福建福清核電站DCS系統(tǒng)全范圍模擬機(jī)設(shè)計(jì)

福建福清核電站DCS系統(tǒng)全范圍模擬機(jī)設(shè)計(jì)馬潔光;李春【摘要】Owingtothegrowingdemandforenergy,theexplorationofnuclearenergyisdevelopingrapidly.Chinaismakingrapidprogressintheapplicationofnuclearenergy.DCS,adevelopedtechnologyforprocesscontrol,iswidelyusedintheconstructionofnuclearpowerplants.Asuitabletrainingsystemforoperatorsandapowerfuldynamicsimulationsystemforexperimentsandtrialsareneededintheprocessofboththeconstructionandtheoperationofnuclearpowerplants.DCScanliterallyofferfullscopesimulationstooperators,processengineersandmanagers.Italsohasfunctionsthatallowequipmentdesignimprovement,controller'sexamination,operatorstraining,aswellasotherimportantfunctions.ThispaperdiscussestheoverallstructureoffullscopeDCSsimulationsfornuclearpowerplantsandthedesigningoftheirintegralpartsbasedontheevidencefoundinthedesignofDCSinFujianFuqingnuclearpowerplant.%人類對(duì)能源不斷擴(kuò)大的需求，促使和平利用核能快速發(fā)展，而DCS控制系統(tǒng)作為一項(xiàng)成熟的過(guò)程控制技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于核電站的建設(shè)應(yīng)用當(dāng)中。核電站的建成與運(yùn)行，需要配套的操縱員培訓(xùn)系統(tǒng)，以及功能強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)與模擬仿真。核電站DCS系統(tǒng)全范圍模擬機(jī)能夠?yàn)椴倏v員、工藝工程師和管理人員提供全套嚴(yán)格意義上的動(dòng)態(tài)仿真和控制系統(tǒng)模擬功能，并提供改進(jìn)設(shè)備設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)控制器、培訓(xùn)操作員和提高設(shè)備性能等重要功能。本文將結(jié)合福建福清核電站DCS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹核電站DCS系統(tǒng)全范圍模擬機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和重要組成部分的設(shè)計(jì)?！酒诳Q】《儀器儀表用戶》【年(卷)，期】2016(023)006【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P71-74)【關(guān)鍵詞】核電；DCS;模擬【作者】馬潔光;李春【作者單位】中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京100176;中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京100176【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TK323隨著人們對(duì)能源的需求越來(lái)越大，核能的發(fā)展正在迅速崛起并成為人類不可替代的新型能源。大型商用核電站作為新的清潔能源，已經(jīng)成為我國(guó)和平利用核能的重要途徑，是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全的有效選擇。目前我國(guó)正處于核電大發(fā)展階段，DCS集散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)目前在建的多臺(tái)核電機(jī)組中。核電站DCSFSS(DistributedControlSystemFullScopeSimulator)系統(tǒng)全稱為核電站DCS全范圍模擬機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?yàn)楹穗娬静倏v員和管理人員提供電站整體工藝的動(dòng)態(tài)仿真和控制系統(tǒng)模擬功能，并能進(jìn)行各類實(shí)驗(yàn)仿真。本文將以福建福清核電站1號(hào)機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱為福清核電站)DCS全范圍模擬機(jī)為例，從核電站數(shù)字化控制系統(tǒng)層面上介紹DCS系統(tǒng)全范圍模擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)儀表(Level0)的仿真，過(guò)程控制單元(Level1)以及HMI人機(jī)接口(Level2)的仿真，來(lái)還原整個(gè)DCS系統(tǒng)全范圍模擬機(jī)的設(shè)計(jì)原理和運(yùn)行機(jī)制［1］。