★北京广利核系统工程有限公司侯利国

关键词：三代核电；PLC；仿真调试；程序验证

在某核电站建设过程中，其核级水冷冷水机组控制系统首次实现了由PLC控制系统向核级数字化仪控系统（DCS）的转换，满足了三代核电对其控制系统须具备FC2B类功能的需求。

核电站DEL系统是核电站关键的辅助系统之一，核级水冷冷水机组是其重要组成部分，主要负责为核电站的主控室空调、电气厂房通风以及电缆层通风提供必要的冷冻水。其核心任务在于，无论处于核电站正常运行还是异常情况下，都必须确保主控室内仪器仪表和控制设备等运行在允许温度范围内，同时确保操作员工作环境温度适宜。因此，该系统的可靠性直接关系到核电站的安全稳定运行。

PLC向DCS的转换是核电站核级水冷冷水机控制系统发展的重要里程碑。鉴于PLC平台与核级DCS平台在平台特性、组态方式及控制时序上存在较大差异，在首次平台转换完成后，需对控制程序进行功能验证。传统控制程序功能验证方法是通过将控制系统与现场控制设备和工艺系统对接完成后进行功能验证，这种方式要求现场设备安装完毕，并且现场环境满足系统调试条件，才能进行控制程序与设备契合度间的功能验证。然而，控制逻辑的复杂性叠加平台转换的因素，可能导致控制程序与设备契合度之间产生误差，增加了核电现场调试过程中的困难和风险，处理不当将会成为制约项目执行的关键路径。

因此，本文提出了利用核级数字化仪控系统（核级DCS）内置的仿真调试功能，在工程设计阶段对其首次平台转换后控制程序进行仿真功能扩展，实现对控制程序进行功能调试与仿真验证。

1　仿真调试功能应用

目前，在控制系统平台首次转换的设计与制造阶段，虽然可以通过理论验证控制系统的设计程序，但尚不能与现场设备实现完全对接，以完成控制程序的整体功能验证。换句话说，当前验证过程尚未跨越从理论到实践的界限。这种限制迫使设计团队必须将现场设备与控制系统相连并进行实际调试，以期达到整体功能验证的目标。一旦在现场调试过程中发现其控制程序与实际设备运行状况存在差异，程序验证工作将被迫暂停，控制程序设计工作需返回至工厂阶段进行控制程序更新，增加了人力消耗的同时，还增加了项目的执行周期。

除此之外，现场调试环境的复杂性对控制程序问题的诊断与定位也构成了挑战。不当的操作不仅延迟了问题解决，更有可能对调试人员和现场设备造成不必要的损害。

针对现有控制程序调试现状，本文提出了一种基于核级DCS平台内置仿真调试功能进行控制程序验证的方法。该方法在首次控制系统程序设计完成后，在工厂生产阶段，按照仿真调试要求，对控制程序进行适当的功能扩展，通过仿真调试方式，验证控制程序的可靠性与契合度，如图1所示。本方法能有效识别并规避设计阶段的因平台转换带来的问题及缺陷，减少了项目实施过程中的成本和时间消耗，确保了现场设备和调试人员的安全，提升了系统的整体可靠性。

图1 控制程序仿真

2　仿真调试功能应用分析

2.1　控制系统接口分析

核级水冷冷水机控制系统接口有两部分，即与其控制设备之间工艺控制信号和设备控制状态信号，以及与主控室之间机组开关机和机组运行状态信号。信号类型包括数字量和模拟量，所有信号通过硬接线与控制系统进行连接，在控制系统进行工作时，仅与现场控制设备、主控室及本柜内HMI有数据交换，其控制功能的实现仅依赖本控制系统的设备或信号控制状态，其控制逻辑实现相对独立，这就为使用核级DCS内置的仿真调试功能提供了切实可行的前提条件。

核级水冷冷水机控制系统接口如图2所示。

图2 核级水冷冷水机控制系统的接口示意图

2.2　仿真调试功能要求

使用系统仿真调试进行功能验证时，因仿真调试未实现与控制设备和主控室信号的真实连接，导致初始工况信息、设备实时状态、控制目标对象信息等无法实时采集反馈，致使仿真功能无法实现对控制程序与冷水机组实际运行工况契合度的功能验证，也无法验证平台转换是否对PLC控制程序进行了正确的转换及功能实现。

为了满足控制程序的调试需求，需在转换后控制程序基础上，结合冷水机组控制系统设备工艺控制原理与目标对象实际运行工况，对转换后控制程序进行必要的调试功能扩展。扩展后的调试程序确保了以下几点：

（1）具备控制程序全范围验证调试功能；

（2）运行过程中的参数变量可以进行实时调整；

（3）各关联逻辑能够正确传递与执行；

（4）初始状态变量能够被准确植入；

（5）调试过程便于监视和问题定位。

3　仿真调试功能实现

3.1　构建全功能模拟清单及验证策略

我们对冷水机组控制工艺流程进行了深入分析，制定了一套全面的测试验证功能清单及验证策略，以确保覆盖所有关键环节。该功能验证清单是确保设备正常运行的核心。对冷水机组控制系统控制功能的验证，包含了油泵启停、压缩机启停控制、机组目标容量设置、能级即时值、压缩机能级值、压力平衡、经济器控制等多个关键功能，如图3所示。

