CN104751924A - 核电厂全厂dcs便携式调试装置及调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于核电DCS调试技术领域，具体是核电厂全厂DCS便携式调试装置及调试方法。所述装置包括：仿真模型主机、I/O接口系统、外壳；仿真模型主机运行仿真模型和IO映射系统，仿真模型包括核电站中被DCS控制的实物系统模型和DCS自身的模型，IO映射系统将仿真模型的参数与I/O接口系统的输入输出信号相对应；I/O接口系统包括：I/O接口模块、将I/O接口模块与真实DCS连接的TA模块、使仿真模型主机和I/O接口模块进行通信的通信模块；TA模块为线缆结构；I/O接口模块、通信模块固定于外壳。所述方法使用如权利要求1所述的核电厂全厂DCS便携式调试装置。本发明可弥补传统调试方式无法对闭环控制模拟的缺陷，可以充分的验证DCS逻辑的正确性。

Description

核电厂全厂DCS便携式调试装置及调试方法

技术领域

本发明属于核电DCS调试技术领域。

背景技术

在核电站运行系统中，核电DCS（digital control system，数字控制系统）是整个运行系统的控制部分，属于核心技术，其性能直接关系到核电站运行效率，而其稳定性、容错性直接关系到核电站的使用安全。在核电站投入使用之前，必须对DCS进行全面的调试和测试。现有技术中，使用实物进行调试，即需要使DCS以及DCS的被控对象同时运行，如此一来，需要耗费大量的物资、时间，容易造成设备的损坏；同时，由于实物测试的局限性，难以测试到极端情况的DCS工作状态，例如：难以测试到被控对象故障时的DCS工作状态。

美国西屋公司于上世纪末研制了一套基于仿真技术的DCS调试装置，用于AP1000核电机组仪控系统的研制、测试。但是此设备仅用于DCS研发过程中的调试，不能应用于已经安装就位后的核电机组仪控系统，无法在现场调试中使用。

发明内容

本发明目的是提供核电厂全厂DCS便携式调试装置及调试方法，提高调试的速度，对于需重复进行或系统复杂度高的调试项目，缩短时间，提高调试质量，满足缩短DCS工程调试时间的需求。

本发明是如此实现的：

一种核电厂全厂DCS便携式调试装置，其中，包括：仿真模型主机、I/O接口系统、外壳；

仿真模型主机运行仿真模型和IO映射系统，仿真模型包括核电站中被DCS控制的实物系统模型和DCS自身的模型，IO映射系统将仿真模型的参数与I/O接口系统的输入输出信号相对应；

I/O接口系统包括：I/O接口模块、将I/O接口模块与真实DCS连接的TA模块、使仿真模型主机和I/O接口模块进行通信的通信模块；TA模块为线缆结构；

I/O接口模块、通信模块固定于外壳。

如上所述的一种核电厂全厂DCS便携式调试装置，其中，在所述I/O接口模块中，包括：DI模块，DO模块，AI模块，AO模块；所述TA模块一端为与I/O接口模块连接的多根接线，另一端为与真实DCS连接的接插件。

一种核电厂全厂DCS便携式调试方法，其中，使用如权利要求1所述的核电厂全厂DCS便携式调试装置，包括如下步骤：

步骤1、建立I/O接口模块和被测DCS对象信号的对应关系；

步骤2、根据对应关系接线；连接DCS机柜I/O点与所述调试装置I/O点；

步骤3、运行调试；包括如下步骤：

1）启动仿真模型主机，运行各个仿真模型；

2）确定实物DCS系统状态；

当实物DCS系统输出状态与仿真模型主机上的仿真DCS系统输出状态不一致时，判定为实物DCS系统需要进行调整；然后，对于实物DCS系统进行调整，调整为与仿真DCS系统输出状态一致；

