基于仿真技术的核电DCS验证系统设计
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摘 要
数字化仪控系统（DCS）作为核电站的中枢神经，对核电站的安全性、经济性起着至关重要的作用。由于DCS系统功能的多样性和结构的复杂性，如何有效证明DCS系统的正确性和可靠性成为了业内难题，本文就如何利用仿真技术在DCS系统设计、生产、调试等不同阶段开展验证活动进行了分析，给出了典型DCS验证系统实施方案，为开展DCS系统动态特性验证提供技术手段。
关键词
仿真;核电;Dcs验证
中图分类号： G633.6 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.046
0 概述
验证活动是保证DCS正确性、可靠性的重要手段。由于DCS系统具有复杂的软硬件结构，在DCS系统运行时，DCS内部以及DCS与被控对象之间存在很强的时序相关动态响应特性，这些动态特性的存在使得传统的静态验证方法与经验并不完全适用，需要借助动态的方法来提高验证活动的覆盖面及效率。
1 核电DCS典型结构
核电厂DCS系统采集电厂各种模拟、数字信号，经DCS系统运算与处理后，将控制指令送往现场执行机构，同时向主控室等提供所需的电厂状态信息。典型的DCS可划分为4层：
1）0层（工艺系统层），主要包括现场的探测装置和设备执行机构，负责现场信号的采集和控制动作的执行;
2）1层（过程控制层），负责对0层采集信号进行运算处理，并输出动作指令给现场执行机构，实现核电厂控制、保护功能;
3）2层（操作显示层），负责收集1层测量、控制信号，提供给运行人员进行监视;收集运行人员的操作指令，并将指令下发到1层进行逻辑运算等;
4）3层（管理层），负责从2层收集运行状态数据，并为管理和技术支持人员提供数据监视手段。
2 验证需求
根据DCS系统设计开发的特点，其验证活动可分为方案设计、工厂实现和现场调试等三个阶段。
2.1 方案设计阶段
方案设计是根据核电厂设计需求规范，完成包含1层控制逻辑和2层人机界面的设计方案。方案设计阶段主要成果包括控制原理图、控制参数设定值、控制系统接口清单等。
方案设计阶段的验证需求是：根据核电厂系统设计方案，开展控制系统方案验证，验证控制功能、优化控制参数，其验证活动实施主体是核电厂设计单位。
2.2 工厂实现阶段
工厂实现目标是在特定的DCS系统上正确实现控制方案所要求的控制功能。一方面根据控制系统设计方案，利用DCS工程组态软件完成控制逻辑组态;另一方面根据设计和产品实现需求，完成硬件系统的设计和配置。最终完成软硬件的集成，获取具备完整控制保护功能的DCS系统。工厂实现阶段的主要成果包括DCS软硬件集成系统、DCS系统I/O接口清单。
为保证工厂实现阶段软件、硬件及其集成系统满足设计要求。必须开展部件单元测试、分系统测试、系统集成测试等测试验证活动，其验证活动实施主体是DCS供应商。
2.3 现场调试阶段
DCS系统交付到核电厂现场后，需在核电厂的仪控设备间、主控室等场所进行安装、集成和调试，并按照核电厂调试要求开展相关验证活动，排查通道分配不当、现场接线错误以及前期未发现的软硬件缺陷等问题，确保DCS系统的正确性、可用性。现场验证活动实施主体是核电厂建设单位或运营单位。
3 DCS系统仿真实现方式
目前，针对DCS系统仿真主要有纯模拟（Simulation）、虚拟实物模拟（Emulation）和实物模拟（Stimulation）三种实现方式[1]。纯模拟是指用第三方软硬件来模拟实现DCS的控制功能;虚拟实物模拟是采用与原DCS相同的软件以及逻辑算法，通过普通计算机等硬件设备代替DCS硬件设备来实现DCS的控制功能;实物模拟则是使用真实DCS软硬件系统来实现DCS控制功能。这三种仿真实现方式的适用阶段、技术途径及验证效果有较大区别，需结合DCS验证的需求与条件进行综合选择。
4 仿真技术应用
