福建福清核电站DCS系统全范围模拟机设计

福建福清核电站DCS系统全范围模拟机设计马洁光;李春【摘要】Owingtothegrowingdemandforenergy,theexplorationofnuclearenergyisdevelopingrapidly.Chinaismakingrapidprogressintheapplicationofnuclearenergy.DCS,adevelopedtechnologyforprocesscontrol,iswidelyusedintheconstructionofnuclearpowerplants.Asuitabletrainingsystemforoperatorsandapowerfuldynamicsimulationsystemforexperimentsandtrialsareneededintheprocessofboththeconstructionandtheoperationofnuclearpowerplants.DCScanliterallyofferfullscopesimulationstooperators,processengineersandmanagers.Italsohasfunctionsthatallowequipmentdesignimprovement,controller'sexamination,operatorstraining,aswellasotherimportantfunctions.ThispaperdiscussestheoverallstructureoffullscopeDCSsimulationsfornuclearpowerplantsandthedesigningoftheirintegralpartsbasedontheevidencefoundinthedesignofDCSinFujianFuqingnuclearpowerplant.%人类对能源不断扩大的需求，促使和平利用核能快速发展，而DCS控制系统作为一项成熟的过程控制技术，已经广泛应用于核电站的建设应用当中。核电站的建成与运行，需要配套的操纵员培训系统，以及功能强大的动态仿真系统来进行各种实验与模拟仿真。核电站DCS系统全范围模拟机能够为操纵员、工艺工程师和管理人员提供全套严格意义上的动态仿真和控制系统模拟功能，并提供改进设备设计、检验控制器、培训操作员和提高设备性能等重要功能。本文将结合福建福清核电站DCS控制系统的设计，介绍核电站DCS系统全范围模拟机的整体结构和重要组成部分的设计。【期刊名称】《仪器仪表用户》【年(卷)，期】2016(023)006【总页数】4页(P71-74)【关键词】核电；DCS;模拟【作者】马洁光;李春【作者单位】中核控制系统工程有限公司，北京100176;中核控制系统工程有限公司，北京100176【正文语种】中文【中图分类】TK323随着人们对能源的需求越来越大，核能的发展正在迅速崛起并成为人类不可替代的新型能源。大型商用核电站作为新的清洁能源，已经成为我国和平利用核能的重要途径，是优化能源结构，保障能源安全的有效选择。目前我国正处于核电大发展阶段，DCS集散控制系统(DistributedControlSystem)已经广泛应用于国内目前在建的多台核电机组中。核电站DCSFSS(DistributedControlSystemFullScopeSimulator)系统全称为核电站DCS全范围模拟机系统，该系统能够为核电站操纵员和管理人员提供电站整体工艺的动态仿真和控制系统模拟功能，并能进行各类实验仿真。本文将以福建福清核电站1号机组(以下简称为福清核电站)DCS全范围模拟机为例，从核电站数字化控制系统层面上介绍DCS系统全范围模拟机的网络结构设计，以及执行机构和现场仪表(Level0)的仿真，过程控制单元(Level1)以及HMI人机接口(Level2)的仿真，来还原整个DCS系统全范围模拟机的设计原理和运行机制［1］。福清核电站DCSFSS全范围模拟机系统是通过仿真数学模型模拟核电站物理、工艺和控制过程，以计算机图形界面作为人机界面的仿真系统，最终实现模拟仿真整个核电站DCS控制系统。