当实物DCS系统状态与仿真模型主机上的仿真DCS系统状态一致时，判定为实物DCS系统能够进行调试工作；

然后，进行以下步骤：

3）将控制对象的仿真模型输入输出切换至实物DCS系统；

4）在实物DCS操作界面远程对仿真模型主机上的所述实物系统模型操作，改变所述实物系统模型工况，然后记录实物DCS系统响应状态。

本发明所述核电厂全厂DCS便携式调试装置及调试方法相对于传统调试方法的优势有：

●可弥补传统调试方式无法对闭环控制模拟的缺陷，可以充分的验证DCS逻辑的正确性。

●对有问题的系统可快速重复多次进行试验，有效降低测试成本，不受现场设备时间窗口的限制。

●对于做一些有风险的试验之前，在连接实际设备前采用该装置进行仿真试验，可最大限度的降低设备损坏风险。

●在现场实际用例中，由于本发明所述调试装置能够记录各路信号值，所以对于闭环调节的系统的调试还可以起到粗调PID参数的目的，可以缩短调试时间；系统越复杂，调试装置优势越大。

例如：对于ARE（主给水流量调节）系统，使用本发明所述装置和方法，在选取了50个试验点的情况下，做完整个调试规程的时间为一个工作日。如果使用现有技术的调试方法则需要3到4个工作日，同时还无法验证实物DCS系统的PID参数。

附图说明

图1是核电厂全厂DCS便携式调试装置结构框图。

图2是调试装置现场使用示意图。

图3是调试装置内部结构三维示意图。

图4是调试界面配置及管理软件结构。

其中，AW：通讯服务器；KIC：人机操作终端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。

如图1所示，本发明所述核电厂全厂DCS便携式调试装置包括：

(1)一台仿真模型主机，负责：

●运行仿真模型；仿真核电站中的各个实物系统，即DCS的控制对象；

●I/O数据采集模块之间的数据通讯；

●运行调试工程控制台软件，对于DCS调试过程进行控制；

●配置调试初始条件和运行通讯用IOMAP（IO映射）软件，此软件将通过I/O数据采集模块获得的数据分配给各个仿真模型，同时将各个仿真模型运算得到的数据通过I/O数据采集模块输出；

在本实施例中，在仿真模型主机上还设置有DCS控制系统自身的仿真模型。即在仿真模型主机上，可以闭环仿真全部的控制系统和控制对象。(2)I/O接口系统：

●包含常见的数据类型的采集模块（DI，DO，AI，AO）；

●连接仿真模型主机和DCS，将仿真模型主机上运行的各个仿真模型的接口数据输出到真实的DCS，将真实DCS的控制信号输出到仿真模型主机；

（3）轻便，结实的外壳，同时在现场便于移动。

在本实施例中，采用研华APAX系列数据采集设备进行I/O接口系统设计。

整个输入输出接口模块布置在调试装置内部，采用紧凑型、分布式、模块化的结构。在将本发明所述的核电厂全厂DCS便携式调试装置接入核电厂的实物设备中时，得到如图2所示的系统。

在本项目里，全部的数据运算都在仿真模型主机中，I/O系统的任务仅仅是采集DCS信号，所以没有采用传统的处理器加I/O模块的架构，而是如图1所示，采用TA模块（集线器模块）和I/O模块的架构，TA模块为集线器模块，核电站的DCS系统接线时，采用接插件实现，而所述调试装置为了能够适用于全核电站系统，采用端子板的接线方式，因此，在实现调试装置和DCS系统的接线时，需要在端子板和接插头之间，安装一端为多根裸线、另一端为接插件的电缆，即TA（terminal assembly）模块。

此外，为了完成仿真模型主机和I/O模块的通信，所述调试装置还包括研华APAX-5070通讯模块。

该通讯模块可周期性地采集I/O模块的实时信息，并将I/O信息周期性地通过以太网上传给仿真模型主机，服务器再将处理后的信号通过以太网传送给通讯模块来控制输出模块输出，完成对现场控制对象的实时控制。APAX-5070与其他设备通过以太网连接，最多可以连接32个I/O模块，满足现场调试的需求。APAX-5070的通讯协议为Modbus TCP，如果今后有更优秀的I/O方案。可以灵活更换，而数据通讯模块不需要做改动，或只需要做少许改动便能继续使用，减小将来系统更新的工作量。

