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[摘 要]核电站全范围模拟机的开发既具有一般工程开发项目的普遍规律， 又有其专业领域的独特性，其DCS系统仿真是模拟机开发的重要部分，DCS系统仿真的国产化对核电仿真技术水平和国家核电设计均有积极的影响[1]。本文介绍了福清核电2号全范围模拟机非安全级DCS的国产化技术方案，分析了项目使用的几种仿真技术的优缺点，为后续模拟机开发项目以及核电厂机组建设起到一定的参考作用。
[关键词]模拟机 DCS 国产化
中图分类号：TP411.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0029-01
1、引言
全范围模拟机是核电站工程建设主路径上的关键设备，有“虚拟核电站”之称，实现了对核电厂工艺系统、仪控系统以及人机界面系统、盘台的仿真，使操纵员能在模拟主控室观察到与电厂一致的信息，依据电厂规程操作能得到正确的反馈。
随着计算机技术、控制技术的发展，DCS系统成为现代核电站的主要监视和控制手段，目前国内百万千瓦级核电站DCS系统划分为安全级和非安全级两部分，在全范围模拟机开发中对这两部分的功能均需要模拟，其中非安全级DCS是主要仿真对象，本文仅针对非安全级部分进行探讨。
2、背景介绍
目前国际上通用的核电站模拟机仿真方式主要有纯模拟（Simulation）、虚拟实物模拟（Emulation）、实物模拟（Stimulation）和翻译（Translation）四种[2]。
纯模拟：亦称为仿真，它使用建模技术来复现参考机组的系统或子系统供模拟机使用。
虚拟实物模拟：将参考机组的系统或者子系统的软件移植到虚拟的模拟机运行环境下工作，来复现参考机组的相应系统或者子系统。
实物模拟：使用参考机组的系统或者子系统的真实硬件和软件来复现参考机组的系统或者子系统。
翻译：使用专用的翻译工具，将DCS厂家的数据转化为仿真平台可识别的可执行程序，来复现参考机组的相应系统或者子系统。
福清核电1、2号机组全范围模拟机（1号模拟机）的非安全级DCS系统采用全进口方式，使用虚拟实物模拟方式（Emulation）实现逻辑控制层模拟，用实物模拟方式（Stimulation）实现非安全级人机界面层模拟。
福清核电2号全范围模拟机以1号模拟机参考设计数据作为设计输入，其工艺系统模型、专用仪控系统、盘台接口系统以及教控台完全拷贝1号机，非安全级DCS系统的国产化技术方案如下：
用专用DCS数控仿真翻译软件来翻译电厂非安全级DCS Level1的IA组态数据，装载入模型服务器。用专业工业组态软件DcsConf生成非安全级Level2的过程控制画面及组态。专项开发非安全级Level2的人机界面部分，即二层平台。
3、全范围模拟机非安全级DCS系统国产化方案介绍
福清2号机非安全级DCS系统开发充分利用了1号模拟机的已有成果结合上述几种方案研制出与1号机组态和数据一致，平台功能和外观相似的全仿非安全级DCS软件系统。
3.1 非安全级DCS的 Level1控制逻辑仿真
由于非安全级DCS的IA组态数据是可以从电厂或者1号模拟机的DCS平台导出，利用导出文件开发专用的翻译软件是高效的选择。2号模拟机利用翻译IATranfer实现Level1组态的仿真。
IA控制组态中对象的基本语法结构为Compound：Block.Parameter，Compound为现场CP中的一个组合单元，Block是设备的一个控制模块，Parameter为模块中的参数，如：1VVP_N3：013MP_V.PNT，每个Block中输入输出为一个变量点，与其他Block或其他层接口交换数据，每个类型的Block内有逻辑运算，遵循特定的指令和语法。
