CN107315854A - 核电站控制系统半物理仿真平台设计及实现方法 - Google Patents

核电站控制系统半物理仿真平台设计及实现方法 Download PDF

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贺隆坤
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Abstract

本发明公开了一种核电站控制系统半物理仿真平台设计及实现方法，该方法包括步骤：步骤一、建立热工模型；步骤二、建立控制系统模型；步骤三、组建实物DCS系统；步骤四、建立实时交互数据库；步骤五、进行半实物仿真平台的核电厂各种稳态、瞬态工况调试。本发明将工业DCS组态和机柜应用到核电站控制系统仿真平台，使得核电站控制系统仿真平台可以更加接近实际DCS现场控制模型，可以用对控制系统进行优化设计以及验证分析，还可以对核电站仪控系统进故障模式及影响进行分析。

Description

核电站控制系统半物理仿真平台设计及实现方法
技术领域
本发明涉及一种平台设计及实现方法，特别是涉及一种核电站控制系统半物理仿真平台设计及实现方法。
背景技术
随着核电工业发展，核电站仿真技术逐渐深入应用到核电工业中，从20世纪到现在，计算机技术、控制与信息技术不断发展并且越来越成熟，核电站控制也由原先的传统模拟仪表控制向全数字仪控及先进控制室系统技术过渡，然而目前核电站仿真系统大多数的研究方面是以纯计算机为主，这种纯模拟方式是将控制系统模型、热工模型仿真都交给计算机来实现，计算机建模很难将仿真对象的特性完全体现出来，特别是控制系统的仿真。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种核电站控制系统半物理仿真平台设计及实现方法，其能够将工业DCS组态和机柜应用到核电站控制系统仿真平台，使得核电站控制系统仿真平台可以更加接近实际DCS现场控制模型，可以用对控制系统进行优化设计以及验证分析，还可以对核电站仪控系统进故障模式及影响进行分析，能更加真实的模拟核电厂控制系统与核电厂控制对象之间的各种稳态和动态特性。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种系统半物理仿真平台设计的实现方法，其包括以下步骤：
步骤一、建立热工模型；热工模型通过实时交互数据库为控制系统模型以及实物DCS系统提供仿真对象参数；
步骤二、建立控制系统模型；完成其它控制系统的仿真，并通过实时交互数据库与热工模型进行数据交互；
步骤三、组建实物DCS系统；实物DCS系统作为控制系统的一部分，能够通过实时交互数据库与热工模型进行交互，为仿真平台提供核电站主要控制系统的仿真；
步骤四、建立实时交互数据库；所述实时交互数据库为热工模型、实物DCS系统以及控制系统模型提供数据交互平台；
步骤五、进行半实物仿真平台的核电厂各种稳态、瞬态工况调试，获得各种工况点数据，并进行初始点的保存。
优选地，所述热工模型采用安全分析程序作为模块的核心程序，对象模型包括反应堆本体、蒸汽发生器、稳压器、主泵、汽轮机、系统主要阀门和管道。
优选地，所述控制系统模型采用图形化的建模工具完成核电厂的其他控制系统建模，与实物DCS系统共同完成核电厂控制系统整体建模。
优选地，所述热工模型和控制系统模型存放在一个单独的仿真数据库，实物DCS系统需要读取或者产生的数据存放在另一个单独的DCS数据库，如果这两个数据库的信号需要相互通信则通过两个桥梁性质的数据库来进行，并且这连个桥梁数据库数据的接收、输出都是单向的。
优选地，所述半实物物理仿真平台的核电厂主要采用实物DCS系统实现，其余对象采用计算仿真，构建了具备实际DCS系统特性的半实物物理仿真平台。
优选地，所述实物DCS系统采用分布式控制柜，分布式控制柜内安装有传输控制装置、电源、以太网交换机、I/O控制站，实现数据采集、数据处理、回路控制和通信。
优选地，所述实物DCS系统利用开放冗余的工业以太网和现场总线作为系统的通讯网络，其实时数据网用于连接传输控制装置与人机接口，负责实时数据的广播、报警、设备状态通告、传递组态信息、控制指令。
