核電站KSN系統(tǒng)操作監(jiān)控軟件的仿真技術(shù)研究

程敏敏，景應(yīng)剛，張才科，丁紹潔

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司 仿真中心，湖北 武漢 430223)

0 引言

核電站三廢處理工藝(KSN)分布式控制系統(tǒng)(DCS)主要是對(duì)核電站硼回收系統(tǒng)、廢液處理系統(tǒng)、廢氣處理系統(tǒng)、固體廢物處理系統(tǒng)等進(jìn)行監(jiān)控[1]。通過DCS系統(tǒng)，雖然使機(jī)組高度自動(dòng)化，但同時(shí)又使運(yùn)行人員接觸設(shè)備的機(jī)會(huì)大為減少，從而導(dǎo)致故障難以及時(shí)處理。采用仿真機(jī)培訓(xùn)是解決問題的主要途徑[2]。此外，仿真DCS系統(tǒng)在在其他核電專業(yè)人員的培訓(xùn)教學(xué)和DCS系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化方面都發(fā)揮著十分重要的作用。

目前，DCS仿真技術(shù)主要分為3類，Simulation-仿真模擬，Stimulation-實(shí)物模擬和Emulation-虛擬模擬[3]。實(shí)物模擬需要采用真實(shí)硬件再現(xiàn)DCS，實(shí)現(xiàn)成本較高而且無法完成的復(fù)雜仿真功能；虛擬模擬是指創(chuàng)建虛擬運(yùn)行環(huán)境直接運(yùn)行DCS組態(tài)文件，它有較高的逼真度，但需要DCS廠商的資料和技術(shù)支持，受到的限制較多；仿真模擬只需設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)資料，用軟件的方式重建控制和操作界面來模擬DCS的操作、監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)成本較低，而且能夠完成復(fù)雜的培訓(xùn)仿真教學(xué)應(yīng)用功能，是多年來培訓(xùn)仿真系統(tǒng)通常采用的形式。基于此，嶺澳核電站KSN系統(tǒng)仿真采用仿真模擬技術(shù)，其系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

仿真DCS由3大部分構(gòu)成：(1)仿真操作監(jiān)控軟件，用于提供逼真的、功能詳盡的人機(jī)操作監(jiān)控界面；(2)控制邏輯模型，用來提供與真實(shí)DCS相同的控制邏輯算法；(3)工藝模型，用來對(duì)真實(shí)的KSN工藝系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。其中，由于運(yùn)行人員和學(xué)員直接面對(duì)操作監(jiān)控軟件界面，所以操作監(jiān)控軟件仿真的逼真度、靈活性、性能等特性的優(yōu)劣，將直接影響仿真培訓(xùn)的效果，因此操作監(jiān)控軟件的開發(fā)已成為仿真DCS系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)重要組成部分。

傳統(tǒng)仿真DCS操作監(jiān)控軟件的開發(fā)通常會(huì)受到設(shè)計(jì)方法、開發(fā)技術(shù)、特定平臺(tái)等因素的影響，表現(xiàn)出開發(fā)復(fù)雜、軟件功能逼真度和可信度不夠高、不易修改和擴(kuò)展等問題，主要原因是在開發(fā)上沒有很好的圖形用戶接口(GUI)來支持和滿足部件、元素的多樣化展現(xiàn)；在控制系統(tǒng)的靜態(tài)畫面繪制和動(dòng)態(tài)效果上沒有很好地結(jié)合組態(tài)工具進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；在設(shè)計(jì)上，沒有從架構(gòu)的角度進(jìn)行層次化、組件化的設(shè)計(jì)來應(yīng)對(duì)軟件的擴(kuò)展性要求。

Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形界面庫，由挪威TrollTech公司出品，它的目的是支持應(yīng)用程序用戶界面開發(fā)所需要的一切，主要通過匯集C++類的形式來實(shí)現(xiàn)這一目的。它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級(jí)的圖形用戶界面所需的所有功能。Qt是完全面向?qū)ο蟮模苋菀讛U(kuò)展，并且允許真正的組件編程[4]。

