CN204790550U - 一种基于仿真系统的核电dcs平台测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于仪器仪表自动化控制技术领域，具体涉及一种基于仿真系统的核电DCS平台测试装置。该装置包括模型服务器，运行包括化学和容积控制系统在内的全部系统仿真模型；上位机，功能为通讯配置，运行监视控制画面；通讯服务器，实现现场采集控制器与模型服务器的数据通讯，其端口A连接下层交换机，端口B连接上层交换机；模型服务器连接上层服务器1口、上位机连接模型服务器2口、通讯服务器连接上层交换机3口；现场采集控制器1-8连接下层交换机1-8口。本实用新型解决以往硬件仿真技术没有经过建模而无法实现仿真核电站实际物理、工艺过程控制的问题，同时解决逻辑测试无法实现按照工艺控制要求进行测试的问题。

Description

一种基于仿真系统的核电DCS平台测试装置

技术领域

本实用新型属于仪器仪表自动化控制技术领域，具体涉及一种基于仿真系统的核电DCS平台测试装置。

背景技术

核电厂数字化控制系统DCS作为核电机组的关键设备，是核电站的重要组成部分，核电DCS包括控制系统、保护系统、安全停堆系统、保障系统和辅助系统等几个部分，各部分组合一起完成核电站工艺过程的自动化控制功能，其功能及性能水平在很大程度上影响了整个核电机组的安全可靠、经济运行。

核电DCS平台是否能够满足核电厂复杂工艺要求，实现大数据量准确、高效的监视和控制功能，需要在工厂设计完成后运行一定规模的实际工程，通过模拟DCS在实际核电现场的工作情况来验证其硬件和软件集成的正确性和完整性、对设计输入文件执行的准确性、功能和性能是否满足核电相关工艺、标准、法规要求等，并且能够将在测试过程中发现的问题尽早在工厂设计阶段解决。

由于核电DCS在工厂设计阶段没有核电厂现场设备层(L0系统)，无法执行实际的核电工艺过程，所以必须搭建测试装置模拟L0系统协助DCS系统测试。目前L0系统设计一般分为软件仿真和硬件仿真，软件仿真方法：(1)在现场控制层(L1层)的组态里将控制命令经过一定延时的方式实现设备反馈；(2)使用通讯的方式调用OPC、DDE接口实现设备反馈；(3)在操作员站或工程师站调用组态工具的动态链接库实现设备状态反馈。硬件仿真方法主要是通过硬接线的方式模拟现场设备反馈信号注入到DCS系统中，如：使用继电器搭建电路模拟现场设备反馈；使用PLC、虚拟仪器等通用的可编程的信号发送采集设备来模拟现场设备反馈。基于以上软、硬件实现的L0系统仿真在DCS系统测试中缺点如下：使用软件(1)的方法需要改变实际的DCS组态工程，测试完成后需要回复实际的组态工程，难免带来二次错误，并且不符合质量计划中要求，无法保证被测系统的完整和正确性；软件方法(2)(3)在仿真系统规模大的情况下会影响操作员站的负荷，影响和性能测试的正确性。硬件仿真技术通过硬接线发送和采集信号模拟实际现场设备，不会对DCS系统造成影响，并且可编程控制器PLC或者虚拟仪器NI设备可以使用编程来模拟整个L0系统，和L1层实现1:1的连接，但是由于没有核电厂物理模型，无法得到现场设备各参数值，无法实际反映现场工况变化过程，只是简单的模拟单个设备的状态反馈及采用阶跃函数模拟PID控制回路反馈。

以往在检验DCS对工程设计输入文件执行的准确性的测试用例设计上，采用的是分析单个设备的逻辑功能，设计设备的保护开关、自动开关、手动开关等逻辑输入条件和相应的输出状态的真值表。此种测试方法设计的真值表无法识别实际工艺过程，产生两种问题：(1)针对单个设备进行测试，仅仅触发设备的一种开关状态查看其反馈状态，没有反映复杂的工艺过程下各设备动作过程及其联锁状态；(2)遍历所有的组合条件(实际工艺不产生)，大量增加测试成本。

