核电厂全范围模拟机DCS通讯设计与性能验证

能验证

摘要：DCS系统的引进给核动力仿真系统的研制带来了新的课题和新课题。文章主要从通讯原理与结构、接口设计、超时控制、碰撞反馈等几个方面来设计和实现全范围核电厂仿真器 DCS的虚拟通讯接口，并对通讯数据进行了测试。全范围仿真实验结果表明，采用 TCP/IP技术的 DCS虚拟通讯接口具有较好的通讯品质和实时性，能够满足整个仿真系统的功能与性能需求。

关键词：核电厂；全范围模拟机；DCS通讯设计 引言

随着数字仪器的控制和模拟技术的发展，虚拟 DCS已经成为开发大型核电厂模拟系统的重要手段。虚拟 DCS的目的是使 DCS系统之外的其他系统能够以特定的方式重现 DCS系统，并保留 DCS系统的软件、硬件结构、设置方法、算法模块和系统控制等。因此，虚拟 DCS与模拟支持平台的通讯接口是实现全范围模拟系统工程的重要技术，也是实现全范围模拟系统工程的重要手段。

一、通讯原理

基于虚拟 DCS的核电厂仿真系统是指实际电厂 DCS系统中所使用的Level0，Level1，Leve12。Leve10层是以执行机构和传感器为基础的现场控制层；Leve11是工艺控制层，由反应堆保护系统、 F/G控制系统、数据采集系统组成；Level2层为运行监视，包含了主控制室的 KIC、 BUP等人机互动的功能。DCS系统的虚拟软件是由真实 DCS系统转化而来，按使用情况划分为非安全级和安全级。该系统在保留原有的系统结构、配置方法、算法模块、系统控制等基础上，加入模拟命令、数据处理、数据存储、故障模拟等专用功能，这些功能都与模拟模块的通讯界面紧密相连[1]。

二、功能设计

（一）指令与状态模式

第一，准备模式。在系统完成后，对各个软件进行初始化。在此状态下，系统的逻辑是闲置的，只有通讯接口才能继续监控，直到被叫醒。

第二，冻结模式。这时，系统所有的软件都已经完成了通信或 IC存储/重置，系统软件正在等待新的指令。

第三，运行模式。完成当前指令后，系统中各个软件的状态。此时，模拟系统中的模拟和 DCS之间会定期地进行分组交换，所有的软件功能、逻辑和算法均处于实时状态。

第四，回放模式。这一模式与以前的运行方式基本一致，只是模拟器在特定的时刻转换为运行状态，而学员和教员的一举一动都会被模拟出来。在此模式下，仍能实现实时数据的运行与交换。

（二）数据格式与点表

模拟系统与 DCS之间的通讯采用了包头+包体的方式。包头部分包括模拟时间，模拟指令， IC号等专用信息。所述包体部件与所述实际装置的通讯架构相一致。因此，模拟模式与 DCS系统共用同一 I/O数据。

虚拟 DCS输入输出数据是根据 DCS的实际配置数据而产生的，该文件中含有输入输出变量的相关信息，为用户提供了数据的一致性。DCS会根据模拟模型与 DCS的数据进行匹配，将其输入输出数据进行分析，并将其转化为数据库格式，由模拟平台进行识别。利用共享存储机制，模拟系统中的模型变量与 DCS变量间的模拟关系。

（三）通信时序

通过模拟模型和 DCS进行交互，DCS响应。所有模拟指令的传送和应答总是依次传送。

通讯周期包括两个模拟循环，分别表示 DCS在整个通讯过程中的命令执行次序。在模拟模块和 DCS虚拟系统完成通信、复位 IC、同步运行状态的同时，系统启动了第一个模拟循环。首先，在模拟终端上的通讯程序进行接收。因为 DCS尚未传送资料，所以在这个时候，接收功能是不会收到资料的。在超过设置的时间之后，发送功能将被执行。这个程序需要在 DLL中包含命令和模型输入，并把它传送给 DCS。DCS在接收到数据后，会立即向模拟模型反馈指令和数据。在第二次模拟循环中，模拟模式仍在进行， DCS通讯接口程序一直在等待，直至第二次模拟循环结束，也就是 DCS通讯循环的末尾。进入第二个通讯循环，再进行传输与接收。这时，模拟 DCS接口程序能够接收上一次通讯周期内 DCS系统发出的响应指令及数据。模拟系统在 DCS确认接收到的信息和信息后，会立刻发出新的指令，接着进入等待状态，直至下一次通讯周期的终止。按照该机制， DCS通讯和模拟模式的接收不在相同的通讯周期中进行，也就是说，在 DCS系统的前一周期中，每一次从模拟模式收到的数据都会被发送[2]。