Qt不僅擁有優(yōu)良的跨平臺(tái)特性，而且由于良好封裝機(jī)制使得模塊化程度非常高，可重用性較好。它提供了一種名為signals/slots的完全類型來替代callback，這使得各個(gè)元件之間的協(xié)同工作變得十分簡單；同時(shí)，它還提供豐富的API接口，包括多達(dá)250個(gè)以上的C++類，還提供基于模板的collections、serialization、file、IO device類，甚至還包括正則表達(dá)式的處理功能。由于它是一種跨平臺(tái)的GUI工具包，對(duì)編程者隱藏了在處理不同操作系統(tǒng)時(shí)的潛在問題，所以使用Qt進(jìn)行跨平臺(tái)的軟件開發(fā)非常方便快捷。

基于此，為解決傳統(tǒng)仿真操作監(jiān)控軟件面臨的問題，本文從分布式軟件架構(gòu)的角度出發(fā)，采用成熟且應(yīng)用廣泛的Qt工具包，結(jié)合組態(tài)技術(shù)，對(duì)DCS操作監(jiān)控軟件的仿真技術(shù)進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 仿真操作監(jiān)控層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

仿真操作員站是仿真DCS系統(tǒng)的人機(jī)交互平臺(tái)，其上主要運(yùn)行操作監(jiān)控軟件，用來實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理核電廠的生產(chǎn)過程。組態(tài)工程師站上安裝有DCS二層仿真組態(tài)工具，配合操作監(jiān)控軟件，用來繪制流程圖靜態(tài)畫面，定義畫面、報(bào)警、趨勢(shì)等功能數(shù)據(jù)的離線配置和控制邏輯，并將其下裝到操作員站。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器負(fù)責(zé)接收仿真模型的過程數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)命令處理和內(nèi)部計(jì)算后，將二層系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新，并提交至操作監(jiān)控軟件；同時(shí)，將需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、整理后，存入歷史數(shù)據(jù)庫中，方便相應(yīng)功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢索和查詢。

圖2中虛線框內(nèi)為基于RINSIM仿真平臺(tái)構(gòu)建的仿真模型。RINSIM仿真平臺(tái)是由中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司(CNPO)研制的面向核電站的一體化仿真平臺(tái)，是在國內(nèi)核電領(lǐng)域應(yīng)用最廣的仿真平臺(tái)[5]。在該平臺(tái)上，通過相應(yīng)的建模軟件和工具建立工藝系統(tǒng)模型和控制邏輯模型，對(duì)KSN系統(tǒng)進(jìn)行仿真；通過教練員站上部署的教控臺(tái)軟件，完成仿真模型的運(yùn)行、凍結(jié)、復(fù)位等仿真操作，滿足仿真系統(tǒng)培訓(xùn)、教學(xué)、考試、調(diào)試等多場景的任務(wù)需求。仿真模型上通過部署跨平臺(tái)的模型數(shù)據(jù)通信程序，完成與DCS二層系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