发明内容

本实用新型的目的在于通过搭建一套基于核电仿真系统的核电DCS平台测试装置进行DCS平台的测试方法研究，解决以往硬件仿真技术没有经过建模而无法实现仿真核电站实际物理、工艺过程控制的问题，同时解决逻辑测试无法实现按照工艺控制要求进行测试的问题。

为达到上述目的，本实用新型所采取的技术方案为：

一种基于仿真系统的核电DCS平台测试装置，包括模型服务器，运行包括化学和容积控制系统在内的全部系统仿真模型；上位机，功能为通讯配置，运行监视控制画面；通讯服务器，实现现场采集控制器与模型服务器的数据通讯，其端口A连接下层交换机，端口B连接上层交换机；模型服务器连接上层服务器1口、上位机连接模型服务器2口、通讯服务器连接上层交换机3口；现场采集控制器1-8连接下层交换机1-8口。

所述的现场采集控制器包括IO板卡、通讯板卡和通讯底板，IO板卡和通讯板卡插在通讯底板上实现IO板卡和通讯板卡的通讯功能，通讯板卡通过网口连接到下层交换机实现与通讯服务器进行数据交换。

所述化学和容积控制系统包括：8个现场控制站、数据服务器、计算服务器、历史服务器、工程师站、操作员站1、操作员站2、POP大屏、网络设备；8个控制站通过一层环网交换机连接到一层控制网，数据服务器配置4个网卡，两块冗余网卡连接到一层环网，两块冗余网卡连接到二层环网，计算服务器和历史服务器通过二层环网交换机连接到二层网络，工程师站、操作员站1、操作员站2、POP大屏通过二层交换机连接到二层网络。

所述现场采集控制器：DI点165个，一块DI卡24通道，共使用7块卡；DO点47个，一块DO卡24通道，共使用2块卡；AO点6个，一块AO卡12通道，共使用1块卡；AI点31个，一块AI卡8通道，共使用4块卡；共需要14块IO板卡，配置8套现场采集控制器。

本实用新型所取得的有益效果为：

本实用新型采用拥有多年仿真技术研究和工程经验开发出的全范围模拟机，利用其建立的实际核电厂物理模型作为测试装置的软件模型。

本实用新型通过选择全范围仿真系统(全范围仿真系统是根据国家核安全局的要求定期对操作员进行应急、事故操作培训而设计的一套基于仿真技术的系统)实现仿真核电站各设备的数学模型、模拟核电站物理、工艺和控制过程，满足DCS系统测试中L0系统的功能要求，全范围仿真系统能够模拟核电厂的稳态功率运行，从热备用到额定功率之间启动和停机，以不同速度升降功率，反应堆跟踪外负荷以及冷启动、冷停堆等操作。

本实用新型通过搭建一定规模的实际DCS系统，运行一定规模的实际工程，然后根据该系统的工艺要求设计测试用例，实现对DCS平台进行系统级别的功能及性能测试。

本实用新型网络结构为上、下层网络。上层网络包括模型服务器、上位机、交换机，实现集中的监视与控制功能；下层网络包括通讯服务器、交换机、现场采集控制器，实现模拟现场仪表信号发送和接收DCS控制信号功能。此种网络结构设计实现集中管理，并且实现方便、灵活扩展，规模可以满足整个DCS系统测试要求。

本实用新型通过选择合适的现场采集控制器实现和DCS系统1:1对接，现场采集控制器包括IO板卡和通讯板卡和通讯底板，IO板卡和通讯板卡插在通讯底板上实现IO板卡和通讯板卡的通讯功能。通讯板卡通过网口连接到下层交换机实现与通讯服务器进行数据交换。IO板卡包括模拟量输入输出板卡、数字量输入输出板卡、脉冲信号输出板卡。模拟量信号包括：电流输入、电压输入、热电偶输入、热电阻输入、电流采集、电压采集；数字量信号包括：模拟继电器输入、采集无源开关信号、高低电压输入(高电压24V或48V)、采集电压；根据测试要求，选取相应的板卡类型，再根据实际的信号点个数，配备相应的板卡个数；