DCS系统作为下游专业，其设计和验证必须依赖于被控对象的运行特性，尤其是在复杂的闭环控制回路中，控制系统性能的优劣与被控系统的动态运行特性密切相关。如果没有被控对象运行特性的支持，仅仅根据经验与理论知识完成的DCS系统，无法达到最优的控制效果，将不利于被控系统的挖潜增效。在运行维护阶段，涉及到控制方案优化、控制参数调整以及技改方案验证等，也必须依赖于准确的被控系统动态运行特性。针对这些问题，最好的解决办法是借助于仿真技术，建立能够准确模拟被控系统动态运行特性的仿真模型，并为控制系统提供必要的实时运行反馈，形成控制闭环，从而提高控制系统可靠性和整个核电厂的运行效率。
针对DCS设计、生产、调试等阶段验证需求的特点，结合核电仿真技术现状，从仿真系统架构设计、仿真实现方式、系统集成方法等角度考虑，设计了一系列DCS仿真验证系统方案，以满足不同阶段的验证需求。
4.1 纯模拟的DCS验证系统方案
通过利用各專业软件构建堆芯、热工、流体以及DCS控制系统仿真模型。通过统一的仿真平台，完成各专业软件的通讯、同步、调度等，为DCS控制仿真方案提供一个多专业集成的测试验证环境，其典型结构如图1所示。
纯模拟构建的DCS验证系统可在一台计算机上运行，各模块间的数据通讯可通过共享内存的方式实现，并且可以灵活的进行方案调整和参数修改，适合方案设计阶段的验证需求。 4.2 虚拟实物的DCS验证系统方案
通过虚拟DCS系统与工艺系统仿真模型的搭配组合，可以构建虚拟实物的DCS验证系统。其典型结构如图2所示。
虚拟实物的DCS验证系统与纯模拟的DCS验证系统的最大区别是，采用了与DCS一致的软件系统和组态数据。各软件模块均可在不同计算机设备上运行，并通过以太网进行通讯，不依赖实际DCS系统硬件，极大的降低了硬件成本。虚拟实物的DCS验证系统可以实现对DCS的软件系统和组态逻辑进行全面的测试，适用于工厂实现阶段的DCS软件验证需求。
4.3 实物的DCS验证系统方案
通过将工艺系统仿真模型与DCS实体机柜进行集成，从而获取实物DCS验证系统。由于在核电厂中，DCS系统与现场传感器或驱动机构间的通讯信号全部由硬接线电缆传送，因此，在实物DCS验证系统中，必须采用相同的接线方式来实现DCS机柜与仿真系统连接。实物DCS验证系统除了可以实现控制逻辑功能测试验证之外，还可以包括如通道测试、计算负荷、通讯负荷等硬件功能测试，全面验证DCS系统的软硬件功能和性能。
但是由于核电厂DCS系统规模庞大，会造成完整的DCS实物验证系统结构复杂，建造、运行和维护成本高等问题，搭建完整的DCS实物验证系统是不现实的。
4.4 半实物的DCS验证系统方案
由于搭建完整实物DCS验证系统存在着许多困难，通常通过实物机柜、虚拟DCS系统以及工艺系统仿真模型构建半实物的DCS验证系统，对重要的控制保护机柜进行实物验证。半实物DCS验证系统结构图3所示。
半实物DCS验证系统在虚拟DCS验证系统的基础上引入了实体DCS机柜，将DCS机柜通过定制的I/O接口系统与仿真系统集成，实现硬件在环的闭合测试回路。适用于软硬件集成阶段及现场调试阶段测试验证需求。
5 结论
由于仿真技术和DCS系统都是基于数字技术，具有天然的可融合性。選择合适的仿真实现和系统集成方式，搭建闭环的DCS仿真验证系统，可以满足DCS系统设计、开发、调试等不同阶段的验证需求。仿真技术的应用使得DCS系统的验证的工作更高效、覆盖面更广、结果更可信。
参考文献
[1]徐海燕等.核电站仪控系统仿真实现方式应用研究[J].中国核电.2018.11（S1）：249-251.
[2]谢红云等.核电厂数字化仪表控制设计一致性验证分析[J].核科学与工程.2010（S1）： 30-33.
[3]刘真等.核电安全级仪控系统软件V&V活动及其方法研究[J].核科学与工程.2011（S2）： 45-50.
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