AI模块选用APAX-5017H，该模拟信号输入模块为高速12通道的多量程电压/电流信号输入模块，可以实现多种量程信号的快速测量，采样率高达1000采样/秒。APAX-5017可测量0～10V，±10V，0～500mV范围内的电压信号和0～20mA，4～20mA范围内的电流信号，每个通道可以设定不同量程，实现高精度测量。其性能指标见表1：

表1：APAX-5017H模块性能指标

AO模块选用APAX-5028，该模块为8通道电流或电压信号输出模块，可以输出（0～20）mA，（4～20）mA，±2.5V，±5V，±10V，（0～2.5mV），（0～5V），（0～10V）八种量程的模拟信号。其性能指标见表2：

表2：APAX-5028模块性能指标

DI模块选用APAX-5040，该模块能采集24路数字量信号，带LED显示，输入电压最大达到30V。其性能指标见表3：

表3：APAX-5040模块性能指标

DO模块选用APAX-5060，该模块能输出12通道数字信号，带LED显示。其性能指标见表4：

表4：APAX-5060模块性能指标

模块型号	APAX-5060
		通道	12路
功耗	2.5W
		输出类型	Relay
输出电压	250VAC，30VDC
		输出电流	5A

根据现场各种类型实际信号种类的统计，我们为每个调试装置标配的I/O点数为148点，其测点类型及配置数量见表5：

表5：小箱标配的测点类型及配置数量

测点类型	卡件数	配置点数
			AO	1	12
DO	2	48
			AI	2	16
DI	6	72
			合计	11	148

这个搭配是灵活的，可以根据现场实际的变量比例进行调整。

如图3所示，为了方便调试装置在现场的运输，外壳被制作成带滚轮，拉杆的箱体，大小接近旅行箱。其结构框架及护板采用轻质工程材料，结构强度满足现场需要。单个调试装置尺寸为640长×390宽×340高（mm），去掉盖子高度为240mm，外观颜色为银白。调试装置设计为各个模块可以和外壳分离，便于日常维护，以及更换。各个模块通过底部螺丝与外壳固定。

以下，对于使用上述调试装置对于核电站DCS进行调试的方法进行说明：

步骤1、建立I/O接口模块和被测DCS对象信号的对应关系；

在此步骤中，根据核电厂实际DCS机柜数据，建立详细的I/O点信息数据库，即对于真实DCS的每一个信号线，明确此信号线需要连接到的I/O接口模块的端口。

确保仿真系统模拟范围涵盖所有需要调试的DCS机柜I/O点。

本实施例中，首先在MySQL数据库中，建立数据库xtc_db，在xtc_db数据库中有四个表单，分别是包括调试箱板卡I/O点表table_io、DCS点表pointconf、板卡表table_card以及参数配置表table_conf，然后，通过管理软件访问数据库将I/O点表table_io和DCS点表pointconf中的各个点相对应。

然后，根据DCS机柜调试规程，确认该调试任务需要连接的I/O点清单；

通过运行调试配置管理软件建立新的调试任务，将仿真系统的I/O点与对应的DCS机柜I/O点绑定，建立一一对应的关系；

此外，在本实施例中，设定了检查对应关系的步骤，例如：在同一调试任务中，同一个DCS点不能重复绑定；I/O点类型必须与调试箱板卡类型一致；

步骤2、根据对应关系接线；连接DCS机柜I/O点与调试装置I/O点；

1）将TA设备的两端分别连接调试箱板卡和DCS机柜TA接口（硬接线）；

2）将仿真模型主机与调试箱连接（网线）；

步骤3、运行调试；在此过程中，可以进行设置故障、对DCS信号进行操控等步骤。具体包括如下步骤：

1）启动仿真模型主机，运行各个仿真模型；

2）确定实物DCS系统状态；

在本实施例中，在仿真模型主机仿真核电站中的各个实物系统，即DCS的控制对象，这些控制对象仿真模型的信号与实物DCS系统进行交互；

同时，在仿真模型主机也仿真DCS系统，即运行仿真DCS系统，控制对象仿真模型的信号还与此仿真DCS系统进行交互；

当实物DCS系统的状态与仿真DCS系统状态不一致时，判定为实物DCS系统需要进行调整，调整过程可以包括参数调整或者故障排查手段，通过人工干预，调整为与仿真DCS系统输出状态一致。

