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摘 要：核电站模拟机数字化仪控系统有多种仿真实现方式，相比于福清1号模拟机的虚拟仿真和实物仿真的实现方式，2号模拟机采用的全防仿真方式，在满足模拟机标准的前提下，节约了成本，缩短了项目开发时间。该文着重分析了福清2号模拟机的逻辑控制层level1和人机界面监控层level2的DCSFSS全仿技术的实现，简单介绍了国产化（48×24）mm马赛克盘台、全仿技术的技术难点，结合现场应用情况，从精度、逼真度、稳定性、经济性、维护方面分析福清1、2号模拟机的优缺点，两台模拟机相互参考，取长补短，提出了优化改进建议，可供后续其他模拟机项目的开发参考。
关键词：全范围模拟机 模拟机数字化仪控系统 仿真
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（c）-0070-03
Abstract：There ara a few ways of the simulation for the digtal control system of the full scope simulator，compared with the emulation and the stimulation of the Fuqing 1#FSS，the fully simulation of the 2# FSS can not only meet the simulator standard but also save the cost，shorten the development time of the project. This paper focuses on the analysis of the DSCFSS technical ，which include the logic control level and human machine interface level of the 2#FSS. Introduces the nationalization（48x24mm）mosaic panel、 the difficulty of the fully simulation. Finally， combining the practical application， the paper analyses the advantages and disadvantages of the two sets of simulator about the accuracy， fidelity， stability， economy， and maintenance. and put forward the suggestion for improvement after two simulator refer each other， which can offer the reference for other project.
Key Words：Full scope simulator；DCSFSS；Simulation
核电厂全范围模拟机（FSS）融合了反应堆工程、热工水力、电气工程、自动化和计算机等领域的技术有“虚拟核电厂之称”，实现了对核电厂工艺系统、仪控系统以及人机界面系统、盘台的仿真，使操纵人员能在模拟主控室观察到模拟电厂的信息，依据电厂规程操作能得到与实际机组相同的响应。作为核电工程建设主路径上的关键设备，它主要用于操纵员的培训和取照，提高核电运行人员的素质和能力，确保核电站安全可靠的运行，还可以作为V&V平台，用于对电站设计改进与机组变更的验证。福清核电站模拟机数字化仪控系统（简称DCSFSS）的实现是模拟机的关键技术之一[1]。
全范围模拟机DCSFSS分为3层：（1）Level0：工艺系统层，模拟现场各类测量仪表，如温度、压力、流量等传感器，以及现场执行器，如泵、阀门、电动机等；（2）Level1：逻辑控制层level，周期执行控制运算，控制和监视电厂的不同系统；（3）Level2：人机界面监控层，是操纵员实现人机交互，对电厂进行操作和监视的设备。
1 DCSFSS几种实现方式
目前，DCSFSS的仿真通常采用实物仿真、虚拟仿真、翻译仿真、模拟仿真几种方式[2]。其中实物仿真时采用实际DCS的硬件和软件来实现DCS的仿真，该方案能实现与DCS一致的控制逻辑或人机界面；虚拟仿真方案是实际DCS组态运行在虚拟的DCS平台，该平台具有DCS组态平台和模拟机特有的功能；模拟仿真就是在基于仿真平台上的通用逻辑和控制模型工具、动态图形开发工具以及针对DCS一些特殊功能库和动态图形库开发的专用模型工具，在专用模型工具的支持下，实现对实际DCS的仿真，是在设计参数的基础上进行控制逻辑和人机界面的建模；翻译仿真是基于仿真平台开发与DCS功能库、動态图形一致的专用模型工具，并开发组态翻译软件，将实际DCS组态翻译到仿真平台上。实物仿真和虚拟仿真采用的都是实际的DCS组态，1号模拟机DCSFSS采用的实物和虚拟两种仿真技术来实现，称之为半仿，而模拟仿真和翻译仿真没有直接采用DCS组态数据，通常也称为全仿，福清第二台模拟机DCSFSS的实现是基于模拟仿真和翻译仿真结合的全仿技术方案[3]。
