全范围模拟机数字仪控系统全仿方案.docx
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全范围模拟机数字仪控系统全仿方案
保持一致，而且性能指标满足实际DCS的技术指标，满足了核电厂模拟机培训的进度要求，并相对于虚拟实物模拟方案大幅降低了造价。
关键词：
核电；模拟机；仪控系统；全模拟
ImplementationofFullSimulationforNuclearPowerPlantI&CSystem
XuKui
（CNPOCO.,LTD,SECDepartment,WuHanHuBei）
Abstract:
.Fullscopesimulatorisanessentialmeantotrainingoperatorsinnuclearpowerplants.Therearevariousapproachesthroughwhichsimulatorcanbeimplemented.Inthispaper,afullsimulationschemeisintroduced,whichcombinesthecharacteristicsoftranslationanddesigningdataconfiguration.Atdevelopmentstage,arun-timeplatformisbuilt,simulationdatawhichcomesfromdesigninginstituteisused,thescheduleofoperatortrainingissatisfied.Atadjustmentstage,withtranslationtools,engineerdatafromrealnuclearplantistransformedintosimulationdatawhichisabletorunonthesimulator.ItisanovelapproachtoimplementnuclearsimulatorinChina.Whenthesimulatoristestedandutilized,theprogressoftrainingisensured,andthefunctionsandperformancesofsimulatorarecontenttotherequirements.Furthermore,comparingtotheemulationscheme,thecostofsimulatorcanbegreatlydecreasedbyimplementingfullsimulationscheme.
KeyWords:
NuclearPower;Simulator;I&C;FullSimulation
1.引言
全范围模拟机是核电站培训核电操纵员的重要手段。
而不同的全范围模拟机厂商有不同的实现方式[1][2]。
在国内某核电全范围模拟的研制项目中，权衡了各种模拟方式的特点后，采用了一种全模拟（FullSimulation）的方式对核电数字仪控系统进行了仿真。
该DCS全仿方案，在国内的核电模拟机研制中属于首次采用，软件规模大，技术难度高。
在项目中研制的DCS仿真二层软件功能完整、各项性能指标与同类型核电DCS软件的性能指标相当。
2013年起，该模拟机开始应于电厂的培训，现已完成全部类型的培训任务，能满足核电厂的培训需求，并为电厂业主大量减少了模拟机制造成本。
1.1.全仿方案
对于DCS的二层仿真，在国内外通常有四种方法[3][4][5][5][7]：
1.Simulation-功能模拟[1]
使用模拟厂商的软硬件平台模拟实际电厂的功能，按工程数据来分，功能模拟simulation一般有两种方式[3][4][5][5]：
1）设计数据组态方式，以设计数据为来源正向组态。
其开发进度则主要依赖于设计数据的提交进度即可。
因此，在工程设计工作完成后，模拟机的工程开发工作可以与实际DCS的工程开发工作同时开展。
而维护阶段可采用翻译DCS组态方式的进行更新。
2）翻译方式，以实际DCS机组数据为来源。