DCS数控仿真翻译软件IATranfer处理IA导出文件，根据不同类型Block进行分解，将IA组态转换包装成Fortran代码，为Level1的Block的每个输入输出和运算步骤（step）生成一个变量名，在模型数据库dbm中为其定义，根据关键字生成代码段；针对Block内部调用的有内部算法的模块，则利用Fortran语言重新编程为可调用的函数，整合到代码中，则可实现对IA组态的模拟，将生成代码放入模型服务器与模型一起参与运算。
以翻译方式生成的组态逼真度高，而且不用为此修改模型或接口，开发和更新的效率高；但是翻译工具针对性太强，是专用于IA组态翻译的，在其他项目中不适用或需大量修改；因为没有图形化维护界面，后期维护也较为困难。
3.2 国产化非安全级DCS仿真平台
非安全级DCS仿真平台的基本功能包括：过程控制画面、数据页、操作菜单的显示、趋势、报警、当前值、大屏幕显示、日志、状态列表、挂牌、数字化规程等功能。
2号模拟机二层平台采用Qt软件开發，为实现多台OWP的数据显示和控制，使用公共对象请求代理体系结构（CORBA），用一台数据服务器（DS）实现Level2数据处理以及Level1-2间的通讯，DS直接与操纵员工作站OWP相连。DS直接与操纵员工作站OWP相连，针对每一个平台功能DS上有一个Monitor进程，每个OWP上对应一个Agent进程，通过消息通道交换数据来实现界面功能。安全级的软件采用类似方法实现，在此不作赘述。
该平台的结构简单，启停、复位快，实时性好，硬件结构简单容易维护。但由于不是成熟产品，在测试中发现黑屏、教控命令功能不完善、界面差异较大等稳定性或功能性问题，。随着在项目开发过程中的不断修改，以上问题已逐渐被完善。这种自主研发的DCS仿真软件，其主要功能模块如画面显示，报警，趋势等在核电厂人机界面中都不可或缺，如果性能问题能彻底解决，界面更加优化，并且配备充足的维护工具，或许能在实际电厂中有更长远的使用。 3.3 非安全级DCS的Level2过程画面和数据组态的仿真
非安全级DCS平台中需装载并显示二层过程画面以及数据。2号模拟机采用工控组态软件DcsConf来开发非安全级的二层过程画面以及数据组态。过程画面上的动态显示图形对象为GO，对应于具体设备，其类型称为GOT，需为其开发特定库部件；与图形对象GO关联的数据对象为PO，图形对象的操作菜单为OOM，操纵员通过操作菜单对PO发出操作命令，而一层传到二层的参数或者设备状态则通过PO反映到GO中，在过程画面上可看到参数或设备的动态变化。在DCSConf中完成动态部件库后，将visio格式设计文件直接导入或用少量手动绘图方式完成的适应性修改。动态库载入DcsConf后，在每一张画面中可通过设置部件属性将具体设备与数据对象（即PO）和操作菜单（即OOM）等信息关联起来。过程画面中的静态部件、导航链接等也需要部件库，对应属性则较为简单。
利用导出的数据点配置XML文件在OWP和DS上生成数据库变量，并生成对点文件放入模型服务器，可实现二层与Level1以及模型的数据交换。DcsConf的通用性更强，可以针对不同项目开发库部件，能够应用于多个模拟机项目以及其他工业组态项目中。另一方面，库部件难以做到和实际机组DCS完全一样，因此画面的相似度略低，但可通过后期比对修改逐步完善。在后台，由于Level1的组态均直接装入模型服务器中，完全不需要多余计算机硬件，而Level2的数据处理服务器也减少为一台，承担1号模拟机中5台服务器的工作任务，模拟机计算机系统硬件结构也得到优化。
4、结束语
福清2号模拟机在福清核电已投用一段时间，总体运行情况良好，其在国产化技术上的多项创新不仅可以应用到后续的模拟机项目开发中，也对为电厂建设起到了积极的借鉴意义。如文中所述，这些软件技术仍有较大改进空间，在后续的模拟机项目开发中应更加重视软件的通用性、界面的逼真性以及维护的高效性，将国产化技术扩展到更多的领域。
参考文献
[1] 史清涛，陈森.第三代核电模拟机的国产化分析.核电建设，2005年第12期20-22.
