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基于仿真技术的核电DCS验证系统设计

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唐雷徐海燕刘盈王雅峰庞勃

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。

3DCS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