优选地，，所述实物DCS系统设有虚拟变量和I/O模件，虚拟变量和I/O模件实现仿真模型和实物DCS系统中仿真数值信号和真实物理信号间的信号转换和通信。
优选地，所述半物理仿真平台在进行瞬态调试前需要处于某一功率的稳态状态，先对核电站控制系统半实物仿真平台进行稳态调试，然后对核电站控制系统半实物仿真平台进行高功率工况下负荷阶跃降10％的瞬态工况调试，以验证此仿真平台的负荷跟踪能力和调节能力，瞬态引入以下方法：通过改变汽轮机主蒸汽阀门开度，改变汽机负荷，从而让反应堆核功率跟踪汽机负荷的变化，可以对核电站仪控系统进故障模式及影响进行分析。
本发明的积极进步效果在于：本发明将工业DCS组态和机柜应用到核电站控制系统仿真平台，重点关注的核电厂主要控制系统采用实物DCS系统实现，使得核电站控制系统仿真平台可以更加接近实际DCS现场控制模型，可以用对控制系统进行优化设计以及验证分析，还可以对核电站仪控系统进故障模式及影响进行分析，能更加真实的模拟核电厂控制系统与核电厂控制对象之间的各种稳态和动态特性。本发明以计算机仿真平台为基础，在计算机仿真平台上嵌入实物DCS系统，实物DCS系统实现核电厂主要控制系统，核电厂系统仿真模型实现核电厂的主要对象模拟。实物DCS系统与热工模型以及控制系统仿真模型(除实物控制器外)通过数据库进行数据和信号的交互，实现核电厂控制系统半物理实时仿真。本发明将工业DCS组态和机柜应用到核电站控制系统仿真平台，提高了仿真平台的真实性，为实际的核电厂控制系统调试、优化、验证以及故障分析提供了依据。
附图说明
图1为本发明的所述的半物理仿真平台总体示意图。
图2为本发明的所述实物DCS系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1至图2所示，本发明核电站控制系统半物理仿真平台设计及实现方法包括以下步骤：
步骤一、建立热工模型；热工模型可以通过实时交互数据库为控制系统模型以及实物DCS系统提供仿真对象参数；
步骤二、建立控制系统模型(除实物控制器外)，完成其它控制系统的仿真，并通过实时交互数据库与热工模型进行数据交互；
步骤三、组建实物DCS(分布式控制)系统，实物DCS系统作为控制系统的一部分，能够通过实时交互数据库与热工模型进行交互，为仿真平台提供核电站主要控制系统的仿真；
步骤四、建立实时交互数据库，所述实时交互数据库为热工模型、实物DCS系统以及控制系统模型(除实物控制器外)提供数据交互平台；
步骤五、进行半实物仿真平台的核电厂各种稳态、瞬态工况调试，在前述四个步骤构建的仿真平台上进行各种稳态和瞬态工况调试，获得各种工况点数据，并进行初始点的保存。方便各种稳态工况下进行负荷阶跃变化、线性变化及甩负荷等瞬态工况模拟，以验证核电站半实物仿真平台控制系统的响应特性。
由于采用了实物DCS系统，DCS机柜里面的控制运算是实时进行的，因此核电站控制系统半物理仿真平台采用实时仿真模式，与核电厂控制系统实际运行保持一致，仿真结果更具真实性。
所述热工模型采用安全分析程序作为模块的核心程序，对象模型包括反应堆本体、蒸汽发生器、稳压器、主泵、汽轮机等主要设备及系统主要阀门和管道。
所述控制系统模型采用图形化的建模工具(如Simulink)完成核电厂的其他控制系统建模，与实物DCS(分布式控制)系统共同完成核电厂控制系统整体建模。实物DCS系统(模拟核电厂主要控制系统)和计算机仿真实现的控制系统(模拟其它控制系统)共同形成了核电厂全部控制系统的仿真模拟，这样既实现了控制系统仿真范围的完整性，又实现了关键控制系统的实物仿真。
所述热工模型和控制系统模型(除实物控制器)存放在一个单独的仿真数据库，实物DCS(分布式控制)系统需要读取或者产生的数据存放在另一个单独的DCS(分布式控制)数据库，如果这两个数据库的信号需要相互通信则通过两个桥梁性质的数据库来进行，并且这连个桥梁数据库数据的接收、输出都是单向的，确保仿真数据库和DCS数据库数据存储和读取时不会冲突。实物DCS系统与热工模型以及控制系统仿真模型(除实物控制器外)通过实时数据库进行数据和信号的交互，实现核电站控制系统半物理实时仿真平台。在实现过程中，热工模型和控制系统模型采用的是分布式并行计算方式，即需要控制好各模块的仿真计算顺序和时间步长。在仿真时间控制模式上，核电站控制系统半物理仿真平台采用实时性仿真模式。对于仿真平台，用户可以进行的干预有：暂停、恢复开始、启动、终止、快照等。
