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核电站模拟机DCS仿真方式的研究

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：孙季红

[导读] 摘要：核电站全范围模拟机通过仿真的方式模拟了电厂中的就地设备、控制逻辑以及人机界面，为操纵员提供了与主控室相同的控制环境，是操纵员培训和取照的重要设备。

        (山东核电有限公司山东省海阳市 265116)
        摘要：核电站全范围模拟机通过仿真的方式模拟了电厂中的就地设备、控制逻辑以及人机界面，为操纵员提供了与主控室相同的控制环境，是操纵员培训和取照的重要设备。本文对模拟机常用的DCS仿真方式进行了对比和介绍，从电厂一致性、前期投入、后期维护等方面综合分析了几种DCS仿真方式的仿真性能，为模拟机DCS部分的仿真方式的设计选型提出了建议。
        关键词：模拟机；DCS；虚拟DPU；人机界面
        一引言
        核电站全范围模拟机通过仿真的方式模拟了电厂中的就地设备、控制逻辑以及人机界面，为操纵员提供了与主控室相同的控制环境，是操纵员培训和取照的重要设备。模拟机培训是运行培训的一个重要的组成部分，培训质量直接影响核电站的运行安全，而操纵人员的取照考试情况又会直接影响一个新建核电站的装料和发电进度。所以模拟机培训工作对核电站的正常运行显得尤为重要。
        二全范围模拟机的仿真架构
        作为操纵员培训和取照考试的重要设备，模拟机的仿真效果必须保障与真实主控室的控制和感官保持一致，仿真的内容包括就地设备、控制系统、人机界面以及操纵盘台。
        就地设备是通过仿真建模的方式进行模拟的，对于大多数的仿真建模，并不需要考虑系统的全部细节，而是主要考虑系统主要的、本质的内容。例如操纵员无法控制的区域回路以及一些用于检修的阀门等设备就不会模拟。
        控制系统的仿真方式一直都是模拟机研发的重要课题，由于不同公司使用的仿真平台和软件不同，控制系统存在着多种仿真方式，总体分为仿真的控制逻辑和实物的控制逻辑。而仿真的控制逻辑又分为翻译模拟、虚拟DPU模拟以及全仿的仿真方式。
        人机界面的仿真与控制系统的仿真相似，由于使用的仿真平台和软件的不同，
        目前人机界面的仿真方式有两种方式，一种是直接使用电厂真实的人机界面；另外一种是使用全仿的人机界面。
        操纵盘台的仿真基本上都是使用实物仿真，即模拟机的主控室与现场主控室的控制盘台和旋钮保持一致，使操纵员的视觉和触觉感受完全和主控室相同。

