全范围模拟机数字仪控系统全仿专项方案

申报专业技术职务任职资格评审答辩论文题目：全范围模拟机数字仪控系统全仿方案作者姓名：徐奎单位：核动力运行研究所申报职称：高级工程师专业：控制工程和仿真二○一七年七月六日

全范围模拟机数字仪控系统全仿方案徐奎（中核武汉核电运行技术股份仿真中心湖北武汉）摘要：全范围模拟机是核电操纵员培训关键手段。目前各家核电模拟机厂商依据项目标特点会采取不一样方法来开发模拟机产品。本文将介绍一个全范围模拟机数字仪控系统二层软件全仿方案，该方案在项目标不一样阶段分别利用了设计数据组态、翻译两种方法。在开发阶段，确保电厂培训进度要求，开发了DCS二层仿真软件运行平台，将设计院设计文件作为仿真工程输入进行工程组态，降低了项目标实施风险。而在数据修正阶段，开发了模拟机数据翻译工具，将DCS厂商全厂工程数据格式翻译转换成仿真运行平台能运行数据格式，从而提升了工程数据仿真精度。该全仿方案在中国核电模拟机研制中属于首次采取。项目标测试和实际运行结果表明：模拟机软件外观和操作感受和实际DCS保持一致，而且性能指标满足实际DCS技术指标，满足了核电厂模拟机培训进度要求，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&CSystemXuKui(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引言全范围模拟机是核电站培训核电操纵员关键手段。而不一样全范围模拟机厂商有不一样实现方法[1][2]。在中国某核电全范围模拟研制项目中，权衡了多种模拟方法特点后，采取了一个全模拟（FullSimulation）方法对核电数字仪控系统进行了仿真。该DCS全仿方案，在中国核电模拟机研制中属于首次采取，软件规模大，技术难度高。在项目中研制DCS仿真二层软件功效完整、各项性能指标和同类型核电DCS软件性能指标相当。起，该模拟机开始应于电厂培训，现已完成全部类型培训任务，能满足核电厂培训需求，并为电厂业主大量降低了模拟机制造成本。全仿方案对于DCS二层仿真，在中国外通常有四种方法[3][4][5][5][7]：Simulation-功效模拟[1]使用模拟厂商软硬件平台模拟实际电厂功效，按工程数据来分，功效模拟simulation通常有两种方法[3][4][5][5]：1）设计数据组态方法，以设计数据为起源正向组态。其开发进度则关键依靠于设计数据提交进度即可。所以，在工程设计工作完成后，模拟机工程开发工作能够和实际DCS工程开发工作同时开展。而维护阶段可采取翻译DCS组态方法进行更新。2）翻译方法，以实际DCS机组数据为起源。实际上这种方法是用真实DCS工程文件翻译为模拟机软件可运行数据格式，因些这种方法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，不过这种方法所用DCS实际机组数据需要实际DCS工程组态完成后才能取得，造成数据难以搜集。Stimulation-实物模拟[1]该方法使用和真实机组DCS完全相同软件和硬件，关键用于工程验证，单一采取实物模拟方法在核电站模拟机中几乎没有应用。Emulation-虚拟实物模拟[1]该方案为目前最常见方法，但这要依靠DCS生产商工程实际进度，价格贵、进度上得不到确保。这四种DCS仿真关键特点如表1所表示：表1.常见模拟仿真方案实物模拟Stimulation虚拟实物模拟Emulation功效模拟simulation翻译方法直接组态方法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起源风险：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：高全部软硬件版权属于DCS供货商风险：中全部软件版权属于DCS供货商风险：低版权属于FSS供货商，能够从中国取得有效技术支持。风险：低版权属于FSS供货商，能够从中国取得有效技术支持。项目进度风险：中依靠于电厂DCS工程进度风险：中依靠于电厂DCS工程进度风险：中依靠于电厂DCS工程进度风险：低以来于电厂设计进度，且能够使用参考机组数据模拟机数据更新风险：中依靠于模拟机DCS供货商现场技术支持服务风险：中依靠于模拟机DCS供货商现场技术支持服务风险：低由FSS供货商进行，能够从中国取得有效技术支持。风险：低由FSS供货商进行，能够从中国取得有效技术支持。模拟机维护风险：中软硬件维护依靠于模拟机DCS供货商风险：中软件维护依靠于模拟机DCS供货商风险：低硬件设备通用，能够从中国取得有效技术支持。风险：低硬件设备通用，能够从中国取得有效技术支持。本文提出仿真方案称为全模拟（FullSimulation）方案，结合了功效模拟两种不一样方法：设计数据组态和翻译方法特点，在项现在期采取了设计数据组态方法确保了核电厂操纵员培训进度要求。而维护阶段采取翻译方法，使用DCS实际机组组态工程数据对模拟机进行数据更新，从而提升了模拟精度。中国外同类技术比较国外同类技术现在，据了解，关键核电仿真企业中GSE、WSC企业含有DCS全仿真技术能力。中国同类技术CNPO是现在中国唯一实现了核电用DCS全仿仿真企业。以下列举了部分中国核电FSS项目DCS实现方法。