3）确认仿真的DCS系统与实物DCS系统输出信号一致，则手动切换至实物DCS控制系统，可以单个信号点的切换，也可以整体切换，如此，能够避免由于信号不一致导致系统运行震荡。

4）根据调试规程，开展调试工作，可以在仿真系统中设置故障，或者在实物系统现场就地操作，改变注入信号，也可以在仿真模型主机上直接对DCS注入信号进行操控。

本实施例中，选择的常用方式为：在实物DCS操作界面远程对仿真模型主机上的实物系统模型操作，改变所述实物系统模型工况，然后记录实物DCS系统响应状态。如此，可以首先在不接入实物系统的情况下，进一步对实物DCS系统进行调试。保证实物DCS系统符合安全工作的要求。

在保证了实物DCS系统性能的前提下，可以通过在实物系统现场就地操作，改变真实的实物系统中各种设备的状态，然后，将这些状态输入至实物DCS系统，进行调试。

如上所述，调试过程逐步进行，首先，保证实物DCS系统状态和仿真DCS系统状态一致性开始，然后，将实物DCS系统与仿真模型主机上的实物系统模型连接调试，最后，将实物DCS系统与真实的实物系统连接进行调试，保证了调试的安全性和效率。

如图4所示，根据上述步骤，编写得到具有模块化结构特点的核电厂全厂DCS便携式调试装置用软件，用于实现整个调试过程。作为数据库信息，包括了描述真实DCS系统与所述核电厂全厂DCS便携式调试装置上I/O接口对应关系的表格，还包括仿真模型信息。通过软件的配置界面，能够设置配置任务，管理各种模拟机（实物系统模型）的运行。

调试规程中规定了需要对DCS考察的各种工况，即通过仿真模型主机运行的控制对象的仿真模型，模拟各种工况下的核电站的运行情况，对实物DCS系统的状态进行记录和判别，观察实物DCS系统是否能够满足设计要求，在各种工况下均发挥应有的作用。

上面对本发明的实施例作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种核电厂全厂DCS便携式调试装置，其特征在于，包括：仿真模型主机、I/O接口系统、外壳；

仿真模型主机运行仿真模型和IO映射系统，仿真模型包括核电站中被DCS控制的实物系统模型和DCS自身的模型，IO映射系统将仿真模型的参数与I/O接口系统的输入输出信号相对应；

I/O接口系统包括：I/O接口模块、将I/O接口模块与真实DCS连接的TA模块、使仿真模型主机和I/O接口模块进行通信的通信模块；TA模块为线缆结构；

I/O接口模块、通信模块固定于外壳。

2.如权利要求1所述的一种核电厂全厂DCS便携式调试装置，其特征在于，在所述I/O接口模块中，包括：DI模块，DO模块，AI模块，AO模块；所述TA模块一端为与I/O接口模块连接的多根接线，另一端为与真实DCS连接的接插件。

3.一种核电厂全厂DCS便携式调试方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的核电厂全厂DCS便携式调试装置，包括如下步骤：

步骤1、建立I/O接口模块和被测DCS对象信号的对应关系；

步骤2、根据对应关系接线；连接DCS机柜I/O点与所述调试装置I/O点；

步骤3、运行调试；包括如下步骤：

1）启动仿真模型主机，运行各个仿真模型；

2）确定实物DCS系统状态；

当实物DCS系统输出状态与仿真模型主机上的仿真DCS系统输出状态不一致时，判定为实物DCS系统需要进行调整；然后，对于实物DCS系统进行调整，调整为与仿真DCS系统输出状态一致；

当实物DCS系统状态与仿真模型主机上的仿真DCS系统状态一致时，判定为实物DCS系统能够进行调试工作；

然后，进行以下步骤：

3）将控制对象的仿真模型输入输出切换至实物DCS系统；

4）在实物DCS操作界面远程对仿真模型主机上的所述实物系统模型操作，改变所述实物系统模型工况，然后记录实物DCS系统响应状态。