实际上这种方法是用真实DCS的工程文件翻译为模拟机软件可运行的数据格式，因些这种方法的模拟精度和虚拟实物模拟相当，只是带来了方便，即可直接从电厂取DCS下载文件到模拟机上，但是这种方法所用DCS实际机组数据需要实际DCS工程组态完成后才能获得，导致数据难以收集。
2.Stimulation-实物模拟[1]
该方法使用与真实机组DCS完全相同的软件和硬件，主要用于工程验证，单一采用实物模拟的方式在核电站模拟机中几乎没有应用。
3.Emulation-虚拟实物模拟[1]
该方案为当前最常用的方法，但这要依赖DCS生产商的工程实际进度，价格贵、进度上得不到保证。
这四种DCS仿真的主要特点如表1所示：
表1.常见的模拟仿真方案
实物模拟
Stimulation
虚拟实物模拟
Emulation
功能模拟
simulation
翻译方式
直接组态方式
项目费用
高
中
低
低
模拟精度
高
可用作培训、工程分析和工程验证
中
可用作培训、工程验证
中
可用于培训、工程分析
低
可用于培训
数据来源
风险：
中
来自电厂DCS组态数据
风险：
中
来自电厂DCS组态数据
风险：
中
来自电厂DCS组态数据
风险：
低
来自电厂设计数据
知识产权限制
风险：
高
所有软硬件版权属于DCS供货商
风险：
中
所有软件版权属于DCS供货商
风险：
低
版权属于FSS供货商，可以从国内获得有效技术支持。
风险：
低
版权属于FSS供货商，可以从国内获得有效技术支持。
项目进度
风险：
中
依赖于电厂DCS工程的进度
风险：
中
依赖于电厂DCS工程的进度
风险：
中
依赖于电厂DCS工程的进度
风险：
低
以来于电厂设计进度，且可以使用参考机组数据
模拟机数据更新
风险：
中
依赖于模拟机DCS供货商的的现场技术支持服务
风险：
中
依赖于模拟机DCS供货商的的现场技术支持服务
风险：
低
由FSS供货商进行，可以从国内获得有效技术支持。
风险：
低
由FSS供货商进行，可以从国内获得有效技术支持。
模拟机维护
风险：
中
软硬件维护依赖于模拟机DCS供货商
风险：
中
软件维护依赖于模拟机DCS供货商
风险：
低
硬件设备通用，可以从国内获得有效技术支持。
风险：
低
硬件设备通用，可以从国内获得有效技术支持。
本文提出的仿真方案称为全模拟（FullSimulation）方案，结合了功能模拟的两种不同方式：
设计数据组态和翻译方式的特点，在项目前期采用了设计数据组态方式保证了核电厂操纵员培训的进度要求。
而维护阶段采用翻译的方式，使用DCS实际机组的组态工程数据对模拟机进行数据更新，从而提高了模拟的精度。
1.2.国内外同类技术比较
1.2.1.国外同类技术
目前，据了解，主要核电仿真公司中GSE、WSC公司具备DCS全仿真的技术能力。
1.2.2.国内同类技术
CNPO是目前国内唯一实现了核电用DCS全仿的仿真公司。
以下列举了部分国内核电FSS项目DCS实现方式。
表2.国内仿真项目情况
项目
DCS品牌
仿真方式
FSS制造商
田湾核电一期
SIEMENSTXP+TXS
Stimulation+Translation
俄罗斯GET公司
岭澳核电一期
SIEMENSTXP+TXS
Stimulation+Translation
美国L3
宁德核电
三菱+广利核
Stimulation+Emulation
中广核仿真公司
红沿河核电
三菱+广利核
Stimulation+Emulation
中广核仿真公司
阳江核电
三菱+广利核
Stimulation+Emulation
中广核仿真公司
三门核电一期
OVATION+AC160
Stimulation
美国GSE
海阳核电一期
OVATION+AC160
Stimulation
美国GSE
福清核电一期
FOXBOROIA+ADACS_N
Stimulation+Emulation
CNPO
方家山核电一期
FOXBOROIA+ADACS_N
Stimulation+Emulation
CNPO
福清核电二期
FOXBOROIA+ADACS_N
Simulation
CNPO
海南昌江核电一期