2 DCS全仿技术的应用
2.1 国产化DCS仿真技术方案
软件系统由CNPO开发，DCS的仿真实现如下。
Level1：安全级采用模拟仿真技术实现，由CNPO用建模工具SimGen图形建模；非安全级用翻译仿真技术实现，由翻译软件IATranfer来翻译1号模拟机的IA组态数据，装载入模型服务器。
Level2：采用模拟仿真技术实现，具体是由专业组态软件DcsConf完成过程控制画面及组态，由CNPO采用Qt软件自主开发二层平台。 盘台：无纸记录仪、部分开关、按钮、指示灯、报警灯、钥匙等标准组件由国外采购，其余部分由国内仪表生产商供货。
2.2 Level1逻辑控制层的实现
安全级DCS控制逻辑采用的是模拟仿真的技术，依据是控制逻辑图，利用CNPO建模工具Simgen针对DCS特殊功能库和动态图形库开发专用的模型工具，进行控制逻辑和人机界面的建模，根据DCS系统设计参数的IO点清单，在模型图添加与其他仿真系统的接口，生成相应的DCS仿真模型接口变量，装载入工艺系统模型来实现与其他模拟机系统的数据交换。
非安全级组态数据量大，采用的是翻译仿真的技术来实现，即采用IA组态专用翻译软件IATranfer将导出iccptr文件中不同类型Block进行分解，将组态数据转换Fortran代码，为Level1的Block的每个输入输出和运算步骤（step）生成一个变量名，在模型数据库dbm中为其定义，根据关键字生成代码段；用Fortran语言重新为有调用的有内部算法的block控制模块编写程序代码整合到代码中，实现对IA组态的模拟。将生成代码装入模型服务器与模型一起参与运算，并可在模型调试工具isd下观察其每一步的计算结果。
综上所述，福清2号模拟机DCSFSS Level1的特别之处就是使用软件IATranfer翻译来自1号机的非安全级组态数据，在虚拟仿真和模拟仿真技术上采用了翻译仿真折中的方案。
2.3 level2人机界面监控层的实现
人机界面监控层的过程控制画面采用模拟仿真的技术实现，即采用工控组态软件DcsConf来开发的二层过程控制画面和数据组态，将visio格式的设计文件直接导入、转换为DcsConf软件格式的过程控制画面文件。而对于少量没有visio输入文件的画面则通过手动绘制图形组态完成。
在DCSConf的标准部件库中并没有模拟机DCS一些特殊功能库和动态图形库专用模型工具，需要扩充开发动态部件库以及过程画面中的静态部件和导航链接等库部件。
利用导出的数据点对XML文件进行配置，在二层显示工作站和数据处理服务器上生成数据库变量，将生成对点文件放在模型主机，实现OWP与模型主机上运行的Level1和工艺系统模型的数据交换。
2.4 盘台的仿真
福清2号模拟机用国产化（24 mm×48 mm）马赛克盘台替代进口盘台。国外采购方案造价高，后续维护和技术支持难以保障[4]。考虑到模拟机整体造价和进度控制的需求，针对2#模拟机盘台国产化的可行性，FQNPC联合CNPO进行了调研，调研结果说明，国内制造商的盘台、马赛克工艺能满足核电模拟机盘台的要求，盘装设备可以通过国内已有的渠道采购。结合调研结果和CNPO既往工程经验分析，福清2#模拟机后备盘国产化方案是可行的，通过该项目的实施，可以进一步提高电厂设备的国产化率，并可以显著降低FSS总体价格。盘台国产化在设计上也有更多灵活性，比如对接口机箱的机构进行了优化设计，2号模拟机盘台设计中采用分布式接口机箱，厂家将接口系统布置在盘柜内部，模型主机与接口机箱通过网线相连，缩短了信号线之间的距离，降低了布线工作量和节约了成本的同时为前期的开发调试和后期的维护带来了很大的便利；2号模拟机数码显示表采用串口通讯方式，避免了1号模拟机数显表的数据采集误差和显示误差，保持模型服务器中的数据和盘台仪表显示完全一致，同时，减少了123个AO模块，降低设备故障概率。
3 1、2号模拟机比较
（1）从精度和逼真度分析，2号模拟机采用的全仿技术实现的DCSFSS系统，相比1号模拟机采用的Emulation和Stimulation的仿真技术，虽然能满足模拟机标准，但精度和逼真度要低于1号模拟机。
（2）在运行性能上，1号模拟机自2012年4月投入运行以来，运行状况比较稳定，除有时出现OWP单组黑屏（后台重启即可恢复），基本上不会给培训造成影响。而2号模拟机发生黑屏卡屏通讯故障的频率高于1号模拟机，DCSFSS二层平台稳定性低于1号模拟机。
（3）成本上，2号模拟机由于硬件结构简单，总包商CNPO采用全仿的技术方案实现，开发、采购等工作均在国内完成，降低了成本。