上述指令顺序是指一系列的指令，通常 DCS会立刻回复，但是，若模拟指令涉及 IC的运行，例如储存 IC，接收到的反馈信息将会比较长，这取决于 DCS的运行所耗费的虚拟时间。为了确保系统的正常工作， DCS在接到命令后，会在后立地启动与 IC存储器相关的线程任务，并将其送回模拟模型，直至任务结束。

（四）超时控制

实时性是模拟系统性能的一个重要指标，模拟模型直接影响到一个完整的实时模拟系统的性能。其中，实时通讯的性能是影响仿真系统性能的重要因素。DCS通讯接口的编制，以 Socket的同步呼叫模式进行。该方法既要智能地设定接收功能的超时，又要防止由于通讯中断而造成的平台运行超时和死锁，又要确保模拟模型能够完全接收到所有的数据。为了解决此问题，必须设定不同的模拟指令的接收超时。一般情况下，不同的模拟指令会有几毫秒至数十秒的超时，而这些超时的持续时间视背景中的指令数量而定，为了保证两个系统都处于同步状态的等待。

（五）异常反馈机制

DCS通讯接口应能准确地汇报通讯中的不正常状况，从而将操作中出现的问题及时反馈给模拟师和操作人员。通过这种方法，模拟模型和 DCS可以对各个通信周期中的分组进行检测和评价。若内容与期望不符，请立即将错误代码退回，并将其写入到日志中。为了保证仿真数据的精确度，通讯将被中断。

异常信息有三种类型。一是异常的命令。这种故障主要是 DCS对数据包的分析异常，如指令执行超时、指令执行失败、 I/O数据不一致等。二是故障信息是通过 Socket TCP包中的 DLL来定义的，例如内存溢出，缓冲区异常，对端强制关闭等等。三是在 DCS系统中，如果发生了一些不正常的故障，比如计算服务器故障、历史服务器故障等等。

三、性能测试

通讯系统的效能主要取决于通讯效能与通讯品质。首先，交流的效率取决于交流的速度。最直观的观测指标是在模拟循环中 DCS界面程序的持续时间。其次，由于数据传输和接收时所造成的分组丢失是影响网络通讯质量的重要因素。计算出的通信丢包率是：所接收的报文）/所传送的报文报文x1008。

试验采用ACPR1000全范围仿真系统的数据和周围环境，模拟服务器是联想SR650，采用3.4 GHz的 CPU，采用 Window Server 2016的千兆网络设备。虚拟 DCS系统主要有：HOLLIAS_MACS不安全液位系统、 FirmSys安全液位系统、 DSC、严重事故系统 SCA以及以 SpeedHold为基础的 PGU系统。该模拟模型在规定的通信循环中，对5个 DCS进行5次发送，5次接收。

为了避免其它运行模块对测试数据的影响，在进行测试时仅保留了与通讯、值转移有关的部分。给出了模拟系统和虚拟 DCS通讯的循环时间。保持了47-48 ms的动态特性，并且具有很好的实时性和实时性。演示模拟和虚拟 DCS之间的数据丢失率。其发展趋势基本为0，曲线光滑，表明了系统之间的通讯品质优良，无数据包丢失[3]。

为了确保仿真的精确性，仿真系统将严格遵循所设置的仿真循环，也就是在系统中的实时运行。若采用非实时性方式，则会使系统呈现快速运行方式，从而使整个系统的整体提速和模拟 DCS通讯资料的传输。DCS虚拟系统因 DCS逻辑操

作负荷过大，不能对计算进行及时的响应，造成了严重的数据丢失，严重的通信故障，需要慎重采用。

结语

TCP是面向连接的高可靠性通讯协议。它是一种集成了整个仿真系统的虚拟 DCS系统的通讯技术。该协议具有再确认、重传、阻塞等控制机制，能够有效地实现与 DCS的数据交换。实验结果表明，采用 TCP技术所开发的 DCS通讯接口方案可以很好地满足大型核动力仿真器的数据采集和多系统通讯的功能和性能，其设计思想与真实 DCS十分类似，今后还可以进一步扩大到闭环 DCS的半物理验证。

参考文献：

[1]潘超祥,刘宁宁. 核电厂全范围模拟机DCS模拟方案选择[J]. 原子能科学技术,2014(z2):1073-1077.

[2]连瑞娜. DCS全仿技术在核电厂全范围模拟机中的应用[J]. 科技创新导报,2016(3):70-72.

[3]徐大望,杨振,葛剑,等. 核电站全范围仿真模拟机系统设计与实现[J]. 中国仪器仪表,2021(3):-59.