核电站数字化仪控系统的仿真测试与验证研究

核电站数字化仪控系统的仿真测试与验证研究

陈晨

上海创岳实业有限公司

摘要：核电站数字化仪控系统(简称DCS)是核电站的信息神经和控制中枢,在所有运行模式,包括应急情况下,维持电厂的安全性,可操作性和可靠性,以保证核电站安全,稳定和经济地运行。目前,该装置已成功应用到首个国产化核电站数字化仪控系统的工程应用中,提高了测试覆盖率,准确性和工作效率,保证了核电厂的安全,稳定和经济的运行。

关键词：核电站；数字化；仪控系统；仿真测试；验证研究

引言：随着现代科学技术的迅捷发展,世界经济一体化进程不断加快,对能源和环境问题日益严重。核电作为一种清洁、高效的可再生能源已经成为当今社会不可缺少且必备。核电站是一个大型系统工程，它涉及到多个领域:电力调度、热力与核能等方面，而计算机技术在各个方面都有广泛运用。 因此为了满足核电事业快速迅捷发展需求及提高核电厂整体自动化水平,必须大力研发和应用数字化仪控系统来实现其智能化控制功能的提升。

一、 核电站数字化仪控系统仿真测试概述

1.1 数字化仪控系统组成

本文主要研究的是对核电站的数字化仪控系统。
   (1)主控电路:主控制单元是整个系统中最核心、最重要的部分,它决定着信号采集和处理,以及执行命令,包括数据接收与发送等功能，同时也负责接受来自外界环境变化或故障信息发出各种指令并将其传送给控制系统进行响应；
   (2)显示模块:该模块用来实时地对仪器内部结构及运行状态进行监控并记录操作过程；

(3)执行指令模块:通过对控制系统中各个功能的操作实现数字化,并将其发送给用户；

(4)数据采集及处理部分:该系统负责接收外部环境变化后产生的各种信息。

1.2 核电站数字化仪控系统仿真测试模块

本文主要研究的是数字化仪系统的仿真测试,因此,在设计过程中,我们需要对整个仪器进行仿真。
   (1)功能模块:实现主控程序、主控制管理子程序以及各辅助界面等；
   (2)功能模块:包括各单元逻辑参数设置及处理流程的调试和验证、故障状态诊断与分析；

(3)输入模块:实现主控程序的参数设置和功能设置；

(4)数据存储及处理模块,包括系统状态查询、故障分析与诊断[1]。

1.3 计算机仿真测试系统运行

本文主要介绍了核电站数字化仪控系统的构成与性能。控制系统包括上位机和下位机组成,其中下位机上由计算机系统完成控制,上位机软件则是通过网络连接来实现的。
   在整个系统中我们需要对现场进行观察、分析以及采集数据等操作;同时也要检测各种参数(如开关量、温度)是否合格，然后根据这些参数设计出相应功能模块并将其加载到虚拟仪器平台上运行测试实验过程。因此,我们需要通过测试实验来验证系统的可行性。

1.4 核电站数字化仪控系统故障诊断

核电站数字化仪控系统的故障诊断是根据系统运行时发生错误信号,通过检测出异常情况,并对其进行分析。
  (1)逻辑不正常:由于控制系统中输入输出参数与实际值不符合或者有误；
  (2)故障现象:如出现开关电源断接、主程序出错等引起系统中断或数据采集不准确，控制回路不能正确操作导致的主程序执行过程失效等等原因造成的错误信号。逻辑不正常主要是指系统中输入输出通道与主程序之间没有进行通信。在核电站数字化仪控系统运行过程,通过对控制系统的故障分析,可以判断出该仪器出现了哪些问题。

二、 核电站数字化仪控系统仿真测试与验证研究

2.1数字化仪控系统仿真测试方法

根据前面提到的两种仿真测试方法,本文主要采用了单步运行和多路运行。
   (1)单步调试。首先由程序控制单元输入输出命令指令进行逻辑运算；然后将所有执行任务所需功能进行分解并完成相应操作后,再依次向控制系统发送中断请求、数据处理以及控制信号等信息来实现系统的驱动工作状态；最后通过串口通信模块接收来自上位机的数据之后对下位机与PC机组之间通讯过程中产生了新问题或者错误信息。
   (2)多路调试。将上位机与下位机组之间的通讯命令、数据处理以及控制指令进行转换,并对其执行过程中所产生的新问题和错误信息来完成相应功能,通过通信模块传输接收上位机上发送过来指令后再由PC机组返回主控制器处运行。