（4）从维护角度1号模拟机启停需要20～30 min、复位IC需要3～5 min，若出现运行异常，恢复时间也比较久。2号模拟机采用全仿的方式，设备硬件数量大幅度降低，系统结构也较为简单，启停模拟机10 min左右，复位IC不到1 min，异常恢复迅速。
4 1、2号模拟机优化改进
针对使用中的1、2号模拟机性能和今后模拟机的发展前景，结合文章对2号模拟机DCS全仿技术的分析和两台模拟机性能对比，提出优化改进建议如下。
1号机系统优化改进，由于1号模拟机硬件结构复杂，关键设备多，对任一关键设备故障导致模拟机不可用，且有的机器是定制机器，一旦停产对今后模拟机带来严重不可用影响，为提高可用性、提高维护性有必要进行改造。参考2号模拟机硬件系统结构，将8台FSIM集成到1台服务器上、将5台二层服务器集成到1台服务器上。
2号模拟机由于翻译后的是Fortran代码，查找问题较1号机复杂，维护难度相对较高，借鉴1号模拟机的经验，开发Level1图形化维护界面。
功能改进：集成严重事故模拟机，目前国内仅有岭澳二期在全范围模拟机基础上集成了成熟的严重事故分析程序MAAP5，其他均为单独的严重事故模拟机，且是小范围的；借鉴岭澳二期方案对1、2号模拟机进行功能改进。
5 结语
福清2号模拟机自2013年10月份投用至今，总体运行情况良好，其DCS全仿技术的优点为国内其他电厂起到了积极的借鉴意义，也可以作为后续模拟机项目的参考，部分技术如国产化盘台已开始在实际电厂中应用。由于测试不充分、机组数据资料不健全、偏差处理不及时等各种原因，2号模拟机仍存在不少的缺陷和偏差，仍然需要进行测试和改进来进一步完善DCS仿真系统。在“模拟机界”有一种观点：好的模拟机不是造出来的，而是调出来的。这说明了模拟机的性能好坏，很大程度取决于对模拟机的调试工作[5]。笔者由此相信，2号模拟机经过不断地完善和改进，将会达到用户满意的状态。
参考文献
[1] 魏来，陈森.核电站DCS仿真三种实现形式探讨[J].中国核电，2010，3（2）：152-154.
[2] 福建福清核电厂3、4号机组全范围模拟机设备技术规格书[S].
[3] Richard H.Hill.Simulation，emulation，&translation[J].Simulation，1968（10）：81-84.
[4] 魏挺.CPR1000核电厂全范围培训模拟机技术特点与性能分析[J].核电工程与技术，2012（4）：1-6.
[5] 王晓星，庄进，吴毅.核电厂全范围模拟机调试和测试进度安排优化浅谈[C]//2011核能行業仿真技术及应用研讨会.2011.
关键词：全范围模拟机 模拟机数字化仪控系统 仿真
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（c）-0070-03
Abstract：There ara a few ways of the simulation for the digtal control system of the full scope simulator，compared with the emulation and the stimulation of the Fuqing 1#FSS，the fully simulation of the 2# FSS can not only meet the simulator standard but also save the cost，shorten the development time of the project. This paper focuses on the analysis of the DSCFSS technical ，which include the logic control level and human machine interface level of the 2#FSS. Introduces the nationalization（48x24mm）mosaic panel、 the difficulty of the fully simulation. Finally， combining the practical application， the paper analyses the advantages and disadvantages of the two sets of simulator about the accuracy， fidelity， stability， economy， and maintenance. and put forward the suggestion for improvement after two simulator refer each other， which can offer the reference for other project.