圖3 仿真操作監(jiān)控層系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

在整個(gè)仿真DCS二層系統(tǒng)中，操作員站采用高效、跨平臺(tái)的通信程序與仿真模型相連，仿真操作監(jiān)控軟件與通信程序之間彼此獨(dú)立，仿真模型與模型數(shù)據(jù)通信程序獨(dú)立，根據(jù)統(tǒng)一的IO清單建立數(shù)據(jù)交互規(guī)范，使得操作員站與仿真模型可以分布式、跨平臺(tái)地部署，通過修改配置文件，系統(tǒng)支持一對(duì)多、多對(duì)一，以及多對(duì)多地在異構(gòu)或同構(gòu)平臺(tái)上構(gòu)建仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的彈性擴(kuò)展。通過組態(tài)工程師站上的組態(tài)工具，使得仿真系統(tǒng)的靜態(tài)部件和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分離，運(yùn)行平臺(tái)和數(shù)據(jù)平臺(tái)獨(dú)立；數(shù)據(jù)服務(wù)器上部署的內(nèi)部計(jì)算組件、命令處理組件、存儲(chǔ)服務(wù)組件及數(shù)據(jù)獲取組件，使操作監(jiān)控軟件不需要關(guān)心與外部模塊的功能交互和數(shù)據(jù)的邏輯處理，只要按需進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新即可。組件化的設(shè)計(jì)及組態(tài)工具的配合大大減少了系統(tǒng)和軟件間耦合，從而降低了軟件開發(fā)的難度和編碼規(guī)模。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仿真DCS系統(tǒng)選用分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，二層系統(tǒng)與仿真模型通過標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議按照規(guī)定數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通信，支持跨平臺(tái)的通信，操作員站可隨系統(tǒng)需求進(jìn)行配置，方便系統(tǒng)橫向擴(kuò)展。軟件采用組件化設(shè)計(jì)思想，以跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面Qt工具包為基礎(chǔ)，結(jié)合圖形化組態(tài)技術(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)功能的設(shè)計(jì)開發(fā)，可在不同操作系統(tǒng)上運(yùn)行。軟件設(shè)計(jì)將操作監(jiān)控軟件的顯示邏輯、業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)模型分離，形成相互獨(dú)立的層次關(guān)系，這種分層結(jié)構(gòu)中各領(lǐng)域職責(zé)更加具體，邏輯更加分明，層級(jí)之間通過標(biāo)準(zhǔn)的接口相互通信，不僅便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)，而且具有高內(nèi)聚、低耦合等優(yōu)良軟件特性，系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

仿真DCS二層系統(tǒng)的軟件層次結(jié)構(gòu)分為4層，其中顯示層和數(shù)據(jù)通信層運(yùn)行于操作員站中，數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層運(yùn)行在數(shù)據(jù)處理服務(wù)器中。顯示層上的操作監(jiān)控軟件作為人機(jī)接口界面，顯示各功能模塊的界面，接收操作員的操作指令，并根據(jù)指令進(jìn)行預(yù)期的結(jié)果展示。數(shù)據(jù)通信層主要用于操作員站和下層系統(tǒng)之間的指令和數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，向下傳遞操作指令，并向上拉取結(jié)果值，它使軟件之間耦合性降低，擴(kuò)展性增強(qiáng)。數(shù)據(jù)處理層一方面與仿真模型交互，通過內(nèi)部計(jì)算程序，對(duì)DCS二層的相關(guān)內(nèi)部邏輯進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)，也會(huì)接收操作監(jiān)控軟件的指令，完成相應(yīng)的命令解析與處理，并將計(jì)算結(jié)果反饋至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫；另一方面會(huì)通過存儲(chǔ)服務(wù)將需要進(jìn)行存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)按序存入歷史數(shù)據(jù)庫，供操作監(jiān)控軟件進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的檢索和查詢。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層則用于數(shù)據(jù)的持久保存，包括歷史數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù)。

為了更好地闡述KSN仿真系統(tǒng)操作監(jiān)控軟件的組件化、層次化設(shè)計(jì)，以及Qt工具包的實(shí)際軟件設(shè)計(jì)開發(fā)中的易用、低耦合、高內(nèi)聚等特性，下面將從軟件流程圖、報(bào)警、趨勢(shì)、日志等主要模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上分別進(jìn)行詳細(xì)描述。

2.1 工藝流程圖再現(xiàn)

工藝流程圖(MIMIC圖)模塊通過讀取實(shí)時(shí)設(shè)備數(shù)據(jù)，解析圖形組態(tài)工具生成的流程圖文件，結(jié)合動(dòng)態(tài)顯示邏輯/腳本，使流程圖產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的顯示效果， MIMIC圖的仿真運(yùn)行流程如圖4所示。