2.2数字化仪控系统仿真测试与验证对比

本文主要是针对核电站数字化仪控系统进行仿真测试。首先,我们要对整个系统的结构和功能做出分析,根据需求分析确定设计方案。再通过对比方案设计来验证该设计是否能实现要求功能；然后在实验中运用Matlab软件完成模拟过程控制、参数采集及测量等关键模块的仿真调试与检验工作；最后将虚拟仪器技术应用于反应堆核心单元模型验证试验中并进行改进。

2.3核电站数字化仪控系统仿真测试与改进

本文在进行仿真测试之前,首先对系统进行了整体的分析,包括系统结构、工作原理以及各部分功能。然后根据要求设计了一套完整地核电站数字化仪控系统。通过对比实验和改进方案的比较，最终确定采用基于FAS/IEC标准体系下可编程控制器(PLC)为核心单元技术来研发出满足，该控制系统需求且具有良好性能指标及控制接口简单而便于实现并进行通信与使用等特性要求的第四代IOSE型语言,并通过FAS/IEC标准体系的IOSE语料实现了第四代PIDIC系列产品,该语言与传统通用化接口相比,具有更好的灵活性和可扩展能力。本论文所做仿真实验是在验证研究过程中针对系统进行改进

[2]。

三、 数字化仪控系统的仿真测试与实现

3.1 系统软件的结构

本文主要研究的对象为数字化系统,它是由主控模块、上位机与PC之间进行通信,将数据传送给电脑并处理。
   (1)主控系统:在接收来自DSP芯片上的信息后发出指令使控制系统按所需状态完成相应操作;
   (2)下位机组:通过对计算机中各部分功能执行控制命令和对计算机内部程序实施管理等来实现系统软件的实时监控及故障诊断、报警与保护。

(3)PC机:通过对计算机内部程序实施控制,完成上位机组的指令,并利用网络接口实现远程操作。

3.2 系统性能仿真

系统性能仿真是研究的重点,主要目的在于通过建立数学模型,对整个试验过程进行模拟,并分析影响因素。本论文中采用的是西门子WM1I-TRACERE软件来实现。
   在完成了之前控制系统设计任务后首先要开始进行系统整体功能演示实验和稳定性测试等工作；然后再利用MATLAB软件将所有元器件均用仿真器代替；最后在实验室内组装好各部件的电路板、PCB电路板,并通过模拟验证其性能能否达到要求。
   系统的性能仿真主要包括以下两个方面。首先是对控制单元进行模拟,通过实验验证了控制系统设计是否能够达到要求。其次就是在实验室内组装好各部件的电路板、PCB电路等元器件并完成试验过程演示后观察其稳定性和可靠性;最后再将所有元件按照要求装配成一个整体。

3.3 数字化仪控系统对系统的影响

（1）系统故障检测:由于数字化仪器本身的特性,使得对其内部结构、运行方式和控制策略等都会有一定程度上的影响,这就要求我们要在设计过程中进行大量试验。而对于一些非标量器件(如继电器)来说则很难通过测试。
   （2）系统参数监测:随着科技发展及人们生活水平提高以及安全意识增强后对计算机技术提出了更高层次的需求;因此数字化仪器也需要不断完善其相关功能和性能指标来满足用户日益增长的使用需求,所以需要我们不断加强数字化仪器的参数监测和故障分析。

（3）系统可靠性检测:在对整个系统进行测试时,要保证其稳定性,这就要求我们必须采用先进技术手段来提高整体性能指标，同时也应注意到由于计算机自身特性以及硬件因素等原因而导致的数据处理过程中产生误差或失真问题。