        三全范围模拟机控制系统的仿真方式
        目前底层就地设备的模拟方式已经相对比较成熟，国内几家大型的模拟机建造商基本都配备了相对完善的建模软件和支撑平台。这些建模工具已经很好的应用于多台模拟机设备中，并得到了充分的肯定。
        相比于建模工具的使用，仪控部分的仿真方式就显的更加多样化，一般都采用仿真DCS，所谓仿真DCS，是相对于工业系统中运行的真实DCS而言的。仿真DCS就是将真实DCS在非DCS的计算机系统中以某中形式再现。实际DCS主要是由控制逻辑和人机界面构成。同样的，仿真DCS也分为仿真控制逻辑和人机界面构成。控制逻辑的仿真一直都是DCS仿真的核心，下面就对控制逻辑的仿真方式进行简单的介绍：
        翻译的仿真方式：翻译的方式是使用专门的软件将原来的控制组态图转换成可以与模型直接通信的控制逻辑，基本上翻译工具都自带算法库和硬件IO算法库。翻译后的控制逻辑画面与原画面保持一致。翻译工具除了做好对控制逻辑的翻译，还需要做好模型与控制逻辑的对接。由于很多全范围模拟机的底层模型与DCS部分都不是同一家公司，使用的仿真平台和命名方式也不尽相同。这就需要做好模型与控制逻辑的对点工作，而这些对点工作也是翻译工具开发的一部分。
        软件虚拟化的仿真方式：就是将实际分散控制单元中的DPU功能移植到虚拟DPU软件上，采用软件仿真的方法在计算机上模拟一个或多个DPU的工作过程，使DPU功能脱离硬件而实现。基本方法是在计算机操作系统中开发一种可运行真实DPU软件的工作环境，从而实现DCS的控制逻辑相关功能。值得说明的是，这种仿真方式大多数也需要进行模型和控制逻辑的对点工作。
        全仿的仿真方式：这种仿真方式作为一种传统的仿真方式，广泛的应用于早期的核电厂及火电厂中。相比与翻译和虚拟化的仿真方式，其设计思路比较简单。就是使用类似于画图的形式，利用专门的控制系统仿真软件，模仿真实的DPU的控制逻辑，画出与DPU控制逻辑外观相同的控制逻辑，通过编译与模型对接。这种仿真方式不需要从真实电厂中读取任何控制逻辑数据，仅需模仿控制逻辑图进行手动绘制即可。而且这种画图的仿真方式使用的平台与模型的平台相同，所以也不需要对点的过程。听起来这种仿真方式的设计思路比较简单，但由于一个电厂的控制逻辑图可能有上千张，手动绘制所有的控制逻辑图工作量巨大，建造商建造一个模拟机的周期也较长，所以这种仿真方式正逐渐被其他批量化导入的仿真方式所替代。
        四人机界面的仿真方式
        人机界面是操纵员与电厂控制系统交互的一种工具，全范围模拟机安装的人机界面需要保持与真实电厂的人机界面的高度一致性，以达到培训的效果。目前人机界面的仿真方式主要分为两种：直接使用真实的人机界面以及全仿的人机界面。
        真实的人机界面：这种人机界面即电厂用的人机界面，模拟机设备直接从电厂拷贝安装即可，这种人机界面最大限度的保持了与电厂的一致性，也是一种业界比较认可的仿真方式。但是这种方式受到模拟机DCS控制平台的制约，电厂用的人机界面需要在电厂真实的DCS平台下运行，而从电厂拷贝的人机界面装载在模拟机设备中，也需要采用与电厂真实平台相同的平台运行，否则人机界面的文件将不被识别。但是目前很多模拟机设备的DCS部分使用的平台与电厂真实的平台并不相同，这就需要使用全仿的仿真界面方式。
        全仿的人机界面：这种仿真方式不受平台的限制，与全仿的控制逻辑的仿真方式类似，使用专门的仿真软件，手工或者批量绘制人机界面。相比于使用真实电厂的人机界面，这种仿真方式工作量大、一致度低，仿真工程师在绘制人机界面时需要保持很高的专业技术水平和细致的工作态度。但与采购高昂的人机界面平台比较起来，这种仿真方式前期投入较少，但后续的维护成本较高。
        五结论
        综上所述，对于三种控制逻辑的仿真方式，虚拟DPU和翻译仿真都能与电厂保持很高的一致性，并且具有建造周期短，升级维护方便等优势，但由于要开发专门的运行平台和翻译工具，前期的投入成本会较高。相比之下，全仿的仿真方式前期投入成本较低，但又存在着仿真度低，建造周期长，后期升级维护复杂等问题。而两种HMI画面的仿真方式，使用真实的HMI画面，仿真度高，无需二次开发，但受到仿真支撑平台的限制；全仿的HMI画面，不受平台的限制，但仿真度相比之下较低，且建造周期较长。模拟机建造商可以根据自身实际情况，选择合适的建造方式。
        作者简介：孙季红（1986-10-09），女，汉族，籍贯：吉林省四平市，当前职务：员工，当前职称：中级工程师，学历：学士，研究方向：模拟机维护