一种核电厂数字化仪控验证系统及其方法
技术领域
本发明涉及核电厂控制技术领域，具体涉及一种核电厂数字化仪控验证系统及其方法。
背景技术
DCS系统由于具有可靠性、稳定性等优点，近年来在核电厂中得到广泛应用。但是，DCS系统在工厂测试以及现场调试过程中存在着不少测试盲区，不可能完全覆盖测试出系统缺陷。DCS系统本身的缺陷以及运维人员对DCS系统认知的盲点可能会造成DCS在运维过程中出现一些常见的运行事件，严重情况下会造成非计划停堆。近年来中核集团核电厂多次发生的非计划停堆事件，通过分析，多数原因是与DCS系统有关。因此，为了保证核电厂安全稳定的运行，急需搭建一个与实际机组平行的DCS验证系统，用于对核电厂DCS改造升级或试验方案进行验证，对以往发生的事件分析，为DCS系统日常运行维护提供指导，排查DCS系统存在的安全隐患，还可以用于核电厂相关人员的技能训练，为核电厂安全稳定运行保驾护航。
必要性
目前核电厂常见的验证系统有全范围模拟机、DCS最小系统、设计验证平台。模拟机主要是用于对主控室运行操作人员的电厂系统和运行规程培训。DCS最小系统由于没有工艺系统仿真模型，不能构成控制闭环环境，而且很多仪控功能都是简化的最小配置，无法对DCS控制系统功能实施全面验证。设计验证平台不针对特定DCS系统，是对设计院的设计文件进行验证。故此，现有的验证平台无法对DCS系统本身的功能和性能进行验证。本发明运用虚拟控制站技术和工艺仿真模型技术，模拟了核电厂全范围DCS控制系统和现场工业设备及流网。在虚拟控制站中下装机组DCS工程数据，仿真模型运行参考机组现场工艺设备及流网模型，形成控制闭环环境，能够有效地、全面地验证机组DCS控制系统。还能完成信息安全检查、防御、优化的研究；完成DCS故障工况的复现和分析；完成DCS软件更改或升级方案的验证。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结核电厂数字化仪控验证系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
一种核电厂数字化仪控验证系统，包括仿真模型层、控制逻辑层以及人机界面层，其中，
(1)仿真模型层，其配置成基于人机界面层发出的操作指令模拟核电厂机组运行并生成运行数据，所述仿真模型层包括仿真核电厂机组工艺系统的仿真模型服务器；
(2)控制逻辑层，其配置成接收人机界面层发送的操作指令以及访问仿真模型层，并响应所述操作指令进行相应的业务逻辑处理，业务逻辑处理包括基于所述运行数据实时计算分析核电厂机组工况、测量所述工况偏差和校正DCS组态逻辑和参数，并基于校正后的DCS组态逻辑和参数生成核电厂机组运行控制指令，控制逻辑层包括，
DCS一层控制系统，其包括运行核电厂机组控制逻辑组态的安全级仪控系统、非安全级仪控系统以及第三方仪控系统，其中，所述安全级仪控系统包括1E级虚拟控制器和用于通信的第一交换单元，所述非安全级仪控系统包括NC级虚拟控制器和用于通信的第二交换单元，所述第三方仪控系统包括第三方虚拟控制器和用于通信的第三交换单元，
AW接口服务器，其通讯连接所述第一交换单元、第二交换单元和第三交换单元，
前置服务器，其通讯连接所述AW接口服务器，
HST/ALM/MTK/AW/CSA服务器，其配置成历史库、报警、时钟、AW工程师站和CSA站，所述HST/ALM/MTK/AW/CSA服务器通讯连接所述DCS一层控制系统和所述AW接口服务器；
(3)人机界面层，其配置成发送操作指令到控制逻辑层，并且接收控制逻辑层返回的处理结果，所述人机界面层包括，
人机界面，其配置成实现相应的人机交互操作，并将相应的操作指令发送给非安全级仪控系统以及第三方仪控系统，并且接收返回的处理结果，
安全级DCS人机界面，其配置成实现相应的人机交互操作，并将相应的操作指令发送给安全级仪控系统，并且接收返回的处理结果。
所述的核电厂数字化仪控验证系统中，核电厂数字化仪控验证系统还包括验证控制层，其配置成生成核电厂机组故障信息并发送所述控制逻辑层，控制逻辑层基于所述核电厂机组故障信息进行相应的业务逻辑处理并以生成控制指令，仿真模型层基于控制指令模拟核电厂机组运行并生成运行数据以反馈验证控制层。
所述的核电厂数字化仪控验证系统中，当核电厂数字化仪控验证系统自身出现故障时，控制逻辑层生成DCS故障信息，基于所述DCS故障信息计算分析核电厂机组工况、测量所述工况偏差和校正DCS组态逻辑和参数。
所述的核电厂数字化仪控验证系统中，核电厂数字化仪控验证系统还包括用于仿真模型层与控制逻辑层之间数据交互的数据通讯服务器。
所述的核电厂数字化仪控验证系统中，工艺系统包括模拟核岛、常规岛以及BOP部分的仿真模型单元，仿真模型服务器包括用于1:1模拟工艺系统的模拟机，所述第一交换单元包括交换机和网关设备。
