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虚拟盘台技术在核电主控室的运用

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《南方能源建设》2018年第1期

摘要:后备盘设计验证是核电站主控制室设计验证的重要内容,而仿真试验验证是设计验证的一种重要手段。采用虚拟盘台技术实现后备盘的仿真,具有多点触控操作、设计文件直接导入等特点,可以还原后备盘的画面设计并实现后备盘显示及操作的实时动态响应,完成后备盘画面布局、数值及状态显示和操作响应的仿真试验验证。基于此技术设计开发的某核电站主控制室后备盘仿真系统,已成功应用于该核电站主控制室后备盘设计的验证工作中,经测试达到了预期效果。

关键词:虚拟盘台;主控制室;后备盘;设计验证

0引言

核电站的安全运行主要是通过对主控室人机界面集中监视和控制来完成。后备盘台是现代核电站主控室的重要组成部分[1]。后备盘作为核电站计算机信息和控制系统(KIC)的后备手段,其主要功能是在当KIC不可用期间,在不同机组工况下将记住带入并维持在安全状态[2]。在核电站设计阶段,对主控制室后备盘的设计进行测试验证,可以检验其功能设计的正确性。对后备盘设计验证方式主要有文件评审、工程试验验证和仿真试验验证等方式。仿真试验验证是指利用核电站仿真技术,采用后备盘设计输出文件建立仿真人机界面,并在仿真人机界面上进行验证测试。由于测试结果直观,且对设计的响应及时,成本较低,目前仿真试验验证方式在后备盘设计验证中得到了更为广泛的应用。所谓虚拟盘台技术是指用计算机画面代替仿真对象的硬件控制盘台,包括盘台上的各种仪表、开关、按钮、光示牌等[3]。采用虚拟盘台技术实现对后备盘的仿真,可以忠实还原后备盘的画面设计,并可实现后备盘显示及操作的实时动态响应,较好地达到了后备盘仿真试验验证的效果。

1系统原理虚拟盘台

基于计算机仿真技术,通过画面仿真组态软件生成后备盘仿真画面;在大屏幕上实现后备盘仿真画面的动静态显示;通过多点触摸屏捕捉并识别操作动作,完成画面上的设备操作,以模拟主控室操纵员的操作动作;操作及显示参数通过数据通信接口与仿真数据库实现双向数据交换。虚拟盘台的系统原理如图1所示。

2系统总体架构

2.1硬件架构虚拟盘台系统

硬件架构如图2所示。虚拟盘台系统主要包含3部分硬件:1)虚拟盘台单元:虚拟盘台单元是后备盘仿真画面运行的主体,由显示操作终端和虚拟盘台工作站计算机组成,其中:每个显示操作终端由3块触控屏拼接而成,可整体显示一个盘台单元上所有的动静态信息,通过触控设备可以捕捉操纵员的操作动作,其操作及显示方式与真实盘台基本一致。显示操作终端具有三屏联动功能,可实现盘台画面整体切换。虚拟盘台工作站完成后备盘仿真画面调度运行、识别手势动作并转换成操作指令,以及与仿真服务器之间的双向数据通信功能,可向仿真服务器发送操作指令,同时接收并显示仿真服务器的运行仿真结果,包括数值显示、报警光字牌及开关状态等信息。每个虚拟盘台单元之间相互独立,单元数量可根据实际核电站盘台规模配置,并可分散布置在不同的验证场所2)仿真服务器:通过数据通信接口,接收虚拟盘台发送的操作指令,完成电厂工艺过程的仿真计算,并发送计算结果到虚拟盘台单元。3)虚拟盘台工程师站:运行后备盘画面设计导入软件、画面组态软件,用于后备盘仿真设备图库开发,后备盘画面设计文件的导入及编译,生成后备盘仿真画面。

2.2软件架构虚拟盘台系统软件

基于Rinsim仿真平台开发,包括:1)仿真支撑软件(SimBase),它是整个仿真平台的底层环境,用于调度和管理仿真模型和仿真数据库。2)仿真画面组态工具软件(SimDraw),用于后备盘仿真设备图库、后备盘仿真画面开发,以及后备盘画面设计文件的导入编译。3)仿真画面运行软件(SimHMI),用于后备盘仿真画面的显示。4)数据通信软件采用S3server及S3client。除此之外,虚拟盘台系统中还开发了触摸屏驱动软件和手势识别软件。虚拟盘台系统软件总体架构如图3所示。

3虚拟盘台设计

3.1后备盘仿真画面设计

后备盘仿真画面设计包括两部分工作:仿真设备图库、仿真画面,均采用SimDraw软件实现。仿真设备图库包括静态特性和动态特性,均须与后备盘画面设计文件中的设备图库一致。其中,静态特性包括设备ID、外观尺寸、位置、图元、背景色、前景色、字体、字号、线型等,动态特性包括闪烁、颜色变化、数值显示、旋转、弹起、按下等。设计方使用Visio软件生成后备盘画面设计文件,通过转存为VDX(XML格式)文件,可批量导入到SimDraw软件中,根据画面中设备静态信息,使用仿真设备图库进行画面重绘。重绘后的仿真画面文件经编译后,生成可由SimHMI实时调度运行的画面。每个仿真画面的图幅对应整个虚拟盘台单元,可实现盘台画面的整体显示。对应3块触控屏,整个图幅分为3个显示区域,每个区域显示范围为3840×2160pixel,图幅总尺寸为3840×6480pixel。仿真画面运行效果图如图4所示。

3.2手势识别设计

手势识别功能由触控屏驱动软件ZenTechMultiTouch和手势识别软件TuioGesture共同实现,ZenTechMultiTouch识别多点触控动作,TuioGesture负责将多点触控动作转换为相应的手势消息,提供给SimHMI进行处理。

3.3数据通信

虚拟盘台与仿真服务器之间采用C/S架构,基于TCP/IP协议实现双向数据通信。s3server运行在仿真服务器上,使用仿真支撑软件提供的接口获取和设置模型变量的值,通过TCP/IP连接,将值传递给s3client,反映在后备盘仿真画面上。s3client负责从服务器端获取变量点的数据,并将变量点的值设置到服务器端。s3client通过消息队列和SimHMI进行消息交互,使用TCP/IP协议和服务器端进行通信。SimHMI和s3client的交互关系如图5所示。s3client从服务器端获取数据的流程如图6所示。

4仿真试验效果

根据后备盘验证测试规程,对虚拟盘台系统进行了稳态数据显示测试、开关按钮操作测试、盘台整体切换测试等,并根据参考核电站的运行规程和事故规程对虚拟盘台系统进行了核电站瞬态响应测试,其显示和操作测试响应与后备盘设计文件一致。测试结果表明,此系统可满足核电站后备盘仿真试验验证的要求。

5结束语

利用虚拟盘台技术完成核电站后备盘的设计验证,虽然在物理逼真度上与硬盘台相比还有一些差距,但整体而言,能节约大量投资,缩短工期。随着计算机技术、高清显示屏、触控技术以及VR技术等的发展,虚拟盘台技术将更加完善,以更好地应用到核电站后备盘设计验证中。

作者:刘纯;尹继超;张绪怡;李敏 单位:中核武汉核电运行技术股份有限公司

南方能源建设杂志责任编辑:张雨    阅读:人次