一种核电厂计算机化规程系统和控制系统的制作方法

1.本发明属于核工业技术领域，具体涉及一种核电厂计算机化规程系统和控制系统。


背景技术：

2.目前新建的压水堆核电机组，都采用了dcs(distributed control system，分散控制系统)和数字化的主控室，在提高机组处于各类工况下的安全性具有独特的优势。此外，不同于传统主控室，新建的压水堆核电机组的运行规程也逐渐由纸质文件的形式向在计算机屏幕上显示和执行的计算机化规程转变。
3.然而现有的计算机化规程设计，只是把纸质文件的电子化文档显示出来，或是增加了链接可以调用工艺画面进行设备的操作，或是提供规程步骤逻辑的自动判断结果，但总体来说并没有充分利用现有的计算机技术，仍存在规程执行效率低、操纵员工作量繁重，且容易产生人因错误的风险。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的上述不足，提供一种核电厂计算机化规程系统和控制系统，用于提高规程执行效率、降低操纵员工作量，避免人因错误。
5.本发明提供一种核电厂计算机化规程系统，包括数据交互模块、设备控制模块、计算模块、规程处理模块和显示模块。
6.数据交互模块，分别与核电厂的dcs二层总线及计算模块连接，用于从dcs二层总线实时读取参数数值和设备状态数据，并将参数数值和设备状态数据传输给计算模块。计算模块，与规程处理模块连接，用于根据规程中各步骤需求/从规程处理模块接收的规程中各步骤需求对接收的参数数值和设备状态数据进行二次计算，生成中间变量以减少需显示的参数或设备状态的数量，还用于根据规程中各步骤需求/从规程处理模块接收的规程中各步骤需求对实时的参数数值和设备状态数据进行逻辑运算，生成规程步骤的判断结果以用于辅助操纵员判断或自动执行操作步骤，并将中间变量和规程步骤的判断结果传输给规程处理模块。规程处理模块，分别与设备控制模块和显示模块连接，用于根据规程信息分析得到规程中各步骤需求，并将规程中各步骤需求传输给计算模块进行逻辑运算，还用于将计算模块传输的中间变量和规程步骤的判断结果传输至显示模块，以及，用于在规程自动执行模式下根据规程信息确定设备操作信息，并将确定后的设备操作信息和从显示模块接收的操纵员的操作指令传输给设备控制模块。设备控制模块，与核电厂的dcs二层总线连接，用于将接收的设备操作信息转化为自动控制命令，以及将操纵员的操作指令转化为手动控制命令，并将自动控制命令和手动控制命令传输至dcs二层总线。显示模块，用于通过人机接口界面显示规程信息、静态控件、动态控件，并显示规程状态、中间变量、设备状态数据，以及，接收操纵员的操作指令，并将操作员的操作指令传输给规程处理模块。
7.优选地，核电厂计算机化规程系统还包括规程数据库。规程数据库，与规程处理模
块连接，用于存储数字化的规程信息并实时更新规程状态，以供规程处理模块调用。
8.优选地，核电厂计算机化规程系统还包括规程输入编辑模块。规程输入编辑模块，与规程数据库连接，用于将预先编辑的规程文件进行转化后导入规程数据库，以及，用于对规程数据库中的规程信息进行编辑。
9.优选地，核电厂计算机化规程系统还包括规程存档模块。规程处理模块，还与规程存档模块连接，用于根据操纵员的操作指令生成操作日志，并将操作日志传输至规程存档模块。规程存档模块，用于存储规程处理模块传输的操作日志，并存储操作后的规程，其中，操作后的规程包括操作记录和操作时对应的参数数值。
10.优选地，规程处理模块还包括第一处理单元和第二处理单元。第一处理单元，与显示模块连接，用于接收显示模块传输的操纵员选择手动执行方式的数据，并根据规程信息确定向操纵员显示的中间变量、设备状态数据、设备控制手段，并将所确定的中间变量、设备状态数据、设备控制手段传输给显示模块显示，以使操纵员完成规程的操作指令。第二处理单元，分别与显示模块和设备控制模块、规程存档模块、规程数据库连接，用于接收显示模块传输的操纵员选择自动执行方式的数据，以及，根据规程信息分析当前规程步骤，建立当前规程步骤所需的执行逻辑并确定当前规程步骤所需的参数数值和设备状态数据，并从数据交互模块获取所需的参数数值和设备状态数据，以及，通过设备控制模块向dcs发送设备控制命令，以及，在计算模块判断出当前规程步骤的执行逻辑已完成时，将当前规程步骤的执行结果和相关的参数数值传输至规程存档模块进行存储，并从规程数据库调取下一个规程步骤。
11.优选地，数据交互模块和设备控制模块与核电厂dcs二层总线采用通讯网络连接。
12.进一步地，本发明还提供一种控制系统，包括如上所述的核电厂计算机化规程系统和dcs。dcs包括核电厂dcs二层总线。dcs用于根据核电厂计算机化规程系统下发的自动控制命令和/或手动控制命令对设备进行控制，以及用于实时采集参数数值和设备状态数据，并将采集的参数数值和设备状态数据通过核电厂dcs二层总线传输给核电厂计算机化规程系统。