3.4 仿真测试与优化

通过对反应堆数字化控制系统进行仿真测试,我们可以发现,在整个系统中,所有的部件都具有一定程度上的失效。因此要想实现更快更好地控制策略和性能指标。首先必须确定组件是否符合设计标准，其次是根据试验结果来决定如何改进该设备或提高产品质量水平;再次针对新出现并尚未得到优化解决方案时需要继续优化过程或者重新调试程序以使其满足要求后再进行测试与调整等,这些工作都是为了保证整个系统的可靠性及稳定性。因此在进行仿真实验之前,我们需要进行大量的仿真测试和优化试验,以确定系统是否具备基本性能。

四、 核电站数字化仪控系统的仿真测试与验证

4.1 核电站数字化仪控系统仿真测试介绍

目前,核电站数字化仪控系统的仿真测试与实验研究已经非常成熟。本章主要介绍了三种不同类型的仿真实例,包括DDC、单相扫描和双脉冲测试图。其中使用最多的是以带控制程序设计样机为主体开发出来的带有多路SPA功能模块以及基于PC总线技术上发展起来用于虚拟仪器系统中进行数据采集及处理等交互式仿真测试方法，使用较广的有两种虚拟现实软件FLUENT.Contenthran动画,其是一个基于虚拟现实技术的仿真测试系统,该软件具有较高的实时性,能够对复杂、繁琐且难以直观理解和编程要求极高类型多样的实体进行模拟仿真的特性。

4.2 基于MATLAB的仿真测试与数据处理

根据以上分析,我们可以从仿真软件中提取出一些有用的信息,这些数据包含了整个系统所有部件和功能实现过程。本论文主要针对核电站数字化仪控系统进行研究与设计。基于MATLAB2000/064-4PLC的虚拟仪器开发环境是一个开放性、可扩展和共享性能高且能提供良好通信能力平台为基础,它可以支持多种类型复杂模型模型及各种不同结构形式模拟计算分析,具有强大的仿真工具库功能;在软件开发过程中,可以通过多种数据接口的选择,进行仿真实验与结果分析。本论文所做工作也是基于MATLAB仿真的基础上完成。基于MATLAB的数据处理功能是一个非常有效的方法,可以对系统中不同类型和各种复杂情况进行分析,具有强大高效、简单等优势，在实际生产过程中会用到大量测试仪器设备。

4.3 核电站数字化仪控系统的仿真计算

通过仿真计算,我们可以得到以下几项问题的解决方案:
   (1)所有控制系统都具有一定程度的开闭性。系统中每个控制器均是独立存在且互不影响。因此在整个系统中有一种控制规则—“先验知识”，而当控制系统出现故障时,有两种解决方法:一是选择一个或两个不稳定状态作为输入量进行比较;二是先选择一个稳定状态作为比较,然后再进行输入输出的比较；

(2)在整个系统中,所有控制器都具有一定程度的开环性。

4.4 影响核电站数字化仪控系统的因素

（1）温度，计算机系统中的数据输入是由外部环境和内部因素共同决定,所以我们要充分考虑到加热炉、冷却塔等设备对数字化仪控制系统造成影响。如果出现了影响则需要进行调整。
   （2）通信方式(串行总线传输与并行传输:在上位机控制界面上,将命令指令发送到下位机上显示;同时上位机通过通讯模块发送信息给中央计算机或PLC控制器和操作员的功能实现人-机器之间数据交换,从而实现远程控制。3)系统软件设计:在上位机和下位机上都有各自的操作系统,所以需要对这些软件进行综合考虑,以便达到最佳性能效果。

总结：核电站数字化仪控系统研发中心将坚持落实国家能源局对核电站数字化仪控系统研发中心提出的技术创新任务，不断提高核电站数字化仪控系统研发中心的科研能力和水平，发挥自身在行业内优势，将国家能源核电站数字化仪控系统研发中心建成具有世界一流水平的国家级研发中心。

参考文献：

[1]朱立志.核电站数字化仪控系统的仿真测试与验证研究[D].上海交通大学[2023-12-24].

[2]史觊,蒋明瑜,马云青.核电站仪控系统数字化开发仿真测试技术研究[J].核技术, 2005, 28(2):6.DOI:10.3321/j.issn:0253-3219.2005.02.018.