石 D C S 初步设计 二二匠 D C S 详细设计、 硬件制造与机柜装配 上游 D C S 封、票 莳罢 二二匿 墅 r _ 1 忑翥i 验证 验证 D C S 机柜硬件测试、组态下装、单机柜I 0 、组态逻辑测试 图2 工程实施流程示意图 F i g 2 F l o w c h a r to ft h ee n g i n e e r i n gi m p l e m e n t a t i o n 4 核电F S S 工程实施方案 核电F S S 的具体工程实施方案分为被动性方案和 主动性方案两种 8 。“。 被动性方案即F S S 对机组D C S 的仿真，先临 时采用上述功能原理仿真法。该方法是唯一不受实际 D C S 进度制约的方法但其逼真度低在某些方面甚至 不能达到核电运行操作人员培训及取照对逼真度的要 求。因此，在拟定具体工程实施方案时，只能将该方法 作为缓解上游D C S 工程进度压力的临时措施，即为满 足机组装料前1 年交付的要求。先向用户提交采用这 种仿真方法实现的临时版本用于用户预培训，或将该 临时版本暂时与F S S 工艺过程模型集成以满足模型 测试的进度要求：再根据上游D C S 工程进展情况，结 合用户培训计划在适当的时候对该部分进行激励式 或虚拟D P U 式最终版本的替换升级。 主动性方案。即把F S S 的工程实施与实际D C S 的工程实施进行有机结合，尤其是两者集成阶段之后 的测试活动的有机结合。某些核电工程案例已经表 明口 ，在F S S 的集成测试阶段，实际D C S 仅能够向F S S 自动化仪表第3 4 卷第3 期2 0 1 3 年3 月 提供D C S 虽已集成但未经工厂测试的组态结果。这 恰好为两者的有机结合提供了有利条件和有效途径。 主动性方案既可以避免F S S 因消极等待实际D C S 最 终组态结果而延误交付；又可突破目前实际D C S 工程 测试与验证只能基于静态开环测试的局限，使得许多 只有在现场调试阶段才能发现的D C S 控制逻辑组态 或控制算法问题，在F S S 及D C S 的工厂测试、出厂验 收测试过程中就被提前发现和解决。这将大大减轻后 续实际D C S 现场调试阶段的压力。， 5 结束语 为解决仿真逼真度问题核电F S S 对参考机组 D C S 的仿真，需采用直接或间接利用实际D C S 工程实 施结果的方法这给F S S 带来了D C S 的可集成性、仿 真运行性能、成本造价及交付进度等新问题。本文所 给出的分析结论及解决思路，既可为新建核电站F S