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★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司侯利國

關(guān)鍵詞：三代核電；PLC；仿真調(diào)試；程序驗(yàn)證

在某核電站建設(shè)過程中，其核級水冷冷水機(jī)組控制系統(tǒng)首次實(shí)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(zhuǎn)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(guān)鍵的輔助系統(tǒng)之一，核級水冷冷水機(jī)組是其重要組成部分，主要負(fù)責(zé)為核電站的主控室空調(diào)、電氣廠房通風(fēng)以及電纜層通風(fēng)提供必要的冷凍水。其核心任務(wù)在于，無論處于核電站正常運(yùn)行還是異常情況下，都必須確保主控室內(nèi)儀器儀表和控制設(shè)備等運(yùn)行在允許溫度范圍內(nèi)，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(guān)系到核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

PLC向DCS的轉(zhuǎn)換是核電站核級水冷冷水機(jī)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(zhuǎn)換完成后，需對控制程序進(jìn)行功能驗(yàn)證。傳統(tǒng)控制程序功能驗(yàn)證方法是通過將控制系統(tǒng)與現(xiàn)場控制設(shè)備和工藝系統(tǒng)對接完成后進(jìn)行功能驗(yàn)證，這種方式要求現(xiàn)場設(shè)備安裝完畢，并且現(xiàn)場環(huán)境滿足系統(tǒng)調(diào)試條件，才能進(jìn)行控制程序與設(shè)備契合度間的功能驗(yàn)證。然而，控制邏輯的復(fù)雜性疊加平臺轉(zhuǎn)換的因素，可能導(dǎo)致控制程序與設(shè)備契合度之間產(chǎn)生誤差，增加了核電現(xiàn)場調(diào)試過程中的困難和風(fēng)險，處理不當(dāng)將會成為制約項(xiàng)目執(zhí)行的關(guān)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(nèi)置的仿真調(diào)試功能，在工程設(shè)計階段對其首次平臺轉(zhuǎn)換后控制程序進(jìn)行仿真功能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)對控制程序進(jìn)行功能調(diào)試與仿真驗(yàn)證。

1　仿真調(diào)試功能應(yīng)用

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

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

針對現(xiàn)有控制程序調(diào)試現(xiàn)狀，本文提出了一種基于核級DCS平臺內(nèi)置仿真調(diào)試功能進(jìn)行控制程序驗(yàn)證的方法。該方法在首次控制系統(tǒng)程序設(shè)計完成后，在工廠生產(chǎn)階段，按照仿真調(diào)試要求，對控制程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓δ軘U(kuò)展，通過仿真調(diào)試方式，驗(yàn)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(shè)計階段的因平臺轉(zhuǎn)換帶來的問題及缺陷，減少了項(xiàng)目實(shí)施過程中的成本和時間消耗，確保了現(xiàn)場設(shè)備和調(diào)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(diào)試功能應(yīng)用分析

2.1　控制系統(tǒng)接口分析

核級水冷冷水機(jī)控制系統(tǒng)接口有兩部分，即與其控制設(shè)備之間工藝控制信號和設(shè)備控制狀態(tài)信號，以及與主控室之間機(jī)組開關(guān)機(jī)和機(jī)組運(yùn)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(jìn)行連接，在控制系統(tǒng)進(jìn)行工作時，僅與現(xiàn)場控制設(shè)備、主控室及本柜內(nèi)HMI有數(shù)據(jù)交換，其控制功能的實(shí)現(xiàn)僅依賴本控制系統(tǒng)的設(shè)備或信號控制狀態(tài)，其控制邏輯實(shí)現(xiàn)相對獨(dú)立，這就為使用核級DCS內(nèi)置的仿真調(diào)試功能提供了切實(shí)可行的前提條件。

核級水冷冷水機(jī)控制系統(tǒng)接口如圖2所示。

圖2 核級水冷冷水機(jī)控制系統(tǒng)的接口示意圖

2.2　仿真調(diào)試功能要求

使用系統(tǒng)仿真調(diào)試進(jìn)行功能驗(yàn)證時，因仿真調(diào)試未實(shí)現(xiàn)與控制設(shè)備和主控室信號的真實(shí)連接，導(dǎo)致初始工況信息、設(shè)備實(shí)時狀態(tài)、控制目標(biāo)對象信息等無法實(shí)時采集反饋，致使仿真功能無法實(shí)現(xiàn)對控制程序與冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況契合度的功能驗(yàn)證，也無法驗(yàn)證平臺轉(zhuǎn)換是否對PLC控制程序進(jìn)行了正確的轉(zhuǎn)換及功能實(shí)現(xiàn)。

為了滿足控制程序的調(diào)試需求，需在轉(zhuǎn)換后控制程序基礎(chǔ)上，結(jié)合冷水機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)備工藝控制原理與目標(biāo)對象實(shí)際運(yùn)行工況，對轉(zhuǎn)換后控制程序進(jìn)行必要的調(diào)試功能擴(kuò)展。擴(kuò)展后的調(diào)試程序確保了以下幾點(diǎn)：

（1）具備控制程序全范圍驗(yàn)證調(diào)試功能；

（2）運(yùn)行過程中的參數(shù)變量可以進(jìn)行實(shí)時調(diào)整；

（3）各關(guān)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(zhǔn)確植入；

（5）調(diào)試過程便于監(jiān)視和問題定位。

3　仿真調(diào)試功能實(shí)現(xiàn)