所述的核电厂数字化仪控验证系统中，所述DCS一层控制系统还包括用于数据交互的ROO交换机，所述第一交换单元、第二交换单元和第三交换单元分别包括Room交换机。
所述的核电厂数字化仪控验证系统中，所述DCS一层控制系统经由第四交换单元通讯连接所述人机界面层，所述DCS一层控制系统还包括用于计算核电厂机组的设备状态的DCS二层计算服务器、历史数据服务器和实时数据服务器。
所述的核电厂数字化仪控验证系统中，人机界面层还包括，
DGS站，其通讯连接非安全级仪控系统，所述DGS站配置成离线情况下生成控制逻辑组态，
挂牌中心，其配置成锁定核电厂机组的预定设备。
根据本发明的另一方面，一种利用所述核电厂数字化仪控验证系统的仪控验证方法包括以下步骤，
第一步骤，生成操作指令，所述操作指令经由安全级DCS人机界面发送安全级仪控系统，经由人机界面发送非安全级仪控系统以及第三方仪控系统，
第二步骤，响应所述操作指令，控制逻辑层进行相应的业务逻辑处理，其中，业务逻辑处理包括基于所述运行数据实时计算分析核电机组工况、测量所述工况偏差，校正DCS组态逻辑和参数，并基于校正后的DCS组态逻辑和参数生成核电机组运行控制指令，
第三步骤，响应于所述控制指令，仿真模型层执行控制指令得到相应的处理结果，处理结果经由控制逻辑层返回人机界面层。
根据本发明的又一方面，一种利用所述核电厂数字化仪控验证系统的故障验证方法包括以下步骤，
第一步骤，生成核电厂机组故障信息并发送所述控制逻辑层，
第二步骤，响应所述核电厂机组故障信息，控制逻辑层进行相应的业务逻辑处理以生成控制指令，
第三步骤，响应于所述控制指令，仿真模型层执行控制指令得到相应的处理结果，处理结果经由控制逻辑层返回验证控制层
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述的核电厂数字化仪控验证系统通过仿真模型层模拟核电厂机组运行并生成运行数据，仿真模型层可模拟核电站现场大量信号变化状态，配合DCS系统进行各种测试，控制逻辑层响应操作指令进行相应的业务逻辑处理，DCS一层控制系统分分别设置了运行核电厂机组控制逻辑组态的安全级仪控系统、非安全级仪控系统以及第三方仪控系统，这显著提高了本发明的安全性，核电厂数字化仪控验证系统作为核电厂仪控改造、升级前的预实施平台，验证实施方案的可行性，降低由于方案论证不充分造成非停的可能性,可对以往非停事件再现分析，同时作为经验反馈，将仪控系统里类似问题进行逐项排查，在该平台上进行试验和验证，提高仪控系统维护的效率,为核电厂DCS运维人员提供技能训练的操作平台，培养DCS运维领域的专业人才。本发明是首次采用与实际运行机组1:1的控制系统，对控制系统潜在设计缺陷进行排查、对机组的DCS升级改造方案验证、对事件分析及经验反馈等提供了坚实基础。
本发明所述的核电厂数字化仪控验证系统集成了多种状态监测，包括DCS控制设备状态、交换机状态、虚拟控制器和工作站计算机状态，实现了全面监测，可以全方位指导核电厂机组控制系统的运行状态，满足精细化控制的需求，提高核电厂机组控制系统的运行可靠性；本发明根据核电机组故障信息和DCS故障信息再现故障进行验证，修改DCS组态，逐步完善DCS组态设计，减少设备故障情况的发生。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的核电厂数字化仪控验证系统的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的仪控验证方法的步骤示意图。
图3是根据本发明一个实施例的故障验证方法的步骤示意图。
图4软件结构示意图
图5软件层级关系示意图
图6信号传递关系示意图
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的核电厂数字化仪控验证系统的结构示意图，一种核电厂数字化仪控验证系统包括仿真模型层、控制逻辑层以及人机界面层，其中，
仿真模型层，其配置成基于人机界面层发出的操作指令模拟核电厂机组运行并生成运行数据，所述仿真模型层包括仿真核电厂机组工艺系统的仿真模型服务器；
控制逻辑层，其配置成接收人机界面层发送的操作指令以及访问仿真模型层，并响应所述操作指令进行相应的业务逻辑处理，业务逻辑处理包括基于所述运行数据实时计算分析核电厂机组工况、测量所述工况偏差和校正DCS组态逻辑和参数，并基于校正后的DCS组态逻辑和参数生成核电厂机组运行控制指令，控制逻辑层包括，
DCS一层控制系统，其包括运行核电厂机组控制逻辑组态的安全级仪控系统、非安全级仪控系统以及第三方仪控系统，其中，所述安全级仪控系统包括1E级虚拟控制器和用于通信的第一交换单元，所述非安全级仪控系统包括NC级虚拟控制器和用于通信的第二交换单元，所述第三方仪控系统包括第三方虚拟控制器和用于通信的第三交换单元，
