核电DCS控制逻辑的离线重构及应用

于景瑞

摘要：作为信息技术、控制技术和网络技术高度结合的产物，数字化仪控系统被广泛应用于核电项目中。历经数十年的技术革新和应用积淀，核电厂数字化仪控系统朝着更加精益、高效的方向发展，对系统运行可靠性提出更高要求。通讯网络作为数字化仪控系统的重要组成，承载着系统内部大量的数据传递任务，是实现核电厂工艺系统及设备监视和控制功能的核心环节。通讯网络所基于的工业以太网技术特点、运行原理、可靠性逐渐成为在建电厂数字化仪控系统设计选型的要素，也势必成为数字化仪控系统可靠性提升领域的热点议题。

关键词：DCS;离线构建;有向图;缩点;拓扑排序

引言

一般地，核电数字化控制系统（DCS）使用专用软件进行控制逻辑的组态及显示，这些软件依赖于机组特定软硬件环境，可操作终端数量有限，无法满足各专业人员频繁查询分析DCS控制逻辑的需求，软件接口封闭无法利用计算机进行进一步的辅助分析。因此，如何对机组接口封闭和结构孤立的DCS在线控制逻辑，进行离线重构且最大限度保持其原有控制细节，成为解决问题的关键。本文针对核电DCS控制逻辑的结构特点，提出了基于有向图模型的DCS控制逻辑离线构建和存储方法，并给出了2个典型应用场景，可为进一步DCS控制逻辑相关的计算机辅助分析应用提供一种简单、开放和准确的数据源输入。

1核电站DCS系统

在我国核电站的仪表及控制系统中，大多新建电站采用全数字化DCS（Distributed Control System）技术，即过程控制级分散配置。在本课题中，整个DCS系统由适用于非安全相关仪控系统（Operational I & CSystem）和安全相关仪控系统（Safety I & C System）两部分组成，主要用于监测和控制核电厂释热和电能生产的主要和辅助过程，完成对常规岛除汽轮机本体控制系统外的常规控制系统及反应堆控制系统（RRC）、反应堆保护系统（RPS）及反应堆堆芯控制系统（CCS）的控制。在所有运行模式包括应急情况下，维持电厂的安全性、可操作性和可靠性，并且在正常运行工况下保证电厂的经济性。根据核电站的仪表及控制系统需实现的功能要求，整个系统划分为四个处理层级：LEVEL0-I/O层，过程仪表层，即现场各类测量仪表及现场执行器;LEVEL1-过程控制层，AS620自动化控制级，即能自动，独立实现电站控制及保护功能的设备;LEVEL2-操作监视层，OM690人-机接口级，即操纵员实现人机对话，对电站进行操作和监视的设备;LEVEL3-高级应用（信息管理）层，来自DCS系统的电站信息平台。

2数据提取及处理

2.1数据提取

DCS控制逻辑的数据来源可以是Visio格式的设计文件，也可是实际机组的备份数据。编写提取程序识别数据并根据数据库表结构填充各个字段。为最大限度获取DCS逻辑控制细节，节约后续应用子图处理时间，需对结点和边进行处理，主要包括边的权值更新、节点出入度更新、子图强连通分量计算及其缩点简化、确定性拓扑排序等内容。

2.2数字孪生

通过公有云，给新建电厂进行建模仿真、虚拟的生产调试，同时使用多个电厂的数据，利用中国核电公有云服务器进行计算和建模迭代。电厂的各个物理传感器会产生大量的数据，公有云对这些实际数据应用机器学习等方法进行分析，是实现主动响应、事故溯源、预测性维护等数字孪生信息反馈功能的重要技术。例如，生产性能的数字孪生可以对生产过程中出现的事故等实际情况进行数据提取，通过机器学习与数值模拟验证等方式实现原因分析，并针对事故原因提出设计改进方案

2.3协议识别

根据SINECH1协议的网络协议模型可知，该协议的网络层是无效的，这就意味着在网络中传输的数据流是没有IP及端口信息的，只能通过MAC地址对通讯设备进行标识。故传统的基于端口的协议识别方法显然不能满足SINECH1协议识别，只能通过基于负载的协议识别方法对SINECH1协议进行识别。基于负载的协议识别方法的本质为通过识别报文内应用层负载关键字，对协议进行初步识别，其可以快速、准确地对已知协议进行识别，是目前应用范围较为广泛、较为主流的协议识别方法。

3 DCS离线控制逻辑数据库应用

3.1远程监控和预测性维修

通过读取各个核电厂的传感器或者控制系统的各种实时参数，构建可视化的远程监控并给予采集的历史数据，构建层次化的部件、子系统乃至整个设备的健康指标体系，并使用人工智能实现趋势预测。基于预测的结果，对维修策略以及备品备件的管理策略进行优化，降低和避免因为非计划停堆带来的损失。

3.2网络结构及设置优化

合理规划子环网络范围和关键网络节点设置，对优化传输路径、降低通讯负荷和提升网络故障容错性意义重大。在上述网络故障导致非停事件的经验反馈中，网络结构及配置存在不合理之处：“闪断闪连”故障所在子环网络范围过大，其下连接有40对AP控制器，承载着全厂60%以上的自动控制器通讯任务;同时，冗余上行链路交换机和RM交换机采用紧邻设置，位置分布不合理。上述因素叠加，致使“闪断闪连”故障期间超过半数以上AP控制器通讯中断，大范围设备及其信号失去监视。

结束语

网络化控制系统是未来核电厂发展的趋势之一，是实现智慧核电的关键性平台，但其所应用的如时间敏感性网络、集群化服务器、控制层面的无线通信、底层控制设备的网络化等支撑技术尚不成熟，其经济性、可靠性还需要通过不断调研与实践加以充分论证。因此，建议将已经通过验证的新技术，先开展小规模试点，待其可靠性和经济性得到验证后，逐步推广到全厂乃至整个行业。

参考文献

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