表2.中国仿真项目情况项目DCS品牌仿真方法FSS制造商田湾核电一期SIEMENSTXP+TXSStimulation+Translation俄罗斯GET企业岭澳核电一期SIEMENSTXP+TXSStimulation+Translation美国L3宁德核电三菱+广利核Stimulation+Emulation中广核仿真企业红沿河核电三菱+广利核Stimulation+Emulation中广核仿真企业阳江核电三菱+广利核Stimulation+Emulation中广核仿真企业三门核电一期OVATION+AC160Stimulation美国GSE海阳核电一期OVATION+AC160Stimulation美国GSE福清核电一期FOXBOROIA+ADACS_NStimulation+EmulationCNPO方家山核电一期FOXBOROIA+ADACS_NStimulation+EmulationCNPO福清核电二期FOXBOROIA+ADACS_NSimulationCNPO海南昌江核电一期FOXBOROIA+ADACS_NSimulationCNPODCS全仿方案基础内容为：HMI硬件采购和电厂DCS外形、操作感觉一致设备。模拟机仿真支撑平台和电厂模型开发采取RINSIM仿真平台。采取设计数据组态和工程数据翻译相结合方法实现DCS软硬件功效。图1表示了基于DCS全仿方案设计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总体上能够分成Level1和Level2两部分，对Level1，CNPO将采取图形化建模工具SimGen建模；对Level2，将采取图形组态工具Simdraw来绘图。图2.表示了基于DCS全仿方案设计核电站全范围模拟机软件层次结构，和工程数据和DCS工程设计文件和仿真工程关系。图2全模拟软件和多种工程数据关系项目完成情况下面将从DCS全仿方案数据量、功效完整性、运行性能、系统稳定性等方面进行说明。数据处理能力全仿方案实施后数据处理能力以下表所表示：表3.全仿方案数据处理能力功效数量说明一层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指令通信点二层输出点：21582个，计算服务器向工作站发送显示点其它均为二层内部计算用到非通信点，如报警阈值、计算中间变量点等。系统画面步骤图画面:+张报警卡画面5000+张功效完整性全仿方案中，我们实现了实际电厂DCS全部功效，关键功效以下表所表示：表4DCS全仿方案完成关键功效列表工程应用功效完成情况步骤图功效完成软件，并经过测试报警功效完成软件，并经过测试趋势功效完成软件，并经过测试规程功效完成软件，并经过测试HMI界面功效完成软件，并经过测试SRV服务功效完成软件，并经过测试弹出窗口完成软件，并经过测试工况功效完成软件，并经过测试直接访问功效完成软件，并经过测试权限管理完成软件，并经过测试I&C故障功效完成软件，并经过测试目前值功效完成软件，并经过测试日志功效完成软件，并经过测试挂牌功效完成软件，并经过测试氙估计完成软件，并经过测试系统稳定性模拟机中采取全仿方案实现DCS自起投入使用，核电模拟机操纵员培训使用，至今运行状态良好。关键性能指标关键性能指标均大于实际机组性能要求，实现情况以下表所表示：表5关键技术指标关键技术指标指标要求实测值显示从控制器输入数据到操作界面时间<=1s平均时间：647ms最大时间：676ms操作者动作到实际过程响应时间<=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时间<=0.2s平均时间：48ms最大时间：55ms刷新显示画面时间间隔<=1s平均时间：350ms最大时间：355ms一层接口和操纵员站之间数据传输时间<=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计算周期<=100ms平均时间：61ms最大时间：69ms下文将介绍在项目实施中关键处理两个问题：翻译仿真和设计数据组态方法仿真结合方案设计DCS二层仿真平台运行软件和翻译软件设计和实现翻译和设计数据组态方法结合图3所表示，在开发阶段，使用设计数据组态方法将设计院设计文件作为仿真工程输入，确保电厂培训进度要求，降低了项目标实施风险。而在数据修正阶段，全范围模拟机使用了翻译仿真方法将DCS厂商工程数据作为工程输入，提升了工程数据仿真精度。DCS仿真总体上能够分成Level1和Level2两部分，在全范围模拟机项目标事实实施过程中分别对其进行图形化建模拟真。本文关键关注DCS二层相关问题。为了实现翻译方法仿真和正向组态方法仿真在同一个全范围模拟机项目中使用，处理了以下三个关键问题：定义能同时适适用于两种方案DCS二层仿真数据格式。实现了DCS一体化数据库，含有数据一致性检验功效。研发了能运行在仿真平台上二层数据翻译软件，能够将实际电厂DCS工程数据格式翻译到模拟机能运行工程文件。图3全仿方案两个项目阶段DCS二层工程数据仿真方案在项目第一阶段，采取由设计院提供参考机组DCS二层设计文件作为模拟机设计输入，其中关键包含步骤图、规程画面，报警、故障、工况等二层工程设计文件。