AW接口服务器，其通讯连接所述第一交换单元、第二交换单元和第三交换单元，
前置服务器，其通讯连接所述AW接口服务器，
HST/ALM/MTK/AW/CSA服务器，其配置成历史库、报警、时钟、AW工程师站和CSA站，所述HST/ALM/MTK/AW/CSA服务器通讯连接所述DCS一层控制系统和所述AW接口服务器；
人机界面层，其配置成发送操作指令到控制逻辑层，并且接收控制逻辑层返回的处理结果，所述人机界面层包括，
人机界面，其配置成实现相应的人机交互操作，并将相应的操作指令发送给非安全级仪控系统以及第三方仪控系统，并且接收返回的处理结果，
安全级DCS人机界面，其配置成实现相应的人机交互操作，并将相应的操作指令发送给安全级仪控系统，并且接收返回的处理结果。
在一个实施例中，所述核电厂数字化仪控验证系统的仿真模型层可以模拟运行核电厂的各种运行工况，模拟核电厂设备的故障模式。仿真模型层可以接收DCS控制逻辑层发出的控制指令，进行设备动作，并把设备状态反馈至DCS控制逻辑。所述仿真模型服务器仿真的工艺系统包括：堆芯物理仿真模型，主回路热工水力仿真模型，工艺流程仿真模型，电气系统仿真模型，安全壳仿真模型等。
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，核电厂数字化仪控验证系统还包括验证控制层，其配置成生成核电厂机组故障信息并发送所述控制逻辑层，控制逻辑层基于所述核电厂机组故障信息进行相应的业务逻辑处理并以生成控制指令，仿真模型层基于控制指令模拟核电厂机组运行并生成运行数据以反馈验证控制层。
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，当核电厂数字化仪控验证系统自身出现故障时，控制逻辑层生成DCS故障信息，基于所述DCS故障信息计算分析核电厂机组工况、测量所述工况偏差和校正DCS组态逻辑和参数。
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，核电厂数字化仪控验证系统还包括用于仿真模型层与控制逻辑层之间数据交互的数据通讯服务器。
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，工艺系统包括模拟核岛、常规岛以及BOP部分的仿真模型单元，仿真模型服务器包括用于1:1模拟工艺系统的模拟机，所述第一交换单元包括交换机和网关设备。
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，所述DCS一层控制系统还包括用于数据交互的ROO交换机，所述第一交换单元、第二交换单元和第三交换单元分别包括Room交换机。
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，所述DCS一层控制系统经由第四交换单元通讯连接所述人机界面层，所述DCS一层控制系统还包括用于计算核电厂机组的设备状态的DCS二层计算服务器、历史数据服务器和实时数据服务器。
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，控制逻辑层是核电厂DCS控制逻辑层，包括非安全级、安全级与第三方控制逻辑。第三方控制逻辑采用模拟仿真方式实现，控制逻辑层可以接收DCS人机界面层的操作指令，进行逻辑运算后把指令发送至仿真模型层，接收模型的设备反馈状态，经过逻辑运算后反馈至DCS人机界面层显示。
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，人机界面层还包括，
DGS站，其通讯连接非安全级仪控系统，所述DGS站配置成离线情况下生成控制逻辑组态，
挂牌中心，其配置成锁定核电厂机组的预定设备。
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，核电厂DCS人机界面包括非安全级、安全级和第三方仪控系统人机界面，安全级与第三方人机界面采用模拟仿真方式实现，安全级DCS人机界面与核电厂DCS人机界面配置一致。人机界面包括OWP操作员站、DGS组态工程师站，历史站、与控制逻辑的接口站等。运行核电厂DCS人机界面的工程数据，包括流程图操作显示、报警、日志、趋势、等功能。人机界面层主要负责核电厂设备的操作，并显示设备的反馈状态。
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，如图1所示，仿真模型层以核电厂参考机组为仿真对象，1:1仿真参考机组的工艺系统，包含验证控制功能。
