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★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司侯利國

關鍵詞：三代核電；PLC；仿真調試；程序驗證

在某核電站建設過程中，其核級水冷冷水機組控制系統(tǒng)首次實現(xiàn)了由PLC控制系統(tǒng)向核級數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）的轉換，滿足了三代核電對其控制系統(tǒng)須具備FC2B類功能的需求。

核電站DEL系統(tǒng)是核電站關鍵的輔助系統(tǒng)之一，核級水冷冷水機組是其重要組成部分，主要負責為核電站的主控室空調、電氣廠房通風以及電纜層通風提供必要的冷凍水。其核心任務在于，無論處于核電站正常運行還是異常情況下，都必須確保主控室內儀器儀表和控制設備等運行在允許溫度范圍內，同時確保操作員工作環(huán)境溫度適宜。因此，該系統(tǒng)的可靠性直接關系到核電站的安全穩(wěn)定運行。

PLC向DCS的轉換是核電站核級水冷冷水機控制系統(tǒng)發(fā)展的重要里程碑。鑒于PLC平臺與核級DCS平臺在平臺特性、組態(tài)方式及控制時序上存在較大差異，在首次平臺轉換完成后，需對控制程序進行功能驗證。傳統(tǒng)控制程序功能驗證方法是通過將控制系統(tǒng)與現(xiàn)場控制設備和工藝系統(tǒng)對接完成后進行功能驗證，這種方式要求現(xiàn)場設備安裝完畢，并且現(xiàn)場環(huán)境滿足系統(tǒng)調試條件，才能進行控制程序與設備契合度間的功能驗證。然而，控制邏輯的復雜性疊加平臺轉換的因素，可能導致控制程序與設備契合度之間產生誤差，增加了核電現(xiàn)場調試過程中的困難和風險，處理不當將會成為制約項目執(zhí)行的關鍵路徑。

因此，本文提出了利用核級數(shù)字化儀控系統(tǒng)（核級DCS）內置的仿真調試功能，在工程設計階段對其首次平臺轉換后控制程序進行仿真功能擴展，實現(xiàn)對控制程序進行功能調試與仿真驗證。

1　仿真調試功能應用

目前，在控制系統(tǒng)平臺首次轉換的設計與制造階段，雖然可以通過理論驗證控制系統(tǒng)的設計程序，但尚不能與現(xiàn)場設備實現(xiàn)完全對接，以完成控制程序的整體功能驗證。換句話說，當前驗證過程尚未跨越從理論到實踐的界限。這種限制迫使設計團隊必須將現(xiàn)場設備與控制系統(tǒng)相連并進行實際調試，以期達到整體功能驗證的目標。一旦在現(xiàn)場調試過程中發(fā)現(xiàn)其控制程序與實際設備運行狀況存在差異，程序驗證工作將被迫暫停，控制程序設計工作需返回至工廠階段進行控制程序更新，增加了人力消耗的同時，還增加了項目的執(zhí)行周期。

除此之外，現(xiàn)場調試環(huán)境的復雜性對控制程序問題的診斷與定位也構成了挑戰(zhàn)。不當?shù)牟僮鞑粌H延遲了問題解決，更有可能對調試人員和現(xiàn)場設備造成不必要的損害。

針對現(xiàn)有控制程序調試現(xiàn)狀，本文提出了一種基于核級DCS平臺內置仿真調試功能進行控制程序驗證的方法。該方法在首次控制系統(tǒng)程序設計完成后，在工廠生產階段，按照仿真調試要求，對控制程序進行適當?shù)墓δ軘U展，通過仿真調試方式，驗證控制程序的可靠性與契合度，如圖1所示。本方法能有效識別并規(guī)避設計階段的因平臺轉換帶來的問題及缺陷，減少了項目實施過程中的成本和時間消耗，確保了現(xiàn)場設備和調試人員的安全，提升了系統(tǒng)的整體可靠性。

圖1 控制程序仿真

2　仿真調試功能應用分析

2.1　控制系統(tǒng)接口分析

核級水冷冷水機控制系統(tǒng)接口有兩部分，即與其控制設備之間工藝控制信號和設備控制狀態(tài)信號，以及與主控室之間機組開關機和機組運行狀態(tài)信號。信號類型包括數(shù)字量和模擬量，所有信號通過硬接線與控制系統(tǒng)進行連接，在控制系統(tǒng)進行工作時，僅與現(xiàn)場控制設備、主控室及本柜內HMI有數(shù)據(jù)交換，其控制功能的實現(xiàn)僅依賴本控制系統(tǒng)的設備或信號控制狀態(tài)，其控制邏輯實現(xiàn)相對獨立，這就為使用核級DCS內置的仿真調試功能提供了切實可行的前提條件。