3.1　構(gòu)建全功能模擬清單及驗(yàn)證策略

我們對冷水機(jī)組控制工藝流程進(jìn)行了深入分析，制定了一套全面的測試驗(yàn)證功能清單及驗(yàn)證策略，以確保覆蓋所有關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該功能驗(yàn)證清單是確保設(shè)備正常運(yùn)行的核心。對冷水機(jī)組控制系統(tǒng)控制功能的驗(yàn)證，包含了油泵啟停、壓縮機(jī)啟停控制、機(jī)組目標(biāo)容量設(shè)置、能級即時值、壓縮機(jī)能級值、壓力平衡、經(jīng)濟(jì)器控制等多個關(guān)鍵功能，如圖3所示。

圖3 功能驗(yàn)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(jī)組的初始工況信號狀態(tài)，需要梳理設(shè)備啟動時的起始狀態(tài)和參數(shù)，包括初始溫度和壓力、設(shè)定溫度、啟動時間、初始電源狀態(tài)、設(shè)備組件狀態(tài)、控制系統(tǒng)配置以及環(huán)境條件等關(guān)鍵參數(shù)。通過對設(shè)計的控制程序進(jìn)行修改，將初始狀態(tài)清單中的模擬量工藝參數(shù)以設(shè)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(shí)現(xiàn)設(shè)備初始狀態(tài)的植入，并確保這些參數(shù)與程序中相應(yīng)的功能模塊有效連接，以實(shí)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(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)備的閉環(huán)控制

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

圖5 設(shè)備關(guān)聯(lián)閉鎖

3.4　設(shè)備實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

為了程序調(diào)試過程中對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控并提高調(diào)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(jī)組運(yùn)行參數(shù)、機(jī)組報警顯示、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行設(shè)定等標(biāo)志關(guān)鍵元素展示在一個專用的監(jiān)控頁面。當(dāng)進(jìn)行調(diào)試工作時，調(diào)試人員僅需訪問對應(yīng)的邏輯頁面，即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)修改、設(shè)備啟停、運(yùn)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(diào)試人員能夠?qū)崟r觀察到設(shè)備及其相關(guān)聯(lián)設(shè)備的工藝參數(shù)變化情況，這不僅有效地輔助了調(diào)試人員對程序正確性的驗(yàn)證工作，同時也大大提高了問題定位的準(zhǔn)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(yàn)證

擴(kuò)展后的控制程序可分三步進(jìn)行功能驗(yàn)證，即單元驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、系統(tǒng)功能驗(yàn)證，以此來實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)換后控制程序的模擬和全功能驗(yàn)證。

單元驗(yàn)證即對單個算法塊或邏輯功能塊的輸入和輸出變量進(jìn)行模擬仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證核級DCS平臺實(shí)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(yàn)證是針對某項(xiàng)特定功能或設(shè)備控制進(jìn)行驗(yàn)證，首先分析目標(biāo)功能，并明確各項(xiàng)工況參數(shù)，制定初始工況設(shè)定表，通過調(diào)整某一變量以及該變量變化導(dǎo)致的功能變化，以實(shí)現(xiàn)特定功能的仿真驗(yàn)證。

控制程序系統(tǒng)功能驗(yàn)證，根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計要求，模擬設(shè)備啟動、運(yùn)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(shè)備是否按照預(yù)期工況進(jìn)行安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時監(jiān)控設(shè)備異常情況下，設(shè)備啟停順序和報警等相關(guān)工作狀態(tài)是否按照系統(tǒng)設(shè)計功能要求進(jìn)行動作。

最后，將測試過程和結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)記錄和整理，形成驗(yàn)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(diào)試功能的控制程序功能驗(yàn)證過程如圖7所示。

5　結(jié)論

通過以上方法，本研究實(shí)現(xiàn)了核級DCS仿真調(diào)試功能在核級水冷冷水機(jī)組控制系統(tǒng)程序設(shè)計和設(shè)備功能驗(yàn)證方面的應(yīng)用。該方法充分利用核級DCS內(nèi)置的仿真調(diào)試功能對控制程序進(jìn)行仿真調(diào)試，特別是在無需建立仿真模型或啟動現(xiàn)場設(shè)備的情況下，對其復(fù)雜控制功能實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證。結(jié)果表明，功能仿真調(diào)試驗(yàn)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(kuò)展，使控制功能可在安全的仿真環(huán)境中進(jìn)行系統(tǒng)測試和功能驗(yàn)證，無需實(shí)際運(yùn)行設(shè)備，從而降低了潛在風(fēng)險和成本。

（2）效率：相較于傳統(tǒng)驗(yàn)證方法，該方法能在工程設(shè)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(shè)備啟停及功能驗(yàn)證任務(wù)，節(jié)省了時間并減少了資源浪費(fèi)。

（3）設(shè)計優(yōu)化：該方法為設(shè)計人員提供了有力工具，設(shè)計人員可快速識別和分析設(shè)計缺陷，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)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(yīng)用，仿真調(diào)試驗(yàn)證方法可成為中小型儀控系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證的重要發(fā)展趨勢。它不僅提高了控制程序驗(yàn)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(yùn)行和性能優(yōu)化。未來，這一方法的應(yīng)用前景將更加廣闊。

作者簡介：

侯利國（1982-），男，天津人，工程師，學(xué)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(shè)計方面的工作。

參考文獻(xiàn)：

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[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