本实用新型通过配置通讯服务器与模型服务器为客户端与服务器模式，通讯服务器接收、存储模型服务器发来的输入数据，并且在控制器需要时将这些数据以一定的格式封装后发至控制器进行逻辑运算；通讯服务器接收、存储现场采集控制器逻辑运算的输出数据，在现场采集控制器每个周期输出完成后，将这么输出数据发送至模型服务器。即通讯服务器相当于网关，将以太网和DP总线数据相互转换后，分别发给控制器和模型服务器。同时设计通讯检测与报警功能，实现监视通讯服务器与模型服务器的连接状态、通讯服务器与模型服务器的连接状态的实时监视功能。

本实用新型能在测试装置的上位机上实时监视L0系统各设备的实际状态，并且有自动运行和手动强制两种操作模式。手动模式方便测试开展前期的调试工作，自动模式适用于稳定的工艺测试工作。

附图说明

图1为基于仿真系统的核电DCS平台测试装置结构图；

图2为基于仿真系统的核电DCS平台测试方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，基于仿真系统的核电DCS平台测试装置包括模型服务器，运行包括RCV系统在内的全部系统仿真模型；上位机，主要功能为通讯配置，运行监视控制画面；通讯服务器，实现现场采集控制器与模型服务器的数据通讯，其端口A连接下层交换机，端口B连接上层交换机。模型服务器连接上层服务器1口、上位机连接模型服务器2口、通讯服务器连接上层交换机3口。现场采集控制器1-8连接下层交换机1-8口，一台下层交换机可以连接15个现场采集控制器。现场采集控制器包括IO板卡和通讯板卡和通讯底板，IO板卡和通讯板卡插在通讯底板上实现IO板卡和通讯板卡的通讯功能，通讯板卡通过网口连接到下层交换机实现与通讯服务器进行数据交换。

如图2所示，基于仿真系统的核电DCS平台测试方法包括：测试装置配置，测试装置与被测系统连接，测试用例设计，测试执行等。

(一)测试装置配置包括，步骤一：在模型服务器中配置系统软件变量与硬件IO点之间的映射关系。步骤二：根据现场采集信号量纲及量程和是实际控制参数量纲及量程，编制各物理信号值与工程量值的转换表。步骤三：环境配置，主要包括操作系统设置、数据库接口变量定义，IO接口工具软件系统设置。

(二)测试装置与被测系统采用1:1的硬接线连接方式，步骤一：被测系统选择化学和容积控制系统(RCV系统)，它在反应堆的启动、停运及正常运行过程中都起着十分重要的作用，它为反应堆冷却剂系统的水容积控制、化学控制和反应性控制提供了手段。由于RCV系统的重要性及复杂性，在验证全厂DCS系统之前，设计并搭建RCV系统作为验证系统，可以比较代表性的反应DCS系统设计的正确性和完整性。RCV系统中的信号及其它相关信号都有L0系统的相应信号匹配。步骤二：搭建RCV系统，包括：8个现场控制站、数据服务器、计算服务器、历史服务器、工程师站、操作员站1、操作员站2、POP大屏、网络设备等；8个控制站通过一层环网交换机连接到一层控制网，数据服务器配置4个网卡，两块冗余网卡连接到一层环网，两块冗余网卡连接到二层环网，计算服务器和历史服务器通过二层环网交换机连接到二层网络，工程师站、操作员站1、操作员站2、POP大屏通过二层交换机连接到二层网络。包括工艺系统流程图画面8幅、报警功能、趋势显示功能、日志功能等，集成后的RCV系统结构图如图1中DCS系统所示。步骤三：根据RCV系统测试点个数搭建测试装置，现场采集控制器：DI点165个，一块DI卡24通道，共使用7块卡；DO点47个，一块DO卡24通道，共使用2块卡；AO点6个，一块AO卡12通道，共使用1块卡；AI点31个，一块AI卡8通道，共使用4块卡；共需要14块IO板卡，配置8套现场采集控制器；步骤四：接线设计，端接表是测试环境搭建过程中、测试过程中重要依据文件，更是测试设计中的一个重要工作内容。考虑到接线的简洁性与系统的经济型，端子类型设计统一为输出端为无源信号，输入端内部供电方式；模拟量统一采用4-20mA电流信号输入输出，其它类型信号修改相应的配置文件即可，不影响系统的测试工作。端接表中测试装置和被测试系统中需要点配置信息如下表所示：