全范围模拟机系统不同于工程应用中真实的集散控制系统，主要体现在FSS系统是通过一系列的仿真软件来模拟Level0层的执行机构和现场仪表的工艺［2］，以及Level1层的过程控制单元（处理器和I/O单元）。福清核电站DCSFSS全范围模拟机系统的网络结构如图1所示。各部分物理层功能的设计如下：1） 执行机构和现场仪表（Level0）：采用中核武汉核电运行技术股份有限公司（CNPO）开发研制的RINSIM软件仿真平台来模拟仿真执行机构与现场仪表的过程数据。2） 过程控制单元（Level1）：利用西姆赛公司出品的SIM4ME软件包：Dynsim,FSIM,Trisim软件模拟处理器和I/O处理单元，利用Dynsim与第三方软件的接口功能，实现执行机构、现场仪表与过程控制单元实时数据的交换功能。3） 人机接口（Level2）：利用ATOS公司研发的ADACS系统实现人机操作界面。整个DCSFSS系统的结构由5条主要网络组成，由下至上分别为：由CNPONetworkswitch组建的Level0层网络。由一个48PortSwitch组建的Level0与Level1接口网络。由两个I/A24PortSwitch来组建的冗余Level1层网络。ATOS&Level1接口网络。ATOSLevel2网络。如上所述的3大物理层以及5条主要网络，即组成了福清核电DCSFSS系统的整个网络构架。执行机构和现场仪表层（Level0）采用中核武汉核电运行技术股份有限公司自主开发研制的仿真平台RINSIM实现，模拟核电站各个系统的工艺，通过仿真数学模型模拟各种工艺控制过程，并将模拟的执行机构及现场仪表等数据与过程控制单元（处理器和I/O单元）进行实时通讯。RINSIM仿真平台各部分软件的仿真功能如表1所示,各部分软件功能的关系如图2所示。本项目中执行机构和现场仪表层（Level0）的仿真由4台RINSIM仿真平台服务器组成，通过CNPONetworkSwitch组成Level0层网络。在各种系统工艺模型的仿真方面，RINSIM仿真平台库文件内嵌多种类型部件，这些部件可事先进行创建，规定每个部件的输入输出和模型参数，通过对这些输入输出和模型参数进行编程、调试编译，形成一个个可以重复利用的部件。RINSIM仿真机库文件，主要包括模拟部件库（如延迟模块、PID控制器等）、逻辑部件库（如与或非门、RS触发器等）、控制库、接口库、工艺系统控制库（如流量、温度传感器、阀门、电动机等）、硬件库（如RG手自动控制器、TPL开关、按钮等）、不可压缩流体库（如泵、水箱、热交换器等）、电气库（如断路器、变压器等）、配电网络库、可压缩流体库、热工部件库等各种部件。每个部件都有相应的输入输出和部件参数，其程序已经编译成功，可直接调用，并根据实际工艺情况进行相应的参数调试，即可完成后续的仿真。RINSIM仿真平台软件已在多个核动力模拟机研制项目中成功使用［3］，其中包括大亚湾多功能模拟机研制、秦山一期全范围模拟机改造、国家核安全局仿真系统研制及秦山三期全范围模拟机研制项目。福清核电DCSFSS系统，采用西姆赛公司提供的基于SIM4ME平台的OTS（OperatorTrainingSimulator）系统对过程控制单元层（Level1）进行模拟仿真。SIM4ME软件平台由Dynsim、FSIM、Trisim软件构成，为工艺工程师、设备工程师、操作员和管理人员提供了全套严格意义上的动态仿真和控制系统模拟功能，实现改进设备设计、检验控制器、培训操作员和提高设备性能等重要功能。DynsimDynsim是一个功能全面的、基于严格计算的、成熟的动态过程模拟系统。它运用基于机理的技术和严格的热力学数据，提供准确而可靠的计算结果，用于解决从工程分析到操作员培训系统等工作中的动态模拟问题。福清核电DCSFSS系统运用Dynsim仿真软件与第三方软件的接口功能，实现一层与零层接口实时交换数据的功能。并可通过Dynsim控制整个仿真软件平台的运行、冻结和停止操作。FSIMFSIM是结合了Dynsim建模功能的FoxboroI/ASeries控制处理器的〃虚拟仿真”。FSIM支持I/ASeries数据块算法，包括那些在I/ASeriesCP、设备集成器和PLC集成器中执行的算法。FSIM完全合并了I/ASeries阶梯逻辑、事件顺序和发动机驱动的仿真器，它们一般都在FieldbusModules（I/O处理单元）中执行。