实物DCS系统可实现核电厂主要控制系统的数据采集、逻辑组态、人机界面以及与实时数据库的通信等功能。实物DCS系统利用开放冗余的工业以太网和现场总线作为系统的通讯网络，其实时数据网用于连接传输控制装置与人机接口，负责实时数据的广播、报警、设备状态通告、传递组态信息、控制指令。实物DCS系统设有虚拟变量和I/O模件，虚拟变量和I/O模件实现仿真模型和实物DCS系统中仿真数值信号和真实物理信号间的信号转换和通信。
所述半实物仿真平台的核电厂主要控制系统采用实物DCS(分布式控制)系统实现，其余对象采用计算机仿真，构建了具备实际DCS(分布式控制)系统特性的核电厂控制系统半实物仿真平台，这样既核电厂控制系统的整体仿真又能真实的模拟重点关注的核电站主要控制系统的响应特性。
热工模型是参照国内某核电厂机组建立，包括核岛、常规岛主要对象及点堆中子动力学模型，热工模型提供实物DCS系统和控制系统模型所需要的核电厂过程参数，热工模型仿真程序采用分组并行计算模式，即所有的仿真程序都有一个序号，来标示其所分的组，程序按照组号执行，即第一组程序运行一个步长，然后第二组运行同样的步长，依次类推，而同一组内的所有程序需要全部计算完后才会收到执行命令，热工模型可以根据实时性的要求进行合理分组计算，确保整个仿真系统的实时性。
本发明完成实物DCS系统实现的主要控制系统以外其他控制系统建模，控制系统模型输入为热工模型计算得到的温度、压力、流量、功率、液位等过程参数，控制逻辑和控制算法参考核电厂设计文件建立，最终输出控制指令给核电厂的热工模型，实现核电厂主要控制系统的逻辑组态、人机界面、数据传输和通信等功能，具体控制系统包括稳压器压力和水位控制系统、冷却剂平均温度控制系统、反应堆功率控制系统、蒸汽发生器水位控制系统、汽轮机负荷控制系统等，以稳压器压力控制系统为例，介绍稳压器压力控制系统的建模，将工业DCS组态和机柜应用到核电站控制系统仿真平台，使得核电站控制系统仿真平台可以更加接近实际DCS现场控制模型。
实物DCS系统采用分布式控制柜，分布式控制柜内安装有传输控制装置、电源、以太网交换机、I/O控制站，实现数据采集、数据处理、回路控制和通信等功能，分布式控制柜的I/O输入模件采集现场I/O信号，按照所设计的控制策略进行运算处理，其结果通过I/O输出模件，直接控制现场机构或阀门，实物DCS系统的网络系统利用开放冗余的工业以太网和现场总线作为系统的通讯网络，其实时数据网用于连接控制装置与人机接口，负责实时数据的广播、报警、设备状态通告、传递组态信息、控制指令，其每台机柜都设置冗余XCU，分主控和副控，当主控正常运行时候，副控实时跟踪主控的组态状态，机柜与人机界面站通过网线连接，机柜除了通过I/O模件接受信号外还可以接受网线传输进来的信号，在仿真时间控制模式上，半实物仿真平台必须要采用实时模式，因为实际DCS机柜里面的控制运算是时刻进行的，不能够被人工干预暂停，可以用对控制系统进行优化设计以及验证分析。
实时交互数据库中数据传输规则采用如下定义：热工模型和控制系统模型(除实物控制器外)产生或者需要读取的数据存放在仿真数据库这个库里面，实物DCS系统需要读取或者产生的数据存放在DCS数据库这个数据库里面，如果这两个数据库的信号需要相互通信则通过DCS桥接数据库DCS桥接DCS这两个桥梁性质的数据库来进行，并且这连个桥梁数据库数据的接收、输出都是单向的，例如从控制模块产生一个控制输出信号A，热工模型需要读取到A来进行计算，人机界面也要显示A这个控制信号，那么，需要在数据定义库里面添加信号A，使控制模块可以输出，热工模块可以读取到这个信号，DCS桥接DCS点目录编辑里面也都需要添加A，以使得人机界面可以显示控制模块输出的信号A。