圖4 MIMIC圖仿真運(yùn)行流程

主面板和顯示界面采用Qt來構(gòu)建開發(fā)，其中，界面布局設(shè)計(jì)可通過Qt 提供的Designer設(shè)計(jì)工具采用圖形化拖動(dòng)部件的方式來完成，非常方便快捷。MIMIC圖處理模塊加載組態(tài)工具生成的圖形文件，解析文件內(nèi)容，建立相應(yīng)的各種對(duì)象結(jié)構(gòu)關(guān)系，通過Qt豐富的GUI類來進(jìn)行對(duì)象的描述，并采用鏈表關(guān)系來建立對(duì)象的樹型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。MIMIC圖處理模塊按這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來遍歷所有窗口、數(shù)據(jù)、面板等對(duì)象進(jìn)行顯示，加載相關(guān)的腳本和事件，在畫面顯示周期內(nèi)同步執(zhí)行，從而完成逼真的流程圖畫面顯示和各種動(dòng)態(tài)仿真效果，再現(xiàn)工藝流程圖的運(yùn)行場景。

2.2 報(bào)警顯示和處理

操作監(jiān)控軟件的報(bào)警界面會(huì)根據(jù)報(bào)警服務(wù)處理的報(bào)警緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，用列表的方式顯示不同狀態(tài)、不同級(jí)別、不同類型的報(bào)警信息，并在接受操作員的報(bào)警處理動(dòng)作后，將這些處理結(jié)果顯示在報(bào)警界面中。報(bào)警界面采用模型-視圖-控制(MVC)模式，將視圖與數(shù)據(jù)分開，模型負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)，視圖負(fù)責(zé)界面顯示設(shè)計(jì)，控制器用于對(duì)部件的顯示和編輯提供精細(xì)控制[6]。通過MVC模式，使報(bào)警界面的開發(fā)和修改變得非常方便和簡潔。根據(jù)KSN系統(tǒng)的特點(diǎn)，操作監(jiān)控軟件的報(bào)警分為界面顯示、報(bào)警操作、數(shù)據(jù)服務(wù)處理、發(fā)送信息、響應(yīng)操作等部分，報(bào)警的顯示和處理流程如圖5所示。

營養(yǎng)過剩是肥胖發(fā)生最主要的誘因，肥胖不僅可以造成學(xué)生各種代謝障礙，嚴(yán)重的還會(huì)增加患糖尿病、高血壓、心腦血管疾病、痛風(fēng)等的風(fēng)險(xiǎn)[3]；營養(yǎng)過剩也是導(dǎo)致齲齒發(fā)生的重要因素，高蛋白、高熱量食物在口腔積存，會(huì)增加其齲齒發(fā)生的幾率；營養(yǎng)過剩的學(xué)生容易出現(xiàn)一些心理問題，肥胖人群經(jīng)常受到身邊人的嘲笑，這樣會(huì)使得他們出現(xiàn)自卑、自閉的現(xiàn)象。

圖5 報(bào)警顯示和處理流程

報(bào)警采用定周期輪詢報(bào)警點(diǎn)狀態(tài)的方式，當(dāng)一個(gè)報(bào)警狀態(tài)改變時(shí)，將此報(bào)警狀態(tài)主動(dòng)發(fā)送到報(bào)警顯示緩沖區(qū)中，數(shù)據(jù)模型進(jìn)行刷新后，控制器則通知視圖進(jìn)行更新界面顯示。當(dāng)操作員進(jìn)行報(bào)警的操作(確認(rèn)、頁確認(rèn)、報(bào)警儲(chǔ)存)后，報(bào)警命令處理服務(wù)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的命令解析處理，然后將結(jié)果傳送至報(bào)警緩沖區(qū)，同樣也會(huì)通過MVC模式將處理結(jié)果更新到顯示界面，完成報(bào)警顯示和操作的仿真運(yùn)行。

2.3 趨勢(shì)展示和存儲(chǔ)

趨勢(shì)功能用來顯示趨勢(shì)變量組中的模擬量和布爾量的趨勢(shì)，按顯示模式可以分為數(shù)字模式和曲線模式，數(shù)字模式按時(shí)間間隔以數(shù)字顯示變量值，曲線模式以曲線圖形方式反映變量值。