FSIM还能够接受I/ASeries控制配置下载，通俗的说，FSIM可以模拟I/ASeries处理器以及I/O处理单元。福清核电DCSFSS系统中利用FSIM软件模拟仿真Level1层的I/ASeries处理器以及FBM（FieldbusModules），用以实现非安全级系统的DCS软件和硬件设计。Level1层的设计中共设置了11台FSIM仿真服务器，它们在核电站的仿真功能如表2所示。每台FSIM服务器配置3块千兆双口网卡，其中两块网卡用于接入FoxboroIAPrimaryNetwork和FoxboroIASecondaryNetwork，组成冗余的过程控制单元层网络；第三块网卡用于接入执行机构和现场仪表层与过程控制单元层的接口网络。在过程控制单元层网络的仿真设计中，另设置有两台FoxAPI服务器，用于与人机接口层（Level2）中CFR服务器（接口服务器）进行接口功能，实现过程控制单元层与人机接口层数据的实时通讯。TRISIMTRISIM是Tristation系统和Tricon控制器的“虚拟仿真”，并结合了Dynsim的基础建模功能。福清核电DCSFSS系统中设置两台TRISIM服务器实现对核电站中安全级系统的控制器及输入输出卡件的仿真。这两台TRISIM服务器分别配置一块千兆网卡，用于接入执行机构和现场仪表层与过程控制单元层的接口网络，并通过Dynsim中CrossReference文件配置接口，实现Tricon系统与I/A系统、及执行机构和现场仪表层的实时数据交换。福清DCSFSS系统中人机接口层（Level2）部分设计与福清核电站DCS数字化仪控系统项目的人机接口层结构一致。人机接口层的整体结构如图3所示。人机接口层网络交换机布置在I&C设备室和主控制室等房间，这个网络是完全冗余的，由双电源供电。所有的网络交换机通过多模光纤连接起来，组成一个环形的冗余网络结构。如果一个交换机出了故障，环形网络结构自动恢复成线性网络结构，而不影响通信服务［2,4］。图4给出了冗余环形网络结构，每个房间均有两条网络线路。人机接口层网络中的服务器包括Level1与Level2接口服务器CFR、中央处理器服务器CCT、历史服务器SAR、实时服务器STR。4.1Level1与Level2接口服务器CFRLevel1与Level2接口服务器CFR负责ADACS系统的前端应用，它是二层网络与一层网络的接口服务器，相当于ADACS系统与I/A系统通讯协议的Gateway。—层网络与二层网络接口服务器CFR将获取的一层信息广播给中央处理器服务器CCT,同时传送操纵员的命令给一层网络。福清DCSFSS系统设置有两台CFR服务器。两台CFR服务器均接收和存储来自一层网络的数据，并且发送数据到两台CCT服务器供二层网络所有客户端使用。4.2中央处理器服务器CCT中央处理器服务器CCT用于高速可靠的数据处理。CCT服务器从一层网络与二层网络接口服务器CFR接收数据，进行扩展计算、报警检测、管理和处理、更新列表、监视KIC，确保整个系统的数据一致性，以便管理和同步各种操作。CCT服务器将获取数据和计算数据广播给实时服务器STR和历史服务器SAR。福清DCSFSS系统中设置有两台CCT服务器，这两台服务器以主/从冗余模式运行，即使出现故障也不会丢失服务。这种处理方式保证了OWP上显示数据的一致性。处理应用以active冗余方式执行，确保没有消息丢失，并且在切换过程中运行保持不中断。在正常运行时，只有一台CCT服务器在运行，另夕卜一台为备用状态。CCT服务器进行数据更新服务时，仅主CCT服务器将更新信息（操作员画面和短期历史数据归档）发往STR服务器和SAR服务器。主CCT服务器将命令从CCT服务器丢弃广播消息。如果经历一个处理周期后，没有任何广播消息经由主CCT服务器上处理，则会自动切换至从CCT服务器进行数据处理，并发送更新信息。4.3历史服务器SAR历史服务器SAR用于将ADACS系统的过程数据以及计算数据进行归档。SAR服务器会将具有时间标签的事件在时间日志中进行归档。这些归档数据用于提供给OWP或者其它服务器使用。福清DCSFSS系统设置有6台SAR服务器，SAR服务器应用以passive冗余模式运行。每台SAR服务器提供服务的镜像，一旦出现故障，其它SAR服务器会继续支持这种客户端功能。所有SAR服务器并行运行，相互独立地对历