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，仿真模型服务器为Unit1仿真模型服务器，其运行核电厂工艺系统仿真模型程序。
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，数据通讯服务器为L1L0数据通讯服务器，其负责仿真模型与DCS系统之间的数据交互。
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，DCS一层控制系统运行电厂控制逻辑组态，其中，DCS一层控制系统包括非安全级、安全级以及第三方仪控系统，实现与运行电厂规模1:1的控制。
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，控制逻辑层的安全级、非安全级以及第三方仪控系统均采用虚拟机控制系统，控制逻辑从现场机组下载。
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，AW接口服务器为DCS1层通讯服务器；SAR为历史数据服务器；STR为实时数据服务器；CFR为前置服务器，DCS为2层通讯服务器；CCT为中心服务器，负责所有KIC数据处理；OWP为操纵员站，负责电厂操作控制和参数监视；TAGGING为挂牌中心，负责给设备挂牌；DGS为二层工程师站；
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，工艺系统模型部分包含核岛，常规岛以及BOP部分，模拟范围及精度参照全范围模拟机。
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，人机界面包括了运行机组主控室控制界面OWP,TAGGING,DGS，SVDU,以及仪控运维支持系统等。
所述的核电厂数字化仪控验证系统的一个实施例中，所述的核电厂数字化仪控验证系统通过工业以太网组网。
如图2所示，一种利用所述核电厂数字化仪控验证系统的仪控验证方法包括以下步骤，
第一步骤，生成操作指令，所述操作指令经由安全级DCS人机界面发送安全级仪控系统，经由人机界面发送非安全级仪控系统以及第三方仪控系统，
第二步骤，响应所述操作指令，控制逻辑层进行相应的业务逻辑处理，其中，业务逻辑处理包括基于所述运行数据实时计算分析核电机组工况、测量所述工况偏差，校正DCS组态逻辑和参数，并基于校正后的DCS组态逻辑和参数生成核电机组运行控制指令，
第三步骤，响应于所述控制指令，仿真模型层执行控制指令得到相应的处理结果，处理结果经由控制逻辑层返回人机界面层。
本方法通过业务逻辑处理可优化验证核电厂机组运行工况，对控制系统潜在设计缺陷进行排查、对机组的DCS升级改造方案验证、对事件分析及经验反馈等提供了坚实基础，实现了全面监测，可以全方位指导核电厂机组控制系统的运行状态，满足精细化控制的需求。
如图3所示，一种利用所述核电厂数字化仪控验证系统的故障验证方法包括以下步骤，
第一步骤，生成故障信息,所述安全级故障信息由安全级DCS人机界面生成并发送该消息至安全级仪控系统。非安全级故障信息由非安全级DCS人机界面生成并发送该消息至非安全级仪控系统和第三方仪控系统，
第二步骤，响应所述核电厂机组故障信息，仪控系统根据各自收到的故障信息，判断故障类型、识别故障级别，对故障所涉及的相关设备和影响程度分析，通过工艺设备逻辑关系和设备控制原理进行程序逻辑运算，最终生成工艺设备的控制指令，并通过通讯接口发送至工艺仿真模型层，
第三步骤，响应所述控制指令，工艺仿真模型层根据仪控系统的运行指令，依据工艺设备和流网特性，动态响应该指令。同时将工艺运响应信息返回至仪控系统，形成控制闭环。响应信息再由仪控系统返回至人机界面层。
本方法根据核电厂故障信息，实现故障工况的复现，对故障工况验证分析，总结出故障根源，为完善DCS组态设计、DCS检修提供有力的依据和方向，减少故障工况的发生。
在本发明中，还可以验证核电厂数字化仪控验证系统自身故障，故障验证方法包括以下步骤，当核电厂数字化仪控验证系统自身出现故障时，控制逻辑层生成DCS故障信息，基于所述DCS故障信息，控制逻辑层计算分析核电厂机组工况、测量所述工况偏差和校正DCS组态逻辑和参数。
本领域普通技术人员可以理解实现上述方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储器或随机存储器等。
工业实用性
本发明所述的核电厂数字化仪控验证系统及方法可以在核电厂领域制造并使用。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