FOXBOROIA+ADACS_N
Simulation
CNPO
DCS全仿方案的基本内容为：
●HMI硬件采购与电厂DCS外形、操作感觉一致的设备。
●模拟机的仿真支撑平台和电厂模型开发采用RINSIM仿真平台。
●采用设计数据组态和工程数据翻译相结合的方法实现DCS软硬件功能。
图1表示了基于DCS全仿方案设计的核电站全范围模拟机硬件结构。
图1.核电站全范围模拟机结构（DCS全仿）
核电站全范围模拟机用DCS总体上可以分成Level1和Level2两部分，对Level1，CNPO将采用图形化建模工具SimGen建模；对Level2，将采用图形组态工具Simdraw来绘图。
图2.表示了基于DCS全仿方案设计的核电站全范围模拟机软件的层次结构，以及工程数据和DCS工程设计文件与仿真工程的关系。
图2全模拟的软件与各种工程数据的关系
2.项目完成情况
下面将从DCS全仿方案的数据量、功能的完整性、运行性能、系统的稳定性等方面进行说明。
2.1.数据处理能力
全仿方案实施后的数据处理能力如下表所示：
表3.全仿方案数据处理能力
功能
数量
说明
一层I/O点
4万以上
一层输入点：
2万+
一层输出点：
1万+
二层数据点
50万以上
二层输入点：
60502个，工作站间向及服务器发出的指令通信点
二层输出点：
21582个，计算服务器向工作站发送的显示点
其它均为二层内部计算用到的非通信点，如报警阈值、计算中间变量点等。
系统画面
流程图画面:
2000+张
报警卡画面5000+张
2.2.功能的完整性
全仿方案中，我们实现了实际电厂DCS的全部功能，主要功能如下表所示：
表4DCS全仿方案完成的主要功能列表
工程应用功能
完成情况
流程图功能
完成软件，并通过测试
报警功能
完成软件，并通过测试
趋势功能
完成软件，并通过测试
规程功能
完成软件，并通过测试
HMI界面功能
完成软件，并通过测试
SRV服务功能
完成软件，并通过测试
弹出窗口
完成软件，并通过测试
工况功能
完成软件，并通过测试
直接访问功能
完成软件，并通过测试
权限管理
完成软件，并通过测试
I&C故障功能
完成软件，并通过测试
当前值功能
完成软件，并通过测试
日志功能
完成软件，并通过测试
挂牌功能
完成软件，并通过测试
氙预测
完成软件，并通过测试
2.3.系统稳定性
模拟机中采用全仿方案实现的DCS自2013年起投入使用，核电模拟机操纵员培训使用，至今运行状态良好。
2.4.主要性能指标
主要性能指标均大于实际机组的性能要求，实现情况如下表所示：
表5主要技术指标
主要技术指标
指标要求
实测值
显示从控制器输入的数据到操作界面的时间
<=1s
平均时间：
647ms
最大时间：
676ms
操作者动作到实际的过程响应时间
<=1s
平均时间：
46ms
最大时间：
99ms
在任何条件下，选择信息的获取时间
<=1s
平均时间：
49ms
最大时间：
54ms
在屏幕上选择一项后，操作动作反馈到屏幕上的时间
<=0.2s
平均时间：
48ms
最大时间：
55ms
刷新显示画面的时间间隔
<=1s
平均时间：
350ms
最大时间：
355ms
一层接口与操纵员站之间的数据传递时间
<=0.5s
平均时间：
196ms
实时数据通信丢包率小于
<1/100000
实测18小时，发送3373348个数据包，无数据包丢失
二层全局计算引擎的计算周期
<=100ms
平均时间：
61ms
最大时间：
69ms
下文将介绍在项目执行中主要解决的两个问题：
1.翻译仿真与设计数据组态方式仿真的结合的方案设计
2.DCS二层仿真平台的运行软件和翻译软件的设计与实现
3.翻译与设计数据组态方式的结合
如图3所示，在开发阶段，使用设计数据组态方式将设计院的设计文件作为仿真工程输入，确保电厂培训的进度要求，降低了项目的执行风险。
而在数据修正阶段，全范围模拟机使用了翻译仿真的方式将DCS厂商的工程数据作为工程输入，提高了工程数据的仿真精度。
DCS仿真总体上可以分成Level1和Level2两部分，在全范围模拟机项目的事实执行过程中分别对其进行图形化建模仿真。