趨勢(shì)功能主要涉及兩個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)，一是二維圖形的實(shí)時(shí)、高效繪制，二是歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)查詢獲取。采用基于Qt工具包中QPainter類的二維圖形引擎，可在二維畫面上顯示大量的、輕量級(jí)的、可與用戶交互的、任意形狀的項(xiàng)，通過QGraphicView、QGraphicsScene和QGraphicsItem類引入了一個(gè)全新的“圖形視圖”接口[6]。操作監(jiān)控軟件的趨勢(shì)模塊采用此二維圖形引擎，實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)跟蹤模式和歷史模式下變量數(shù)值趨勢(shì)圖形的高效、快速繪制，并提供仿真的圖形趨勢(shì)界面操作，如放大、縮小、增粗顯示、位移等。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)提供對(duì)趨勢(shì)數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，提供對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索和獲取的接口。存儲(chǔ)服務(wù)通過數(shù)據(jù)庫操作接口將變量點(diǎn)的值存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫中，并提供查詢和操作接口。存儲(chǔ)服務(wù)使用垂直劃分的方式來分隔系統(tǒng)數(shù)據(jù)容量，采用讀寫分離、數(shù)據(jù)壓縮及聚合緩存等技術(shù)，減少數(shù)據(jù)庫的讀寫次數(shù)，提高數(shù)據(jù)獲取的速度，保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，保障趨勢(shì)的仿真運(yùn)行及顯示。

2.4 日志記錄與顯示

日志功能給操作員提供系統(tǒng)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)或者歷史日志信息的顯示，其日志內(nèi)容包括設(shè)備狀態(tài)日志、操作記錄日志、登錄日志等KSN系統(tǒng)需要記錄和查詢的系統(tǒng)信息，并按事件發(fā)生的時(shí)序存放。每個(gè)事件對(duì)應(yīng)一條消息記錄，布爾量的狀態(tài)改變，模擬量的閾值超限、超量程，操縱員動(dòng)作、報(bào)警監(jiān)視等都會(huì)產(chǎn)生日志。

為了解決日志的存儲(chǔ)容量問題，日志設(shè)計(jì)采用文件數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)記錄并進(jìn)行水平劃分來增強(qiáng)擴(kuò)展的靈活性，并通過Qt的文件監(jiān)視器(QFileSystemWatcher)監(jiān)測(cè)日志記錄文件的變化并利用觀察者模式實(shí)時(shí)通知模塊加載更新，從而提高日志的讀取效率，完成了日志記錄與展示的仿真。

3 結(jié)論

本文從實(shí)現(xiàn)的角度，結(jié)合KSN系統(tǒng)仿真的要求，對(duì)KSN系統(tǒng)仿真操作監(jiān)控軟件的構(gòu)建方法和過程進(jìn)行了梳理，并對(duì)工藝流程圖、報(bào)警、趨勢(shì)、日志等重要功能模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述。該系統(tǒng)中的軟件采用組件化的思想和層次化結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用Qt工具包、圖形化組態(tài)技術(shù)來開發(fā)，使得軟件具有高內(nèi)聚、低耦合等優(yōu)良軟件特性，不僅可以跨平臺(tái)運(yùn)行，而且可復(fù)用性和可維護(hù)性大大提高，軟件的人機(jī)界面逼真度高，開發(fā)周期也大大縮短。同時(shí)，結(jié)合獨(dú)立的跨平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)通信程序，二層仿真系統(tǒng)可以很靈活地與仿真模型進(jìn)行分布式部署以及彈性擴(kuò)展，極大地滿足了KSN仿真系統(tǒng)的培訓(xùn)和教學(xué)需求。目前根據(jù)本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的KSN仿真系統(tǒng)操作監(jiān)控軟件已在嶺澳KSN仿真系統(tǒng)項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，為KSN仿真系統(tǒng)

提供了一個(gè)高逼真度、運(yùn)行穩(wěn)定、配置靈活的人機(jī)界面環(huán)境，為核電站KSN系統(tǒng)的培訓(xùn)、教學(xué)提供了有利的支持。

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