[2] 魏来，陈森，核电站DCS仿真三种实现形式探讨，核电研发，2010年第2期 152-154.
作者簡介
冯蔚（1986— ），女，湖北黄冈，福建福清核电有限公司，工程师，硕士，模拟机维护。
[关键词]模拟机 DCS 国产化
中图分类号：TP411.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0029-01
1、引言
全范围模拟机是核电站工程建设主路径上的关键设备，有“虚拟核电站”之称，实现了对核电厂工艺系统、仪控系统以及人机界面系统、盘台的仿真，使操纵员能在模拟主控室观察到与电厂一致的信息，依据电厂规程操作能得到正确的反馈。
随着计算机技术、控制技术的发展，DCS系统成为现代核电站的主要监视和控制手段，目前国内百万千瓦级核电站DCS系统划分为安全级和非安全级两部分，在全范围模拟机开发中对这两部分的功能均需要模拟，其中非安全级DCS是主要仿真对象，本文仅针对非安全级部分进行探讨。
2、背景介绍
目前国际上通用的核电站模拟机仿真方式主要有纯模拟（Simulation）、虚拟实物模拟（Emulation）、实物模拟（Stimulation）和翻译（Translation）四种[2]。
纯模拟：亦称为仿真，它使用建模技术来复现参考机组的系统或子系统供模拟机使用。
虚拟实物模拟：将参考机组的系统或者子系统的软件移植到虚拟的模拟机运行环境下工作，来复现参考机组的相应系统或者子系统。
实物模拟：使用参考机组的系统或者子系统的真实硬件和软件来复现参考机组的系统或者子系统。
翻译：使用专用的翻译工具，将DCS厂家的数据转化为仿真平台可识别的可执行程序，来复现参考机组的相应系统或者子系统。
福清核电1、2号机组全范围模拟机（1号模拟机）的非安全级DCS系统采用全进口方式，使用虚拟实物模拟方式（Emulation）实现逻辑控制层模拟，用实物模拟方式（Stimulation）实现非安全级人机界面层模拟。
福清核电2号全范围模拟机以1号模拟机参考设计数据作为设计输入，其工艺系统模型、专用仪控系统、盘台接口系统以及教控台完全拷贝1号机，非安全级DCS系统的国产化技术方案如下：
用专用DCS数控仿真翻译软件来翻译电厂非安全级DCS Level1的IA组态数据，装载入模型服务器。用专业工业组态软件DcsConf生成非安全级Level2的过程控制画面及组态。专项开发非安全级Level2的人机界面部分，即二层平台。
3、全范围模拟机非安全级DCS系统国产化方案介绍
福清2号机非安全级DCS系统开发充分利用了1号模拟机的已有成果结合上述几种方案研制出与1号机组态和数据一致，平台功能和外观相似的全仿非安全级DCS软件系统。
3.1 非安全级DCS的 Level1控制逻辑仿真
由于非安全级DCS的IA组态数据是可以从电厂或者1号模拟机的DCS平台导出，利用导出文件开发专用的翻译软件是高效的选择。2号模拟机利用翻译IATranfer实现Level1组态的仿真。
IA控制组态中对象的基本语法结构为Compound：Block.Parameter，Compound为现场CP中的一个组合单元，Block是设备的一个控制模块，Parameter为模块中的参数，如：1VVP_N3：013MP_V.PNT，每个Block中输入输出为一个变量点，与其他Block或其他层接口交换数据，每个类型的Block内有逻辑运算，遵循特定的指令和语法。
DCS数控仿真翻译软件IATranfer处理IA导出文件，根据不同类型Block进行分解，将IA组态转换包装成Fortran代码，为Level1的Block的每个输入输出和运算步骤（step）生成一个变量名，在模型数据库dbm中为其定义，根据关键字生成代码段；针对Block内部调用的有内部算法的模块，则利用Fortran语言重新编程为可调用的函数，整合到代码中，则可实现对IA组态的模拟，将生成代码放入模型服务器与模型一起参与运算。
