为了提升我国操纵员培训的能力水平， 满足数字化设备的操纵运行要求， 并为在应对核电站突发状况时能够有便捷的平台针对数字化的仪控系统进行事故重演和事故分析，同时，也为数字化仪控系统的研发和工程应用提供便利， 研发一套单机版多功能的模拟机，用于核电站操作、运行的培训演示平台，事故重演、分析的模拟仿真平台，和研发测试、调试的工具应用平台就具有十分重要的意义和价值。 本文就单机版多功能模拟机的技术方案和设计实现进行简要的阐述并就该台模拟机的应用进行举例说明。 研制过程中所参考的核电站是目前基于非能动三代核电技术的在建机组。
1、单机版多功能模拟机的设计原理
单机版多功能模拟机的设计目的就是将依赖于高性能服务器设备、 分布式站点配置的大型模拟机系统浓缩到单台工作站点上，并且在硬件规模缩小的同时其软件仿真范围不缩小，从画面、控制、工艺到教控站功能都一应俱全，仅在每一项功能的细致程度上， 主要是在模型内一些参数的精度及计算周期上进行调整， 降低其对计算机性能的要求和工作负荷以达到能够在单台站点上运行的条件。
该模拟机的功能主要分为五个部分，分别为工艺模型、仪控系统模型、保护系统模型、人机界面和教控界面。 工艺模型为现场建筑、设备的仿真，依据参考电站全范围模拟机的仿真范围， 总共有 68 个系统将在单机版多功能模拟机中进行仿真模拟； 仪控系统模型和保护系统模型都属于针对现场控制系统功能模拟的范畴， 仪控系统模型会根据实际电站的机柜功能分布方式将模拟的逻辑组态图也如此划分区域， 这样做是保证单机版模拟机的功能分区与真实电站的一致性， 便于未来移动测试平台的扩展，保护系统模型则是按照四个序列的设计方式，自上而下进行功能区的划分；人机界面为针对现场主控室画面、硬盘台的模拟， 该画面在软件层面会一比一地还原现场的实际操作画面； 教控界面则是针对模拟机的仿真能力参考非能动核电站在建机组的全范围模拟机的教练员站功能进行开发。 这五部分功能互相关联，皆有数据交互，从而真实还原核电站的全貌。单机版多功能模拟机的研制过程主要涉及三部分的技术点，分别为仿真模型构建技术，程序代码的简化优化技术，以及程序的调试、测试方法。
仿真模型的构建技术主要完成模型的建立工作，是真实还原电站原貌的基础，其中涉及到工艺、控制、画面以及教控站功能的建模开发；程序代码的简化、优化技术主要完成的是对模型代码的二次处理，是实现在单台工作站上运行的基础，其中涉及对数学模型的简化和处理进程、线程的简化；程序的调试、测试方法主要完成的是对单机版多功能模拟机的测试验证工作，通过系统合理的调试，可以发现程序中的各项问题，并予以改进，以保证该模拟机的稳定性， 由于单机版有别于网络分布式配置的模拟机， 所以其调试测试的方法需要在全范围模拟机的基础上进行梳理和调整， 故也是该模拟机研制过程中的难点和必不可少的一环。
2、仿真模型构建技术的设计实现
单机版多功能模拟机的基本原理是基于知名仿真公司的仿真支撑环境， 通过对工艺系统的梳理分析， 仪控系统的逻辑组态，人机界面的一比一绘制以及教练员功能的配置设定，在单台计算机上编制软件程序，利用仿真环境进行运行，以实现对核电站现场的全范围的仿真模拟。
针对仿真模型构建技术一块，从研制实现的角度出发，主要分为三个部分：
1）工艺系统模型的构建 ，包括选点和参数设定 ，涉及两相流、热工水力等的数学模型和物理计算设计；2）控制系统模型的建模，包括逻辑功能组态和 PID 参数的设置，涉及过程控制调节，响应曲线分析等；3）上层画面和教控站功能的开发，包括画面图元的开发、画面组态和软件功能开发，涉及数据的响应性、界面监控和功能、故障的插入等。
2．1、工艺系统模型的构建说明
工艺系统的模拟仿真主要针对核电站从核功率至热功率直至最后变为电功率并网发电这一过程当中所涉及的所有设备部件，大型锻件铸件，管道回路的材质参数以及气体、液体多组份、非平衡的特性计算和放射性物质化学、物理反应的数理计算等。通过复杂而系统的数学建模，对反应堆堆芯物理、安全壳系统、一回路热工水力、二回路流体网络、汽轮机高低压及输配电系统等的模拟，真实还原核电站发电的全过程。