本文主要关注DCS二层的相关问题。
为了实现翻译方式仿真和正向组态方式仿真在同一个全范围模拟机项目中使用，解决了以下三个关键问题：
1）定义能同时适用于两种方案的DCS二层仿真数据格式。
2）实现了DCS一体化的数据库，具备数据一致性检查功能。
3）研发了能运行在仿真平台上的二层数据翻译软件，可以将实际电厂DCS的工程数据的格式翻译到模拟机能运行的工程文件。
图3全仿的方案的两个项目阶段
3.1.DCS二层的工程数据仿真方案
在项目第一阶段，采用由设计院提供的参考机组DCS的二层设计文件作为模拟机的设计输入，其中主要包括流程图、规程画面，报警、故障、工况等二层工程设计文件。
采用SimDraw作为DCS的Level2仿真软件的画发工具，开发出的DCS二层画面和二层数据结构。
数据修正阶段（项目第二阶段），在模拟机投运以后，以DCS厂商提交的电厂实际运行的二层数据文件作为模拟机的设计输入，进行模拟机修正。
图5.DCS二层工程数据仿真方案
4.DCS二层仿真运行软件
为了满足核电DCS仿真软件的功能需求，在核电DCS的仿真系统中，除了处理DCS固有操作和状态管理以外还会处理教控操作，例如：
复位、冻结、状态存储、重演等。
因此DCS仿真具有数据量大、通信负载重、计算复杂度高的特点。
为了满足DCS范围模拟机的数据需求，在DCS二层仿真运行软件的开发过程中。
按照软件的功能分，软件可分为两个部分：
1.在线运行平台软件
2.离线翻译软件
4.1.在线运行平台软件
是DCS仿真工程数据的运行环境。
解决了以下三个关键技术：
4.1.1.DCS二层实时通信服务软件技术
研究工作主要包括：
对于全范围模拟的实时通信数据点的部署和配置方案的确定；研制实时数据通信服务。
二层实时通信服务软件通过将二层工业冗余局域网络内各节点的分布式数据可靠的实时同步。
通过本项目的研发解决了如下关键技术问题：
1.网络拓扑对实时通信服务完全透明。
2.实时数据服务软件对于每个网络节点（服务器、工作站等）完全对等。
3.实时数据服务为应用程序提供实时数据的同步服务，这些同步细节对于应用程序完全透明。
4.在实时数据服务的支撑下，保证各个节点上的数据块在规定的同步周期下实现数据同步刷新。
5.实时数据服务软件支持的数据基本类型有：
char、short、int、float、double和一维数组（字符串）。
6.保证实时数据服务的最大运行网络负荷<150Mbps。
7.单台数据处理服务器故障（包括断电、机器硬件故障）不影响正常实时数据服务。
8.数据通信服务器故障（包括断电、机器硬件故障）不影响正常实时数据服务。
9.对服务器软件进程异常（包括进程崩溃、无响应、响应不正确等）应有相应的监测和处理方案。
10.运行状态下，操纵员工作站的退出、加入和故障不能影响DCS二层它节点的通信
11.DCS分布式实时数据服务软件使用纯软件方式实现。
12.任意节点修改该节点本地数据后，该修改同步到网络中其它节点对应所用的时间应≤200ms。
13.为了保证系统的可靠性，做到了时间戳不参与任何控制计算。
4.1.2.DCS二层计算服务软件技术
DCS的二层计算引擎使用中核武汉核电运行技术股份有限公司已有成熟的计算引擎为基础进行了DCS二层的适应性修改，并解决了三个主要难题：
1.DCS二层高效率计算的问题
2.分布式网络结构问题
3.支持DCS二层的计算组态的问题
该计算服务软件能够建立和运用复杂的数据，数据中的变量和常量分为不同的global区域存放。
在复杂的多处理器的系统调试中，数据可以被多用户共同读取使用。
当然，数据可否被多个用户使用，是由数据的级别所决定。
计算服务软件支持C和FORTRAN语言编写的计算程序，程序在编写好之后都要编译，编译通过后的程序才能在仿真系统中调用运行。
模型程序分为segment,function,control三种基本类型。
其中control为各用户系统的主程序，它可以再调用其他的子程序或公用程序。
计算软件为系统提供编译程序命令。
计算服务软件提供一套强有力的分系统软件调试系统，在分用户还未合并为整体时用来调试分系统的执行程序。