以翻译方式生成的组态逼真度高，而且不用为此修改模型或接口，开发和更新的效率高；但是翻译工具针对性太强，是专用于IA组态翻译的，在其他项目中不适用或需大量修改；因为没有图形化维护界面，后期维护也较为困难。
3.2 国产化非安全级DCS仿真平台
非安全级DCS仿真平台的基本功能包括：过程控制画面、数据页、操作菜单的显示、趋势、报警、当前值、大屏幕显示、日志、状态列表、挂牌、数字化规程等功能。
2号模拟机二层平台采用Qt软件开發，为实现多台OWP的数据显示和控制，使用公共对象请求代理体系结构（CORBA），用一台数据服务器（DS）实现Level2数据处理以及Level1-2间的通讯，DS直接与操纵员工作站OWP相连。DS直接与操纵员工作站OWP相连，针对每一个平台功能DS上有一个Monitor进程，每个OWP上对应一个Agent进程，通过消息通道交换数据来实现界面功能。安全级的软件采用类似方法实现，在此不作赘述。
该平台的结构简单，启停、复位快，实时性好，硬件结构简单容易维护。但由于不是成熟产品，在测试中发现黑屏、教控命令功能不完善、界面差异较大等稳定性或功能性问题，。随着在项目开发过程中的不断修改，以上问题已逐渐被完善。这种自主研发的DCS仿真软件，其主要功能模块如画面显示，报警，趋势等在核电厂人机界面中都不可或缺，如果性能问题能彻底解决，界面更加优化，并且配备充足的维护工具，或许能在实际电厂中有更长远的使用。 3.3 非安全级DCS的Level2过程画面和数据组态的仿真
非安全级DCS平台中需装载并显示二层过程画面以及数据。2号模拟机采用工控组态软件DcsConf来开发非安全级的二层过程画面以及数据组态。过程画面上的动态显示图形对象为GO，对应于具体设备，其类型称为GOT，需为其开发特定库部件；与图形对象GO关联的数据对象为PO，图形对象的操作菜单为OOM，操纵员通过操作菜单对PO发出操作命令，而一层传到二层的参数或者设备状态则通过PO反映到GO中，在过程画面上可看到参数或设备的动态变化。在DCSConf中完成动态部件库后，将visio格式设计文件直接导入或用少量手动绘图方式完成的适应性修改。动态库载入DcsConf后，在每一张画面中可通过设置部件属性将具体设备与数据对象（即PO）和操作菜单（即OOM）等信息关联起来。过程画面中的静态部件、导航链接等也需要部件库，对应属性则较为简单。
利用导出的数据点配置XML文件在OWP和DS上生成数据库变量，并生成对点文件放入模型服务器，可实现二层与Level1以及模型的数据交换。DcsConf的通用性更强，可以针对不同项目开发库部件，能够应用于多个模拟机项目以及其他工业组态项目中。另一方面，库部件难以做到和实际机组DCS完全一样，因此画面的相似度略低，但可通过后期比对修改逐步完善。在后台，由于Level1的组态均直接装入模型服务器中，完全不需要多余计算机硬件，而Level2的数据处理服务器也减少为一台，承担1号模拟机中5台服务器的工作任务，模拟机计算机系统硬件结构也得到优化。
4、结束语
福清2号模拟机在福清核电已投用一段时间，总体运行情况良好，其在国产化技术上的多项创新不仅可以应用到后续的模拟机项目开发中，也对为电厂建设起到了积极的借鉴意义。如文中所述，这些软件技术仍有较大改进空间，在后续的模拟机项目开发中应更加重视软件的通用性、界面的逼真性以及维护的高效性，将国产化技术扩展到更多的领域。
参考文献
[1] 史清涛，陈森.第三代核电模拟机的国产化分析.核电建设，2005年第12期20-22.
[2] 魏来，陈森，核电站DCS仿真三种实现形式探讨，核电研发，2010年第2期 152-154.
作者簡介
冯蔚（1986— ），女，湖北黄冈，福建福清核电有限公司，工程师，硕士，模拟机维护。