在工艺系统的仿真建模过程中， 最复杂且精度要求最高的有三部分：
其一为堆芯物理模型的建立，要依照参考电厂的堆芯设计，选取适当的位置作为计算节点，并设置合理的节点数量，从压力容器到核燃料的放射性、反应性等都通过数学模型地计算，用参数信息细致地还原电厂状态；其二为涉及气体、液体多组份、非平衡特性计算的一回路热工水力和二回路流体网络，由于气液的非稳定、非平衡特性，并且皆为混合气体和液体，使得计算的方式要分别从动量、质量、能量三个角度的守恒方程以及对物性的计算入手， 通过反复的迭代才能还原真实电站热工水力和流体网络的特性；其三为核岛关键设备及管道回路的仿真， 为了达到逼真的还原程度，对于各类锻件、管路的材料、厚度、硬度、韧性等参数都要一一设定， 同时考虑到破口等故障的插入需求， 还需对阀门、管线等进行分段选点计算，以真实还原压力、流量、流速等信息的变化。考虑到单台计算机 CPU 及内存的处理能力和通信能力有限，在硬件性能上无法与多台高性能的服务器相媲美，故所有工艺系统建模内涉及的参数，都需要进行二次筛选，在《美国国家标准 ANSI／ANS－3．5－1998》中被列为关键参数（即精度误差要求在 1％以内） 的数据皆保持其原有的精度要求和计算频率，而除此以外的数据信息（即在此份标准中精度误差要求在 2％或以上的参数） 会通过一定的测试有选择地降低其数据精度或计算频率，以使得单台计算机的处理能力满足模型的运行负荷要求。
2．2、控制系统模型的建模说明
控制系统模型包含仪控系统模型和保护系统模型两部分，在实际电站中，这两部分的抗震等级，安全等级要求都有明显的区别，故在软硬件配置实现上有较大差异，但在仿真环境中，只需根据其内部的组态逻辑图一比一地还原到支撑平台内， 再根据程序编程的要求， 对软件代码进行二次处理即可达到基本的运行要求。
在针对控制系统模型组态还原的过程中， 需要注意的关键点有三个部分：
其一为对于功能块的设计与封装， 这要求仿真支撑环境本身具有很高的开放性和兼容性，能够自定义图元的大小，管脚的数量及类型，以及与、或、非等逻辑门的搭建和比较器、放大器等模拟量处理模块的应用功能， 这样才能从功能的角度完整复制真实电站的仪控制能力；其二为对于功能区划分的设计， 由于真实电站会根据实体机柜的位置、驱动机构的位置、现场设备的位置以及供电、布线等需求对于组态逻辑的分布有一定的要求， 为了尽可能真实还原现场环境，同时也预留移动测试平台的扩展能力，所有仿真逻辑图的绘制皆须按照现场实际 Drop 的分布方式加入标签，并将程序代码模块化，以便于日后的调用；其三为控制策略的还原， 由于部分功能是基于硬件设备实现，尤其是在针对驱动机构一块的仿真模拟过程中，通过软件的方式很难一比一地进行还原，此时需要适当修改控制方式，通过简化修改组态逻辑图， 在保证闭环回路畅通的前提下改变控制策略以达到预期的控制目的。
2．3、上层画面和教控站功能的开发说明
上层画面和教控站的功能都属于人机接口一块的内容，这一部分开发有别于工艺系统和控制系统的建模， 不仅要在功能上一比一地还原，并且在画面布局、导航方式等界面设计、画面风格上也要保持一致，以真实还原主控室画面的原貌。
在针对硬盘台一块的仿真上， 要求软件实现的操作界面从布局到颜色都必须保持一致， 并且在按钮触发的方式上也要保持动态一致性，例如按钮的弹出，开关的拨动，调档的转动等等。
3、程序代码简化、优化技术的设计实现
未经处理的仿真模型虽然在功能上达到了还原核电站全貌的目的，但在运行效率、响应速率上碍于硬件性能的差距仍然会有所不足， 为了保证该模拟机能够在性能指标上也到达到单机版运行的要求，针对仿真程序的简化、优化设计一块，主要从两个角度出发进行二次处理：
1）初始模块及实体部件的简化优化 ，该工作主要针对所有仿真的阀门、泵等设备的源码进行简化，以减少线程数量，降低运行负荷；2）数据表、模型边界的简化优化，该工作主要从仿真环境内的数据库入手，减少不必要的数据通信和中间点规模，以达到降低内部通信量的目的。
3．1、初始模块及实体部件的简化优化说明