核級水冷冷水機控制系統(tǒng)接口如圖2所示。

圖2 核級水冷冷水機控制系統(tǒng)的接口示意圖

2.2　仿真調試功能要求

使用系統(tǒng)仿真調試進行功能驗證時，因仿真調試未實現(xiàn)與控制設備和主控室信號的真實連接，導致初始工況信息、設備實時狀態(tài)、控制目標對象信息等無法實時采集反饋，致使仿真功能無法實現(xiàn)對控制程序與冷水機組實際運行工況契合度的功能驗證，也無法驗證平臺轉換是否對PLC控制程序進行了正確的轉換及功能實現(xiàn)。

為了滿足控制程序的調試需求，需在轉換后控制程序基礎上，結合冷水機組控制系統(tǒng)設備工藝控制原理與目標對象實際運行工況，對轉換后控制程序進行必要的調試功能擴展。擴展后的調試程序確保了以下幾點：

（1）具備控制程序全范圍驗證調試功能；

（2）運行過程中的參數(shù)變量可以進行實時調整；

（3）各關聯(lián)邏輯能夠正確傳遞與執(zhí)行；

（4）初始狀態(tài)變量能夠被準確植入；

（5）調試過程便于監(jiān)視和問題定位。

3　仿真調試功能實現(xiàn)

3.1　構建全功能模擬清單及驗證策略

我們對冷水機組控制工藝流程進行了深入分析，制定了一套全面的測試驗證功能清單及驗證策略，以確保覆蓋所有關鍵環(huán)節(jié)。該功能驗證清單是確保設備正常運行的核心。對冷水機組控制系統(tǒng)控制功能的驗證，包含了油泵啟停、壓縮機啟停控制、機組目標容量設置、能級即時值、壓縮機能級值、壓力平衡、經濟器控制等多個關鍵功能，如圖3所示。

圖3 功能驗證策略

3.2　初始工況變量清單的整理與植入

為了精確模擬冷水機組的初始工況信號狀態(tài)，需要梳理設備啟動時的起始狀態(tài)和參數(shù)，包括初始溫度和壓力、設定溫度、啟動時間、初始電源狀態(tài)、設備組件狀態(tài)、控制系統(tǒng)配置以及環(huán)境條件等關鍵參數(shù)。通過對設計的控制程序進行修改，將初始狀態(tài)清單中的模擬量工藝參數(shù)以設定值的形式嵌入到仿真控制程序中，針對數(shù)字量狀態(tài)使用選擇模塊實現(xiàn)設備初始狀態(tài)的植入，并確保這些參數(shù)與程序中相應的功能模塊有效連接，以實現(xiàn)初始參數(shù)的精確寫入，如圖4所示。

圖4 變量清單植入

3.3　實現(xiàn)關聯(lián)設備的閉環(huán)控制

目標控制設備在實際運行過程中各個設備相互協(xié)作、相互制約，并非獨立運作。為確保設備運行狀態(tài)與實際工況相符，需將關聯(lián)設備實施狀態(tài)納入閉環(huán)控制中。這種控制邏輯要求多個設備之間進行精確的協(xié)調與交互，以確保共同完成既定的工作目標。在控制程序向仿真調試程序進行功能擴展過程中，將設備的啟停輸出狀態(tài)與實際運行狀態(tài)反饋進行綁定，確保設備在虛擬的仿真調試環(huán)境中滿足啟動條件時能夠自動開啟，并保證設備實際的運行反饋狀態(tài)能夠及時、準確地反映在反饋信號采集頁面上，避免因設備狀態(tài)不一致而引發(fā)的系統(tǒng)報警，確保程序調試的連貫性和預期性，如圖5所示。

圖5 設備關聯(lián)閉鎖

3.4　設備實時狀態(tài)監(jiān)控的實現(xiàn)