福清核電站DCSFSS全范圍模擬機(jī)系統(tǒng)是通過(guò)仿真數(shù)學(xué)模型模擬核電站物理、工藝和控制過(guò)程，以計(jì)算機(jī)圖形界面作為人機(jī)界面的仿真系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)模擬仿真整個(gè)核電站DCS控制系統(tǒng)。全范圍模擬機(jī)系統(tǒng)不同于工程應(yīng)用中真實(shí)的集散控制系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在FSS系統(tǒng)是通過(guò)一系列的仿真軟件來(lái)模擬Level0層的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)儀表的工藝［2］，以及Level1層的過(guò)程控制單元（處理器和I/O單元）。福清核電站DCSFSS全范圍模擬機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。各部分物理層功能的設(shè)計(jì)如下：1） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)儀表（Level0）：采用中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司（CNPO）開發(fā)研制的RINSIM軟件仿真平臺(tái)來(lái)模擬仿真執(zhí)行機(jī)構(gòu)與現(xiàn)場(chǎng)儀表的過(guò)程數(shù)據(jù)。2） 過(guò)程控制單元（Level1）：利用西姆賽公司出品的SIM4ME軟件包：Dynsim,FSIM,Trisim軟件模擬處理器和I/O處理單元，利用Dynsim與第三方軟件的接口功能，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)儀表與過(guò)程控制單元實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交換功能。3） 人機(jī)接口（Level2）：利用ATOS公司研發(fā)的ADACS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)操作界面。整個(gè)DCSFSS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由5條主要網(wǎng)絡(luò)組成，由下至上分別為：由CNPONetworkswitch組建的Level0層網(wǎng)絡(luò)。由一個(gè)48PortSwitch組建的Level0與Level1接口網(wǎng)絡(luò)。由兩個(gè)I/A24PortSwitch來(lái)組建的冗余Level1層網(wǎng)絡(luò)。ATOS&Level1接口網(wǎng)絡(luò)。ATOSLevel2網(wǎng)絡(luò)。如上所述的3大物理層以及5條主要網(wǎng)絡(luò)，即組成了福清核電DCSFSS系統(tǒng)的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。執(zhí)行機(jī)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)儀表層（Level0）采用中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司自主開發(fā)研制的仿真平臺(tái)RINSIM實(shí)現(xiàn)，模擬核電站各個(gè)系統(tǒng)的工藝，通過(guò)仿真數(shù)學(xué)模型模擬各種工藝控制過(guò)程，并將模擬的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)儀表等數(shù)據(jù)與過(guò)程控制單元（處理器和I/O單元）進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。RINSIM仿真平臺(tái)各部分軟件的仿真功能如表1所示,各部分軟件功能的關(guān)系如圖2所示。本項(xiàng)目中執(zhí)行機(jī)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)儀表層（Level0）的仿真由4臺(tái)RINSIM仿真平臺(tái)服務(wù)器組成，通過(guò)CNPONetworkSwitch組成Level0層網(wǎng)絡(luò)。在各種系統(tǒng)工藝模型的仿真方面，RINSIM仿真平臺(tái)庫(kù)文件內(nèi)嵌多種類型部件，這些部件可事先進(jìn)行創(chuàng)建，規(guī)定每個(gè)部件的輸入輸出和模型參數(shù)，通過(guò)對(duì)這些輸入輸出和模型參數(shù)進(jìn)行編程、調(diào)試編譯，形成一個(gè)個(gè)可以重復(fù)利用的部件。RINSIM仿真機(jī)庫(kù)文件，主要包括模擬部件庫(kù)（如延遲模塊、PID控制器等）、邏輯部件庫(kù)（如與或非門、RS觸發(fā)器等）、控制庫(kù)、接口庫(kù)、工藝系統(tǒng)控制庫(kù)（如流量、溫度傳感器、閥門、電動(dòng)機(jī)等）、硬件庫(kù)（如RG手自動(dòng)控制器、TPL開關(guān)、按鈕等）、不可壓縮流體庫(kù)（如泵、水箱、熱交換器等）、電氣庫(kù)（如斷路器、變壓器等）、配電網(wǎng)絡(luò)庫(kù)、可壓縮流體庫(kù)、熱工部件庫(kù)等各種部件。每個(gè)部件都有相應(yīng)的輸入輸出和部件參數(shù)，其程序已經(jīng)編譯成功，可直接調(diào)用，并根據(jù)實(shí)際工藝情況進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)試，即可完成后續(xù)的仿真。