图3 功能验证策略

3.2　初始工况变量清单的整理与植入

为了精确模拟冷水机组的初始工况信号状态，需要梳理设备启动时的起始状态和参数，包括初始温度和压力、设定温度、启动时间、初始电源状态、设备组件状态、控制系统配置以及环境条件等关键参数。通过对设计的控制程序进行修改，将初始状态清单中的模拟量工艺参数以设定值的形式嵌入到仿真控制程序中，针对数字量状态使用选择模块实现设备初始状态的植入，并确保这些参数与程序中相应的功能模块有效连接，以实现初始参数的精确写入，如图4所示。

图4 变量清单植入

3.3　实现关联设备的闭环控制

目标控制设备在实际运行过程中各个设备相互协作、相互制约，并非独立运作。为确保设备运行状态与实际工况相符，需将关联设备实施状态纳入闭环控制中。这种控制逻辑要求多个设备之间进行精确的协调与交互，以确保共同完成既定的工作目标。在控制程序向仿真调试程序进行功能扩展过程中，将设备的启停输出状态与实际运行状态反馈进行绑定，确保设备在虚拟的仿真调试环境中满足启动条件时能够自动开启，并保证设备实际的运行反馈状态能够及时、准确地反映在反馈信号采集页面上，避免因设备状态不一致而引发的系统报警，确保程序调试的连贯性和预期性，如图5所示。

图5 设备关联闭锁

3.4　设备实时状态监控的实现

为了程序调试过程中对设备运行状态进行监控并提高调试效率，需要一种集中化的显示组态方法。该方法核心思路是将机组运行参数、机组报警显示、设备运行状态、设备运行设定等标志关键元素展示在一个专用的监控页面。当进行调试工作时，调试人员仅需访问对应的逻辑页面，即可实现参数修改、设备启停、运行监控、故障排查等一系列监控和操作。

通过这一集中组态显示方法，调试人员能够实时观察到设备及其相关联设备的工艺参数变化情况，这不仅有效地辅助了调试人员对程序正确性的验证工作，同时也大大提高了问题定位的准确性和速度，如图6所示。

图6 监控画面

4　控制程序功能验证

扩展后的控制程序可分三步进行功能验证，即单元验证、功能验证、系统功能验证，以此来实现对转换后控制程序的模拟和全功能验证。

单元验证即对单个算法块或逻辑功能块的输入和输出变量进行模拟仿真试验，验证核级DCS平台实现的算法功能与PLC平台中该算法块的功能一致性。

功能验证是针对某项特定功能或设备控制进行验证，首先分析目标功能，并明确各项工况参数，制定初始工况设定表，通过调整某一变量以及该变量变化导致的功能变化，以实现特定功能的仿真验证。

控制程序系统功能验证，根据系统功能设计要求，模拟设备启动、运行、停止整个工作过程，通过监控画面对整个控制系统控制程序所控制设备是否按照预期工况进行安全稳定运行，同时监控设备异常情况下，设备启停顺序和报警等相关工作状态是否按照系统设计功能要求进行动作。

最后，将测试过程和结果进行详细记录和整理，形成验证报告。该报告将为后续的系统分析与优化提供重要数据支持。基于仿真调试功能的控制程序功能验证过程如图7所示。

5　结论

通过以上方法，本研究实现了核级DCS仿真调试功能在核级水冷冷水机组控制系统程序设计和设备功能验证方面的应用。该方法充分利用核级DCS内置的仿真调试功能对控制程序进行仿真调试，特别是在无需建立仿真模型或启动现场设备的情况下，对其复杂控制功能实现了验证。结果表明，功能仿真调试验证方法具有以下显著优势：

（1）安全性：此方法基于对控制程序的改造扩展，使控制功能可在安全的仿真环境中进行系统测试和功能验证，无需实际运行设备，从而降低了潜在风险和成本。

（2）效率：相较于传统验证方法，该方法能在工程设计完成后，即可在平台的仿真虚拟环境中迅速完成多种设备启停及功能验证任务，节省了时间并减少了资源浪费。

（3）设计优化：该方法为设计人员提供了有力工具，设计人员可快速识别和分析设计缺陷，进行优化设计，从而提高了系统可靠性和性能。

随着核电站数字化仪控系统的广泛应用，仿真调试验证方法可成为中小型仪控系统进行功能验证的重要发展趋势。它不仅提高了控制程序验证效率和可靠性，还为工程师提供了更多工具和方法，以确保系统的安全运行和性能优化。未来，这一方法的应用前景将更加广阔。

作者简介：

侯利国（1982-），男，天津人，工程师，学士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电站安全级DCS及专用仪控设计方面的工作。

参考文献：

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

[2] RGL System Requirement Specification. NPIC. 2011.1

[3] 广东核电培训中心. 900MW压水堆核电站系统与设备. 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 (核动力厂安全重要的仪表和控制系统总要求)

摘自《自动化博览》2024年10月刊