Key Words：Full scope simulator；DCSFSS；Simulation
核电厂全范围模拟机（FSS）融合了反应堆工程、热工水力、电气工程、自动化和计算机等领域的技术有“虚拟核电厂之称”，实现了对核电厂工艺系统、仪控系统以及人机界面系统、盘台的仿真，使操纵人员能在模拟主控室观察到模拟电厂的信息，依据电厂规程操作能得到与实际机组相同的响应。作为核电工程建设主路径上的关键设备，它主要用于操纵员的培训和取照，提高核电运行人员的素质和能力，确保核电站安全可靠的运行，还可以作为V&V平台，用于对电站设计改进与机组变更的验证。福清核电站模拟机数字化仪控系统（简称DCSFSS）的实现是模拟机的关键技术之一[1]。
全范围模拟机DCSFSS分为3层：（1）Level0：工艺系统层，模拟现场各类测量仪表，如温度、压力、流量等传感器，以及现场执行器，如泵、阀门、电动机等；（2）Level1：逻辑控制层level，周期执行控制运算，控制和监视电厂的不同系统；（3）Level2：人机界面监控层，是操纵员实现人机交互，对电厂进行操作和监视的设备。
1 DCSFSS几种实现方式
目前，DCSFSS的仿真通常采用实物仿真、虚拟仿真、翻译仿真、模拟仿真几种方式[2]。其中实物仿真时采用实际DCS的硬件和软件来实现DCS的仿真，该方案能实现与DCS一致的控制逻辑或人机界面；虚拟仿真方案是实际DCS组态运行在虚拟的DCS平台，该平台具有DCS组态平台和模拟机特有的功能；模拟仿真就是在基于仿真平台上的通用逻辑和控制模型工具、动态图形开发工具以及针对DCS一些特殊功能库和动态图形库开发的专用模型工具，在专用模型工具的支持下，实现对实际DCS的仿真，是在设计参数的基础上进行控制逻辑和人机界面的建模；翻译仿真是基于仿真平台开发与DCS功能库、動态图形一致的专用模型工具，并开发组态翻译软件，将实际DCS组态翻译到仿真平台上。实物仿真和虚拟仿真采用的都是实际的DCS组态，1号模拟机DCSFSS采用的实物和虚拟两种仿真技术来实现，称之为半仿，而模拟仿真和翻译仿真没有直接采用DCS组态数据，通常也称为全仿，福清第二台模拟机DCSFSS的实现是基于模拟仿真和翻译仿真结合的全仿技术方案[3]。
2 DCS全仿技术的应用
2.1 国产化DCS仿真技术方案
软件系统由CNPO开发，DCS的仿真实现如下。
Level1：安全级采用模拟仿真技术实现，由CNPO用建模工具SimGen图形建模；非安全级用翻译仿真技术实现，由翻译软件IATranfer来翻译1号模拟机的IA组态数据，装载入模型服务器。
Level2：采用模拟仿真技术实现，具体是由专业组态软件DcsConf完成过程控制画面及组态，由CNPO采用Qt软件自主开发二层平台。 盘台：无纸记录仪、部分开关、按钮、指示灯、报警灯、钥匙等标准组件由国外采购，其余部分由国内仪表生产商供货。
2.2 Level1逻辑控制层的实现
安全级DCS控制逻辑采用的是模拟仿真的技术，依据是控制逻辑图，利用CNPO建模工具Simgen针对DCS特殊功能库和动态图形库开发专用的模型工具，进行控制逻辑和人机界面的建模，根据DCS系统设计参数的IO点清单，在模型图添加与其他仿真系统的接口，生成相应的DCS仿真模型接口变量，装载入工艺系统模型来实现与其他模拟机系统的数据交换。
非安全级组态数据量大，采用的是翻译仿真的技术来实现，即采用IA组态专用翻译软件IATranfer将导出iccptr文件中不同类型Block进行分解，将组态数据转换Fortran代码，为Level1的Block的每个输入输出和运算步骤（step）生成一个变量名，在模型数据库dbm中为其定义，根据关键字生成代码段；用Fortran语言重新为有调用的有内部算法的block控制模块编写程序代码整合到代码中，实现对IA组态的模拟。将生成代码装入模型服务器与模型一起参与运算，并可在模型调试工具isd下观察其每一步的计算结果。
综上所述，福清2号模拟机DCSFSS Level1的特别之处就是使用软件IATranfer翻译来自1号机的非安全级组态数据，在虚拟仿真和模拟仿真技术上采用了翻译仿真折中的方案。
2.3 level2人机界面监控层的实现
人机界面监控层的过程控制画面采用模拟仿真的技术实现，即采用工控组态软件DcsConf来开发的二层过程控制画面和数据组态，将visio格式的设计文件直接导入、转换为DcsConf软件格式的过程控制画面文件。而对于少量没有visio输入文件的画面则通过手动绘制图形组态完成。
在DCSConf的标准部件库中并没有模拟机DCS一些特殊功能库和动态图形库专用模型工具，需要扩充开发动态部件库以及过程画面中的静态部件和导航链接等库部件。