RINSIM仿真平臺(tái)軟件已在多個(gè)核動(dòng)力模擬機(jī)研制項(xiàng)目中成功使用［3］，其中包括大亞灣多功能模擬機(jī)研制、秦山一期全范圍模擬機(jī)改造、國(guó)家核安全局仿真系統(tǒng)研制及秦山三期全范圍模擬機(jī)研制項(xiàng)目。福清核電DCSFSS系統(tǒng)，采用西姆賽公司提供的基于SIM4ME平臺(tái)的OTS（OperatorTrainingSimulator）系統(tǒng)對(duì)過(guò)程控制單元層（Level1）進(jìn)行模擬仿真。SIM4ME軟件平臺(tái)由Dynsim、FSIM、Trisim軟件構(gòu)成，為工藝工程師、設(shè)備工程師、操作員和管理人員提供了全套嚴(yán)格意義上的動(dòng)態(tài)仿真和控制系統(tǒng)模擬功能，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)設(shè)備設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)控制器、培訓(xùn)操作員和提高設(shè)備性能等重要功能。DynsimDynsim是一個(gè)功能全面的、基于嚴(yán)格計(jì)算的、成熟的動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬系統(tǒng)。它運(yùn)用基于機(jī)理的技術(shù)和嚴(yán)格的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，提供準(zhǔn)確而可靠的計(jì)算結(jié)果，用于解決從工程分析到操作員培訓(xùn)系統(tǒng)等工作中的動(dòng)態(tài)模擬問(wèn)題。福清核電DCSFSS系統(tǒng)運(yùn)用Dynsim仿真軟件與第三方軟件的接口功能，實(shí)現(xiàn)一層與零層接口實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)的功能。并可通過(guò)Dynsim控制整個(gè)仿真軟件平臺(tái)的運(yùn)行、凍結(jié)和停止操作。FSIMFSIM是結(jié)合了Dynsim建模功能的FoxboroI/ASeries控制處理器的〃虛擬仿真”。FSIM支持I/ASeries數(shù)據(jù)塊算法，包括那些在I/ASeriesCP、設(shè)備集成器和PLC集成器中執(zhí)行的算法。FSIM完全合并了I/ASeries階梯邏輯、事件順序和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的仿真器，它們一般都在FieldbusModules（I/O處理單元）中執(zhí)行。FSIM還能夠接受I/ASeries控制配置下載，通俗的說(shuō)，F(xiàn)SIM可以模擬I/ASeries處理器以及I/O處理單元。福清核電DCSFSS系統(tǒng)中利用FSIM軟件模擬仿真Level1層的I/ASeries處理器以及FBM（FieldbusModules），用以實(shí)現(xiàn)非安全級(jí)系統(tǒng)的DCS軟件和硬件設(shè)計(jì)。Level1層的設(shè)計(jì)中共設(shè)置了11臺(tái)FSIM仿真服務(wù)器，它們?cè)诤穗娬镜姆抡婀δ苋绫?所示。每臺(tái)FSIM服務(wù)器配置3塊千兆雙口網(wǎng)卡，其中兩塊網(wǎng)卡用于接入FoxboroIAPrimaryNetwork和FoxboroIASecondaryNetwork，組成冗余的過(guò)程控制單元層網(wǎng)絡(luò)；第三塊網(wǎng)卡用于接入執(zhí)行機(jī)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)儀表層與過(guò)程控制單元層的接口網(wǎng)絡(luò)。在過(guò)程控制單元層網(wǎng)絡(luò)的仿真設(shè)計(jì)中，另設(shè)置有兩臺(tái)FoxAPI服務(wù)器，用于與人機(jī)接口層（Level2）中CFR服務(wù)器（接口服務(wù)器）進(jìn)行接口功能，實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制單元層與人機(jī)接口層數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通訊。TRISIMTRISIM是Tristation系統(tǒng)和Tricon控制器的“虛擬仿真”，并結(jié)合了Dynsim的基礎(chǔ)建模功能。福清核電DCSFSS系統(tǒng)中設(shè)置兩臺(tái)TRISIM服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)核電站中安全級(jí)系統(tǒng)的控制器及輸入輸出卡件的仿真。這兩臺(tái)TRISIM服務(wù)器分別配置一塊千兆網(wǎng)卡，用于接入執(zhí)行機(jī)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)儀表層與過(guò)程控制單元層的接口網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)Dynsim中CrossReference文件配置接口，實(shí)現(xiàn)Tricon系統(tǒng)與I/A系統(tǒng)、及執(zhí)行機(jī)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)儀表層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。福清DCSFSS系統(tǒng)中人機(jī)接口層（Level2）部分設(shè)計(jì)與福清核電站DCS數(shù)字化儀控系統(tǒng)項(xiàng)目的人機(jī)接口層結(jié)構(gòu)一致。