采取SimDraw作为DCSLevel2仿真软件画发工具，开发出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厂商提交电厂实际运行二层数据文件作为模拟机设计输入，进行模拟机修正。DCS1DCS1层虚拟机进程通信DCS2层组态软件2层设计数据二层工程DCS2层运行环境参考机组2层组态图2层数据转换工具2层转换数据组态环境运行环境第一阶段：依据设计数据进行组态。第二阶段：依据参考机组组态文件进行数据更新。图5.DCS二层工程数据仿真方案DCS二层仿真运行软件为了满足核电DCS仿真软件功效需求，在核电DCS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，比如：复位、冻结、状态存放、重演等。所以DCS仿真含有数据量大、通信负载重、计算复杂度高特点。为了满足DCS范围模拟机数据需求，在DCS二层仿真运行软件开发过程中。根据软件功效分，软件可分为两个部分：在线运行平台软件离线翻译软件在线运行平台软件是DCS仿真工程数据运行环境。处理了以下三个关键技术：DCS二层实时通信服务软件技术研究工作关键包含：对于全范围模拟实时通信数据点布署和配置方案确实定；研制实时数据通信服务。二层实时通信服务软件经过将二层工业冗余局域网络内各节点分布式数据可靠实时同时。经过本项目标研发处理了以下关键技术问题：网络拓扑对实时通信服务完全透明。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。实时数据服务为应用程序提供实时数据同时服务，这些同时细节对于应用程序完全透明。在实时数据服务支撑下，确保各个节点上数据块在要求同时周期下实现数据同时刷新。实时数据服务软件支持数据基础类型有：char、short、int、float、double和一维数组（字符串）。确保实时数据服务最大运行网络负荷<150Mbps。单台数据处理服务器故障（包含断电、机器硬件故障）不影响正常实时数据服务。数据通信服务器故障（包含断电、机器硬件故障）不影响正常实时数据服务。对服务器软件进程异常（包含进程瓦解、无响应、响应不正确等）应有对应监测和处理方案。运行状态下，操纵职员作站退出、加入和故障不能影响DCS二层它节点通信DCS分布式实时数据服务软件使用纯软件方法实现。任意节点修改该节点当地数据后，该修改同时到网络中其它节点对应所用时间应≤200ms。为了确保系统可靠性，做到了时间戳不参与任何控制计算。DCS二层计算服务软件技术DCS二层计算引擎使用中核武汉核电运行技术股份已经有成熟计算引擎为基础进行了DCS二层适应性修改，并处理了三个关键难题：DCS二层高效率计算问题分布式网络结构问题支持DCS二层计算组态问题该计算服务软件能够建立和利用复杂数据，数据中变量和常量分为不一样global区域存放。在复杂多处理器系统调试中，数据能够被多用户共同读取使用。当然，数据可否被多个用户使用，是由数据等级所决定。计算服务软件支持C和FORTRAN语言编写计算程序，程序在编写好以后全部要编译，编译经过后程序才能在仿真系统中调用运行。模型程序分为segment,function,control三种基础类型。其中control为各用户系统主程序，它能够再调用其它子程序或公用程序。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实施程序。计算服务器不用开启，各自系统使用各自系统下变量，不使用公共变量，以免发生冲突。而且，分调程序支持多系统在各自系统下同时调试自己实施程序。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功效。依据调试系统不一样，让用户能够监视系统中变量，跟踪系统运行进程，实时修改变量值即系统状态，并观察对DCS二层全局计算影响。通用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设计，采取了软件模块化设计。实现了服务同业务分离，可灵活配置。经过对UI修改，可仿真多种不一样品牌DCS产品。此部分软件和被仿真DCS厂商无关，将DCS仿真共性抽象出来，以服务和接口形式存在，并将其分为三个子层次。图6所表示，其中：图6.DCSLevel2仿真支撑平台软件结构应用接口层为DCS业务提供统一接口，模块以库文件形式存在，被DCSLevel2仿真功效软件模块调用。服务层，DCS基础服务模块，涵盖了实时数据，历史数据、通信、权限等服务。数据和驱动层为服务层提供数据和驱动服务，这一层由多种数据库和多种驱动组成。比如：实时数据库，SQL数据库，文件系统、打印驱动、声音驱动等。因为应用接口层存在，在仿真不一样品牌厂商DCS时，只需仿真其不一样界面，和操作等外特征。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仿真平台可扩展性和通用性。离线翻译软件在项目标第二个阶段，为了快速将电厂提供实际运行数据快速、正确导入到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工程电厂对象数据库，并其中包含电厂设备、报警、故障等多种数据下