计算服务器不用启动，各自系统使用各自系统下的变量，不使用公共变量，以免发生冲突。
并且，分调程序支持多系统在各自的系统下同时调试自己的执行程序。
计算服务软件还为计算服务器提供一套监视及实时控制运算过程的功能。
根据调试的系统不同，让用户能够监视系统中的变量，跟踪系统运行的进程，实时修改变量的值即系统状态，并观察对DCS二层全局计算的影响。
4.1.3.通用的DCS二层仿真支撑平台架构设计
DCS二层软件软件实现了通用性和可扩展性的设计，采取了软件模块化设计。
实现了服务同业务的分离，可灵活配置。
通过对UI的修改，可仿真各种不同品牌的DCS产品。
此部分软件与被仿真的DCS厂商无关，将DCS仿真的共性抽象出来，以服务和接口的形式存在，并将其分为三个子层次。
如图6所示，其中：
图6.DCSLevel2仿真支撑平台软件的结构
应用接口层为DCS业务提供统一的接口，模块以库文件的形式存在，被DCSLevel2仿真功能软件模块调用。
服务层，DCS的基础服务模块，涵盖了实时数据，历史数据、通信、权限等服务。
数据与驱动层为服务层提供数据和驱动服务，这一层由各种数据库和各种驱动构成。
例如：
实时数据库，SQL数据库，文件系统、打印驱动、声音驱动等。
由于应用接口层的存在，在仿真不同品牌厂商DCS时，只需仿真其不同的界面，和操作等外特性。
而实时数据、通信服务等底层支撑服务对于应用完全透明。
以此实现了DCS仿真平台的可扩展性和通用性。
4.2.离线翻译软件
在项目的第二个阶段，为了快速将电厂提供的实际运行数据快速、准确的导入到DCS运行平台中。
我们开发了一套能够导入全部DCS数据的离线翻译工具软件集。
首先，离线翻译软件能解析、转换实际DCS工程的电厂对象数据库，并其中包括电厂设备、报警、故障等的各种数据下装到仿真平台，仿真运行平台能直接运行翻译后的数据。
其次，离线翻译软件还能解析、转换实际DCS工程的各种Level2画面组态文件。
最后，离线翻译软件还能解析、转换实际DCS工程的Level1逻辑计算。
5.总结
采用DCS全仿方按进行模拟机研制，在国内属于首次采用。
在项目中使用的一系列方法、研制出的软件、工具均属于原创，在国内属于首次采用。
在项目不同的执行阶段，能够在同一软件平台下分别使用设计数据组态和翻译仿真两种方式。
实现了通用的DCS二层仿真支撑平台软件。
实现了服务同应用业务的分离，可灵活配置，通过对UI的修改，可仿真各种不同品牌的DCS产品；强大的DCS实时数据处理能力，达到50万点规模；实现了DCS一体化的数据库，具备数据一致性检查功能；研制了灵活友好的图形化仿真DCS组态界面。
解决了DCS仿真系统大数据量的处理的性能、功能的完整性、二层数据同步性能、系统的稳定性等问题。
一方面，全范围模拟机数字仪控系统全仿方案的成功研制保证了全范围模拟机项目的成功实施和按时投运，使得核电厂能够按进度要求培训和考核足够数量的核电厂操纵人员，从而为电站的商运提供了运行人员保障，进而为缓解电力紧张局面做出贡献。
另一方面，全范围模拟机数字仪控系统全仿方案的成功研制大大降低了全范围模拟机项目研制的成本，也为机组人因工程集成系统验证提供了平台，相比于虚拟实物仿真方案，具有设置初始条件迅速、DCS性能稳定性好的优势。
参考文献
[1]NB/T20015-2010,核电厂操纵人员培训及考试模拟机
[2]周刚，伊雄鹰，核动力仿真技术及其发展,原子能科学技术,2006,40
（1）:
23-29
[3]毛伟，孔祥凤,核电站人员培训中仿真技术的应用，科技信息，2012,1（4）:
412-412
[4]任永忠，任湘郴,核电厂培训模拟机设计和开发,系统仿真技术2009,5
（2）:
125-129
[5]柳娟，唐雪艳，许元骏，核电仿真的数据采集和处理系统设计，工业控制计算机，2014,1（6）:
98-99
[6]史觊蒋明瑜马云青，核电站仪控数字化开发仿真测试技术研究，核技术，2005,28
（2）：
163-168
[7]邓戈燕，刘颖，曲鸣，郑明,核电DCS设计验证平台开发,2011仿真研讨会,2011,1
（1）:
351-355
升级会员 