利用导出的数据点对XML文件进行配置，在二层显示工作站和数据处理服务器上生成数据库变量，将生成对点文件放在模型主机，实现OWP与模型主机上运行的Level1和工艺系统模型的数据交换。
2.4 盘台的仿真
福清2号模拟机用国产化（24 mm×48 mm）马赛克盘台替代进口盘台。国外采购方案造价高，后续维护和技术支持难以保障[4]。考虑到模拟机整体造价和进度控制的需求，针对2#模拟机盘台国产化的可行性，FQNPC联合CNPO进行了调研，调研结果说明，国内制造商的盘台、马赛克工艺能满足核电模拟机盘台的要求，盘装设备可以通过国内已有的渠道采购。结合调研结果和CNPO既往工程经验分析，福清2#模拟机后备盘国产化方案是可行的，通过该项目的实施，可以进一步提高电厂设备的国产化率，并可以显著降低FSS总体价格。盘台国产化在设计上也有更多灵活性，比如对接口机箱的机构进行了优化设计，2号模拟机盘台设计中采用分布式接口机箱，厂家将接口系统布置在盘柜内部，模型主机与接口机箱通过网线相连，缩短了信号线之间的距离，降低了布线工作量和节约了成本的同时为前期的开发调试和后期的维护带来了很大的便利；2号模拟机数码显示表采用串口通讯方式，避免了1号模拟机数显表的数据采集误差和显示误差，保持模型服务器中的数据和盘台仪表显示完全一致，同时，减少了123个AO模块，降低设备故障概率。
3 1、2号模拟机比较
（1）从精度和逼真度分析，2号模拟机采用的全仿技术实现的DCSFSS系统，相比1号模拟机采用的Emulation和Stimulation的仿真技术，虽然能满足模拟机标准，但精度和逼真度要低于1号模拟机。
（2）在运行性能上，1号模拟机自2012年4月投入运行以来，运行状况比较稳定，除有时出现OWP单组黑屏（后台重启即可恢复），基本上不会给培训造成影响。而2号模拟机发生黑屏卡屏通讯故障的频率高于1号模拟机，DCSFSS二层平台稳定性低于1号模拟机。
（3）成本上，2号模拟机由于硬件结构简单，总包商CNPO采用全仿的技术方案实现，开发、采购等工作均在国内完成，降低了成本。
（4）从维护角度1号模拟机启停需要20～30 min、复位IC需要3～5 min，若出现运行异常，恢复时间也比较久。2号模拟机采用全仿的方式，设备硬件数量大幅度降低，系统结构也较为简单，启停模拟机10 min左右，复位IC不到1 min，异常恢复迅速。
4 1、2号模拟机优化改进
针对使用中的1、2号模拟机性能和今后模拟机的发展前景，结合文章对2号模拟机DCS全仿技术的分析和两台模拟机性能对比，提出优化改进建议如下。
1号机系统优化改进，由于1号模拟机硬件结构复杂，关键设备多，对任一关键设备故障导致模拟机不可用，且有的机器是定制机器，一旦停产对今后模拟机带来严重不可用影响，为提高可用性、提高维护性有必要进行改造。参考2号模拟机硬件系统结构，将8台FSIM集成到1台服务器上、将5台二层服务器集成到1台服务器上。
2号模拟机由于翻译后的是Fortran代码，查找问题较1号机复杂，维护难度相对较高，借鉴1号模拟机的经验，开发Level1图形化维护界面。
功能改进：集成严重事故模拟机，目前国内仅有岭澳二期在全范围模拟机基础上集成了成熟的严重事故分析程序MAAP5，其他均为单独的严重事故模拟机，且是小范围的；借鉴岭澳二期方案对1、2号模拟机进行功能改进。
5 结语
福清2号模拟机自2013年10月份投用至今，总体运行情况良好，其DCS全仿技术的优点为国内其他电厂起到了积极的借鉴意义，也可以作为后续模拟机项目的参考，部分技术如国产化盘台已开始在实际电厂中应用。由于测试不充分、机组数据资料不健全、偏差处理不及时等各种原因，2号模拟机仍存在不少的缺陷和偏差，仍然需要进行测试和改进来进一步完善DCS仿真系统。在“模拟机界”有一种观点：好的模拟机不是造出来的，而是调出来的。这说明了模拟机的性能好坏，很大程度取决于对模拟机的调试工作[5]。笔者由此相信，2号模拟机经过不断地完善和改进，将会达到用户满意的状态。
参考文献
[1] 魏来，陈森.核电站DCS仿真三种实现形式探讨[J].中国核电，2010，3（2）：152-154.
[2] 福建福清核电厂3、4号机组全范围模拟机设备技术规格书[S].
[3] Richard H.Hill.Simulation，emulation，&translation[J].Simulation，1968（10）：81-84.
[4] 魏挺.CPR1000核电厂全范围培训模拟机技术特点与性能分析[J].核电工程与技术，2012（4）：1-6.
[5] 王晓星，庄进，吴毅.核电厂全范围模拟机调试和测试进度安排优化浅谈[C]//2011核能行業仿真技术及应用研讨会.2011.