根据上表所示每一个信号点所需要的配置信息多达20个左右，如果人工进行填写工作量大、出错率高，并且测试工作是整个平台设计、工程设计工作的下游工作，上游设计的变更会导致测试人员大量的修改工作，为了提高测试工作效率和质量，设计一种自动填写工具，此自动填写工具使用EXCEL表格内部函数功能，根据每种信号的接线端定义、机柜布置规则等进行填写信息设计。将上游设计文件如IOlist等文件的信息导入到表格模板中，L0端和L1端的相应配置信息即可自动生成。

(三)测试用例设计包括，步骤一：总结工艺要求，根据电厂系统与设备相关资料、调试规程相关资料、核电厂检修与维护相关资料、核电厂相关标准等，总结出被测系统的工艺要求；步骤二：分类测试功能，根据被测系统的工艺要求及限制条件，确定出测试功能；步骤三：确定输入工况，根据每种测试功能的要求，确定每种触发条件的输入变量和各变量的输入值；步骤四：确定判定准则，根据工艺要求确定每种工况的判定准则即各种工况所涉及的设备、传感器等的输出值。

(四)测试执行包括，步骤一：确认测试装置与被测系统的通讯建立，根据用户名和密码登入测试装置上位机，通过输入设定的IP地址和密码登入到通讯服务器，点击通讯连接按钮，然后点击变量强制按钮测试通讯服务器和现场采集控制器的通讯是否建立，如果通讯未建立，则查看硬件连接及软件配置后，再进行通讯连接检查。步骤二：启动模型服务器，通过输入设定的IP地址和密码登入模型服务器，停止正在运行的进程(无论是否在运行)，确认所有进程停止后，上载进程，进程上载完成后自动弹出主程序界面。步骤三：工艺系统模型主程序操作，包括：模式选择，初始工况选择，工艺系统选择，打开RCV系统显示画面，开始运行。手动控制设备动作可以通过软件中工具—>数据库—>按设备代号查找，找到相应的设备控制点，然后根据测试要求强制成“1”、“0”或模拟量工程量值。步骤四：根据测试用例，在模型主程序中和L1被测试系统流程图画面中设置测试初始工况；根据测试用例操作步骤，强制各种设备动作、参数变化或控制过程；查看L1被测试系统流程图画面、报警列表、趋势曲线等画面的预期响应是否与测试用例判定标准一致。

测试方法实施例一：

介绍一个具体的工艺用例设计和测试执行过程，此种方法设计测试用例进行测试，不仅能测试出组态与设计输入不一致的问题，更能检测出功能设计输入的问题。以RCV系统下泄的隔离与投运操作为例，设计一种以核电站现场实际调试经验为基础的测试用例。设计测试用例要掌握被测系统在核电厂实现的功能，根据电厂系统与设备相关资料、调试规程相关资料、核电厂检修与维护相关资料、核电厂相关标准等，总结出被测系统的工艺要求。以RCV系统为例，总结RCV系统下泄的隔离与投运要求、RCV系统下泄的投运顺序要求如下。

RCV系统下泄的投运顺序要求：

(1)应先投运上充，再投下泄，以确保下泄流有充分的冷却；

(2)上充投运：全关046VP，开启048、050VP，逐步开启046VP，将上充流量加至至少6m3/h，以确保下泄的冷却；

(3)下泄投运：先开启010VP，以避免010VP关闭引起下泄孔板下游的超压，再开启02、03VP，最后视情况投运下泄孔板(07、08、09VP)，目的是避免02、03VP开启时，02、03VP下游出现汽化现象；