半物理仿真平台在进行瞬态调试前需要处于某一功率的稳态状态，先对核电站控制系统半实物仿真平台进行稳态调试，然后对核电站控制系统半实物仿真平台进行高功率工况下负荷阶跃降10％的瞬态工况调试，以验证此仿真平台的负荷跟踪能力和调节能力，瞬态引入以下方法：通过改变汽轮机主蒸汽阀门开度，改变汽机负荷，从而让反应堆核功率跟踪汽机负荷的变化，可以对核电站仪控系统进故障模式及影响进行分析。
综上所述，本发明将工业DCS组态和机柜应用到核电站控制系统仿真平台，使得核电站控制系统仿真平台可以更加接近实际DCS现场控制模型，可以用对控制系统进行优化设计以及验证分析，还可以对核电站仪控系统进故障模式及影响进行分析。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种核电站控制系统半物理仿真平台设计的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、建立热工模型；热工模型通过实时交互数据库为控制系统模型以及实物DCS系统提供仿真对象参数；
步骤二、建立控制系统模型；完成其它控制系统的仿真，并通过实时交互数据库与热工模型进行数据交互；
步骤三、组建实物DCS系统；实物DCS系统作为控制系统的一部分，能够通过实时交互数据库与热工模型进行交互，为仿真平台提供核电站主要控制系统的仿真；
步骤四、建立实时交互数据库；所述实时交互数据库为热工模型、实物DCS系统以及控制系统模型提供数据交互平台；
步骤五、进行半实物仿真平台的核电厂各种稳态、瞬态工况调试，获得各种工况点数据，并进行初始点的保存。
2.如权利要求1所述的核电站控制系统半物理仿真平台设计及实现方法，其特征在于，所述热工模型采用安全分析程序作为模块的核心程序，对象模型包括反应堆本体、蒸汽发生器、稳压器、主泵、汽轮机、系统主要阀门和管道。
3.如权利要求1所述的核电站控制系统半物理仿真平台设计及实现方法，其特征在于，所述控制系统模型采用图形化的建模工具完成核电厂的其他控制系统建模，与实物DCS系统共同完成核电厂控制系统整体建模。
4.如权利要求1所述的核电站控制系统半物理仿真平台设计及实现方法，其特征在于，所述热工模型和控制系统模型存放在一个单独的仿真数据库，实物DCS系统需要读取或者产生的数据存放在另一个单独的DCS数据库，如果这两个数据库的信号需要相互通信则通过两个桥梁性质的数据库来进行，并且这连个桥梁数据库数据的接收、输出都是单向的。
5.如权利要求1所述的核电站控制系统半物理仿真平台设计及实现方法，其特征在于，所述半实物物理仿真平台的核电厂主要采用实物DCS系统实现，其余对象采用计算仿真，构建了具备实际DCS系统特性的半实物物理仿真平台。
6.如权利要求1所述的核电站控制系统半物理仿真平台设计及实现方法，其特征在于，所述实物DCS系统采用分布式控制柜，分布式控制柜内安装有传输控制装置、电源、以太网交换机、I/O控制站，实现数据采集、数据处理、回路控制和通信。
7.如权利要求1所述的核电站控制系统半物理仿真平台设计及实现方法，其特征在于，所述实物DCS系统利用开放冗余的工业以太网和现场总线作为系统的通讯网络，其实时数据网用于连接传输控制装置与人机接口，负责实时数据的广播、报警、设备状态通告、传递组态信息、控制指令。
8.如权利要求1所述的核电站控制系统半物理仿真平台设计及实现方法，其特征在于，所述实物DCS系统设有虚拟变量和I/O模件，虚拟变量和I/O模件实现仿真模型和实物DCS系统中仿真数值信号和真实物理信号间的信号转换和通信。
9.如权利要求1所述的核电站控制系统半物理仿真平台设计及实现方法，其特征在于，所述半物理仿真平台在进行瞬态调试前需要处于某一功率的稳态状态，先对核电站控制系统半实物仿真平台进行稳态调试，然后对核电站控制系统半实物仿真平台进行高功率工况下负荷阶跃降10％的瞬态工况调试，以验证此仿真平台的负荷跟踪能力和调节能力，瞬态引入以下方法：通过改变汽轮机主蒸汽阀门开度，改变汽机负荷，从而让反应堆核功率跟踪汽机负荷的变化，对核电站仪控系统进故障模式及影响进行分析。
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