為了程序調試過程中對設備運行狀態(tài)進行監(jiān)控并提高調試效率，需要一種集中化的顯示組態(tài)方法。該方法核心思路是將機組運行參數(shù)、機組報警顯示、設備運行狀態(tài)、設備運行設定等標志關鍵元素展示在一個專用的監(jiān)控頁面。當進行調試工作時，調試人員僅需訪問對應的邏輯頁面，即可實現(xiàn)參數(shù)修改、設備啟停、運行監(jiān)控、故障排查等一系列監(jiān)控和操作。

通過這一集中組態(tài)顯示方法，調試人員能夠實時觀察到設備及其相關聯(lián)設備的工藝參數(shù)變化情況，這不僅有效地輔助了調試人員對程序正確性的驗證工作，同時也大大提高了問題定位的準確性和速度，如圖6所示。

圖6 監(jiān)控畫面

4　控制程序功能驗證

擴展后的控制程序可分三步進行功能驗證，即單元驗證、功能驗證、系統(tǒng)功能驗證，以此來實現(xiàn)對轉換后控制程序的模擬和全功能驗證。

單元驗證即對單個算法塊或邏輯功能塊的輸入和輸出變量進行模擬仿真試驗，驗證核級DCS平臺實現(xiàn)的算法功能與PLC平臺中該算法塊的功能一致性。

功能驗證是針對某項特定功能或設備控制進行驗證，首先分析目標功能，并明確各項工況參數(shù)，制定初始工況設定表，通過調整某一變量以及該變量變化導致的功能變化，以實現(xiàn)特定功能的仿真驗證。

控制程序系統(tǒng)功能驗證，根據(jù)系統(tǒng)功能設計要求，模擬設備啟動、運行、停止整個工作過程，通過監(jiān)控畫面對整個控制系統(tǒng)控制程序所控制設備是否按照預期工況進行安全穩(wěn)定運行，同時監(jiān)控設備異常情況下，設備啟停順序和報警等相關工作狀態(tài)是否按照系統(tǒng)設計功能要求進行動作。

最后，將測試過程和結果進行詳細記錄和整理，形成驗證報告。該報告將為后續(xù)的系統(tǒng)分析與優(yōu)化提供重要數(shù)據(jù)支持。基于仿真調試功能的控制程序功能驗證過程如圖7所示。

5　結論

通過以上方法，本研究實現(xiàn)了核級DCS仿真調試功能在核級水冷冷水機組控制系統(tǒng)程序設計和設備功能驗證方面的應用。該方法充分利用核級DCS內置的仿真調試功能對控制程序進行仿真調試，特別是在無需建立仿真模型或啟動現(xiàn)場設備的情況下，對其復雜控制功能實現(xiàn)了驗證。結果表明，功能仿真調試驗證方法具有以下顯著優(yōu)勢：

（1）安全性：此方法基于對控制程序的改造擴展，使控制功能可在安全的仿真環(huán)境中進行系統(tǒng)測試和功能驗證，無需實際運行設備，從而降低了潛在風險和成本。

（2）效率：相較于傳統(tǒng)驗證方法，該方法能在工程設計完成后，即可在平臺的仿真虛擬環(huán)境中迅速完成多種設備啟停及功能驗證任務，節(jié)省了時間并減少了資源浪費。

（3）設計優(yōu)化：該方法為設計人員提供了有力工具，設計人員可快速識別和分析設計缺陷，進行優(yōu)化設計，從而提高了系統(tǒng)可靠性和性能。

隨著核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)的廣泛應用，仿真調試驗證方法可成為中小型儀控系統(tǒng)進行功能驗證的重要發(fā)展趨勢。它不僅提高了控制程序驗證效率和可靠性，還為工程師提供了更多工具和方法，以確保系統(tǒng)的安全運行和性能優(yōu)化。未來，這一方法的應用前景將更加廣闊。

作者簡介：

侯利國（1982-），男，天津人，工程師，學士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核電站安全級DCS及專用儀控設計方面的工作。

參考文獻：

[1] Modern Instrumentation and Control for Nuclear Power Plants: A Guidebook. - Vienna. IAEA. 1999

[2] RGL System Requirement Specification. NPIC. 2011.1

[3] 廣東核電培訓中心. 900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設備. 原子能出版社, 2004.7

[4] IEC 61513. Nuclear power plants –Instrumentation and control for systems important for safety –General requirements to systems (核動力廠安全重要的儀表和控制系統(tǒng)總要求)

摘自《自動化博覽》2024年10月刊