工艺模型在画面绘制完成后，需要通过仿真环境的编译器，将图形化的功能转变为软件代码，真正形成仿真程序，以用作现场的模拟。 所以，工艺软件的庞大与否将直接决定程序运行所需的硬件性能。
该部分简化主要分为两个部分，一是针对初始的模块代码，该部分是以文本文件的形式， 以类 C 或 Fortran 语言嵌入在仿真支撑平台中，可人为进行添加、修改、删除等操作；二是针对工艺流程图上的实体部件，将部分串联的阀门、泵、风机等设备，按照一定的规范进行归一化，重新设置参数。
3．1．1、初始化模块的简化优化说明
初始化模块作为标准的库文件，是专针对泵、阀门、转子、水箱等通用部件类型编制的功能程序， 它会将工艺流程图中所选择的的设备类型、 所设置的设备参数等信息作为其库文件的编译信息，在编译过程中生成专针对某一部件的功能代码。 由于仿真环境必须满足其模拟的开放性， 需要尽可能多地兼容不同厂商不同类型的产品，所以在仿真环境内的初始化模块，其库文件的代码量非常庞大，通过大量的 if－else 等判断语句兼顾各种类型的部件参数，最终将直接导致生成的功能代码过于复杂，里面还有许多不必要的判断语句。
此部分的简化优化工作关键点就是根据参考电站的设备部件选型，按类先将不在参考电站设备选型范围内的库文件删除，而后针对泵、阀门等数量庞大的部件，将其库文件内与参考电站所选设备无关功能代码删除，以达到对程序瘦身的目的，减少编译后生成的代码量，以降低运行的负荷。
3．1．2、实体部件的简化优化说明
实体部件作为工艺流程图中绘制的功能设备， 其数量的多少将直接决定着编译生成的仿真程序的规模。 为了降低该模拟机的运行负荷， 在工艺流程图绘制之时就需要简化一定的设备量，将部分串联且线性或比例变化的设备参数归一化设定。
此处将以蒸汽发生器排污系统为例， 说明实体部件简化的方式。
按照上述处理虽然能减少程序运行负荷， 并保证模拟机的整体运行状态与电站一致，却在一定程度上降低的部件的精度，按单个阀门的数值精度为 1％计算， 原本 0．58 至 0．6 范围内的数值精度为 0．0002，0．52～0．58 范围内的数值进度为 0．0006，但当归一化处理后，0．52 至 0．6 范围内的数值精度仍为 1％，此时管线上的精度变为了 0．0008，皆低于两段的精度，故在反应瞬态现象，进行瞬态分析时，单机版多功能模拟机就无法很好地还原现场的现象。
3．2、数据表、模型边界的简化优化说明
针对模型边界的简化优化，依据实体部件的简化，在控制系统仿真内，其所需控制的部件也对应减少，在去除无用控制逻辑的同时，也使得所需处理的图与图之间、系统与系统之间所需传输的数据点数量减少。这样的点不仅存在与 1 层控制系统内，还存在于 2 层人机画面内，通过对模型边界的梳理，找出无用的边界点，将其在画面及控制逻辑中去除。
针对数据表的简化， 主要是进入到仿真支撑平台的底层数据库内，根据归一化处理的阀门、部件名称，找出逻辑图在编译过程中生成的中间过程点（一般以 OCD 开头外加系统编号，和部件绘制时的流水号），将无用的点删除，以减小数据库的规模。
4、单机版多功能模拟机的应用说明
处理后的单机版多功能模拟机与实际电厂的全范围模拟机相比，在仿真电站全范围运行过程，故障及异常工况的状态时，其曲线趋势，状态变化基本能保持与全范围模拟机一致的水平，但在针对瞬态变化，细节分析之时，由于其数值精度，运行频率被降低，所以势必无法完整地还原真实电站的状态。
参考文献
［1］任永忠 ，任湘彬．核电站培训模拟机设计与开发 ［J］．系统仿真技术 ，2009，5（2）：125－129
［2］Christian Nagel，Bill Evjen．C＃2005＆．NET 3．0 高 级 编 程 ［M］．JayGlynn，李铭，译．北京：清华大学出版社，2007
［3］白云 ，李学哲 ，陈国新．FORTRAN 95 程序设计 ［M］．北京 ：清华大学出版社，2011
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