人機(jī)接口層的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。人機(jī)接口層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)布置在I&C設(shè)備室和主控制室等房間，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)是完全冗余的，由雙電源供電。所有的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)通過(guò)多模光纖連接起來(lái)，組成一個(gè)環(huán)形的冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如果一個(gè)交換機(jī)出了故障，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自動(dòng)恢復(fù)成線性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而不影響通信服務(wù)［2,4］。圖4給出了冗余環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個(gè)房間均有兩條網(wǎng)絡(luò)線路。人機(jī)接口層網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器包括Level1與Level2接口服務(wù)器CFR、中央處理器服務(wù)器CCT、歷史服務(wù)器SAR、實(shí)時(shí)服務(wù)器STR。4.1Level1與Level2接口服務(wù)器CFRLevel1與Level2接口服務(wù)器CFR負(fù)責(zé)ADACS系統(tǒng)的前端應(yīng)用，它是二層網(wǎng)絡(luò)與一層網(wǎng)絡(luò)的接口服務(wù)器，相當(dāng)于ADACS系統(tǒng)與I/A系統(tǒng)通訊協(xié)議的Gateway。—層網(wǎng)絡(luò)與二層網(wǎng)絡(luò)接口服務(wù)器CFR將獲取的一層信息廣播給中央處理器服務(wù)器CCT,同時(shí)傳送操縱員的命令給一層網(wǎng)絡(luò)。福清DCSFSS系統(tǒng)設(shè)置有兩臺(tái)CFR服務(wù)器。兩臺(tái)CFR服務(wù)器均接收和存儲(chǔ)來(lái)自一層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并且發(fā)送數(shù)據(jù)到兩臺(tái)CCT服務(wù)器供二層網(wǎng)絡(luò)所有客戶端使用。4.2中央處理器服務(wù)器CCT中央處理器服務(wù)器CCT用于高速可靠的數(shù)據(jù)處理。CCT服務(wù)器從一層網(wǎng)絡(luò)與二層網(wǎng)絡(luò)接口服務(wù)器CFR接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行擴(kuò)展計(jì)算、報(bào)警檢測(cè)、管理和處理、更新列表、監(jiān)視KIC，確保整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性，以便管理和同步各種操作。CCT服務(wù)器將獲取數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)廣播給實(shí)時(shí)服務(wù)器STR和歷史服務(wù)器SAR。福清DCSFSS系統(tǒng)中設(shè)置有兩臺(tái)CCT服務(wù)器，這兩臺(tái)服務(wù)器以主/從冗余模式運(yùn)行，即使出現(xiàn)故障也不會(huì)丟失服務(wù)。這種處理方式保證了OWP上顯示數(shù)據(jù)的一致性。處理應(yīng)用以active冗余方式執(zhí)行，確保沒(méi)有消息丟失，并且在切換過(guò)程中運(yùn)行保持不中斷。在正常運(yùn)行時(shí)，只有一臺(tái)CCT服務(wù)器在運(yùn)行，另夕卜一臺(tái)為備用狀態(tài)。CCT服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)更新服務(wù)時(shí)，僅主CCT服務(wù)器將更新信息（操作員畫面和短期歷史數(shù)據(jù)歸檔）發(fā)往STR服務(wù)器和SAR服務(wù)器。主CCT服務(wù)器將命令從CCT服務(wù)器丟棄廣播消息。如果經(jīng)歷一個(gè)處理周期后，沒(méi)有任何廣播消息經(jīng)由主CCT服務(wù)器上處理，則會(huì)自動(dòng)切換至從CCT服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并發(fā)送更新信息。4.3歷史服務(wù)器SAR歷史服務(wù)器SAR用于將ADACS系統(tǒng)的過(guò)程數(shù)據(jù)以及計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔。SAR服務(wù)器會(huì)將具有時(shí)間標(biāo)簽的事件在時(shí)間日志中進(jìn)行歸檔。這些歸檔數(shù)據(jù)用于提供給OWP或者其它服務(wù)器使用。福清DCSFSS系統(tǒng)設(shè)置有6臺(tái)SAR服務(wù)器，SAR服務(wù)器應(yīng)用以passive冗余模式運(yùn)行。每臺(tái)SAR服務(wù)器提供服務(wù)的鏡像，一旦出現(xiàn)故障，其它SAR服務(wù)器會(huì)繼續(xù)支持這種客戶端功能。所有SAR服務(wù)器并行運(yùn)行，相互獨(dú)立地對(duì)歷