RCV系统下泄的隔离与投运要求：

(1)PZR水位LOW3(10％)时自动关闭02/03/07/08/09VP，以隔离下泄,以避免一回路水装量的减少。07/08/09VP关闭响应时间较02/03VP快，避免001EX内汽化。

(2)02RF下游温度达57℃时，旁路除盐床触发报警，以保护树脂床；达109.5℃时，关闭02/03VP，隔离下泄，避免013VP下游降压后汽化。

(3)CIA信号出现时，自动关闭安全壳隔离阀RCV03/10VP；

(4)010VP未全开时闭锁03/07/08/09VP的开启，以避免下泄孔板下游超压；

(5)07/08/09VP关闭状态时才能对02/03VP进行操作；02/03VP全开时方可打开07/08/09VP，以避免产生汽化现象；

(6)048VP关闭或050/227VP都关闭，或上充管线压力低，则07/08/09VP自动关闭且闭锁打开；

根据以上工艺要求，设计测试用例包括自动隔离下泄管线功能、安注信号和CIA信号时系统的响应、泄管线相关阀门闭锁功能等8种功能测试用例，每种功能包括多种输入工况，如自动隔离下泄管线功能中包括上充管线压力低、下泄管线温度高、稳压器低低水位等工况。下表为自动隔离下泄管线测试用例。

测试方法实施例二：雪崩测试

根据雪崩测试要求，L0系统通过在通讯服务器端执行测试程序，在一定时间内发送一定规模的数字量信号和模拟量信号，检验DCS系统在雪崩工况下，性能是否满足设计要求。

本实用新型端接表设计考虑到各种类型信号L0端和L1端的接线方式，实现自动化配置功能，通过输入上游设计文件的IO表单，实现L0端和DCS端接线信息自动生成功能，可以提高因上游设计更改或者测试需求更改而需要更改端接表的工作效率。

本实用新型通过在测试装置的上位机中设计程序实现变量的批量处理，模拟核电站现场大量信号变化状态，配合DCS系统进行雪崩测试。

Claims (4)

1.一种基于仿真系统的核电DCS平台测试装置，其特征在于：包括模型服务器，运行包括化学和容积控制系统在内的全部系统仿真模型；上位机，功能为通讯配置，运行监视控制画面；通讯服务器，实现现场采集控制器与模型服务器的数据通讯，其端口A连接下层交换机，端口B连接上层交换机；模型服务器连接上层服务器1口、上位机连接模型服务器2口、通讯服务器连接上层交换机3口；现场采集控制器1-8连接下层交换机1-8口。

2.根据权利要求1所述的基于仿真系统的核电DCS平台测试装置，其特征在于：所述的现场采集控制器包括IO板卡、通讯板卡和通讯底板，IO板卡和通讯板卡插在通讯底板上实现IO板卡和通讯板卡的通讯功能，通讯板卡通过网口连接到下层交换机实现与通讯服务器进行数据交换。

3.根据权利要求1所述的基于仿真系统的核电DCS平台测试装置，其特征在于：所述化学和容积控制系统包括：8个现场控制站、数据服务器、计算服务器、历史服务器、工程师站、操作员站1、操作员站2、POP大屏、网络设备；8个控制站通过一层环网交换机连接到一层控制网，数据服务器配置4个网卡，两块冗余网卡连接到一层环网，两块冗余网卡连接到二层环网，计算服务器和历史服务器通过二层环网交换机连接到二层网络，工程师站、操作员站1、操作员站2、POP大屏通过二层交换机连接到二层网络。

4.根据权利要求1所述的基于仿真系统的核电DCS平台测试装置，其特征在于：所述现场采集控制器：DI点165个，一块DI卡24通道，共使用7块卡；DO点47个，一块DO卡24通道，共使用2块卡；AO点6个，一块AO卡12通道，共使用1块卡；AI点31个，一块AI卡8通道，共使用4块卡；共需要14块IO板卡，配置8套现场采集控制器。