13.本发明的核电厂计算机化规程系统和控制系统，通过合理的人机分配和计算机自动执行操作步骤，能够提高规程执行效率，降低由于操纵员工作量大而产生的人因错误风险，从而提高机组在各类工况下的安全性。
附图说明
14.图1为本发明实施例1的核电厂计算机化规程系统的结构示意图。
具体实施方式
15.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
16.实施例1：
17.如图1所示，本实施例提供一种核电厂计算机化规程系统，包括数据交互模块、设备控制模块、计算模块、规程处理模块和显示模块。
18.数据交互模块，分别与核电厂的dcs二层总线及计算模块连接，用于从dcs二层总
线实时读取参数数值和设备状态数据，并将参数数值和设备状态数据传输给计算模块。其中，参数数值指dcs通过传感器实时采集的现场的监测数据，如水位、温度、压力等数值。设备状态数据如阀门的开启或关闭状态、泵的运行或关闭状态、断路器的断开或闭合状态等。
19.计算模块，与规程处理模块连接，用于根据规程中各步骤需求/从规程处理模块接收的规程中各步骤需求对接收的参数数值和设备状态数据进行二次计算，生成中间变量以减少需显示的参数或设备状态的数量，还用于根据规程中各步骤需求/从规程处理模块接收的规程中各步骤需求对实时的参数数值和设备状态数据进行逻辑运算，生成规程步骤的判断结果以用于辅助操纵员判断或自动执行操作步骤，并将中间变量和规程步骤的判断结果传输给规程处理模块。
20.本实施例中，规程指核电厂的运行规程，运行规程需在投产前编写完成并经审核批准,用以指导操纵员操作和监护机组系统和设备、处理故障及各类事故的基础性书面文件。主要有总体规程、系统规程、换料大修规程、报警响应规程、故障处理规程、事故处理规程、行政隔离规程和定期试验规程等。生成中间变量的目的使最终显示给操纵员的参数或设备状态的数量更为精简，减轻操纵员的监控工作量，便于操纵员快速做出判断。例如，现场存在多个传感器进行水位检测，二次计算时对多个水位检测值取平均值，最后输出一个水位值。又如，二次计算对多个不同类型的参数数值进行计算，输出一个类型的参数数值。需要说明的是，本实施例中计算模块用于根据规程中各步骤需求对接收的参数数值和设备状态数据进行二次计算或逻辑运算，生成的中间变量或规程步骤的判断结果，主要用于辅助操纵员判断，通常应用于手动执行方式。
21.规程处理模块，分别与设备控制模块和显示模块连接，用于根据规程信息分析得到规程中各步骤需求，并将规程中各步骤需求传输给计算模块进行逻辑运算，还用于将计算模块传输的中间变量和规程步骤的判断结果传输至显示模块，以及，用于在规程自动执行模式下根据规程信息确定设备操作信息，并将确定后的设备操作信息和从显示模块接收的操纵员的操作指令传输给设备控制模块。
22.本实施例中，根据规程信息分析得到规程中各步骤需求，具体指采用人工智能技术对规程信息进行分析处理，将规程信息转换成具有顺序控制逻辑的步骤集合，针对集合中的每个步骤继而分析该步骤的需求，由需求推导出逻辑运算内容。上述根据规程信息分析得到规程中各步骤需求的方法在现有技术中可实施。需要说明的是，一个规程的所有操作步骤包括自动执行方式和操纵员手动执行方式的可选项，通常，一个规程的操作既包括手动执行的步骤，也包括自动执行的步骤，通过对人机执行步骤的合理分配，不仅可降低操纵员的工作量，还可保证规程执行的安全性。
23.设备控制模块，与核电厂的dcs二层总线连接，用于将接收的设备操作信息转化为自动控制命令，以及将操纵员的操作指令转化为手动控制命令，并将自动控制命令和手动控制命令传输至dcs二层总线。
24.显示模块，用于通过人机接口界面显示规程信息、静态控件、动态控件，并显示规程状态、中间变量、设备状态数据，以及，接收操纵员的操作指令，并将操作员的操作指令传输给规程处理模块。规程状态指规程步骤执行的完成情况。
25.可选地，核电厂计算机化规程系统还包括规程数据库。规程数据库，与规程处理模块连接，用于存储数字化的规程信息并实时更新规程状态，以供规程处理模块调用。例如，
规程数据库实时更新规程处理模块完成的当前步骤，以便于规程处理模块自动从规程数据库中调用当前规程的下一个步骤。
26.可选地，核电厂计算机化规程系统还包括规程输入编辑模块。规程输入编辑模块，与规程数据库连接，用于将预先编辑的规程文件进行转化后导入规程数据库，以及，用于对规程数据库中的规程信息进行编辑。规程输入编辑模块的上述功能可提高计算机化规程系统的灵活性。
27.可选地，核电厂计算机化规程系统还包括规程存档模块。规程处理模块，还与规程存档模块连接，用于根据操纵员的操作指令生成操作日志，并将操作日志传输至规程存档模块。规程存档模块，用于存储规程处理模块传输的操作日志，并存储操作后的规程，其中，操作后的规程包括操作记录和操作时对应的参数数值。
28.可选地，规程处理模块还包括第一处理单元和第二处理单元。
29.第一处理单元，与显示模块连接，用于接收显示模块传输的操纵员选择手动执行方式的数据，并根据规程信息确定向操纵员显示的中间变量、设备状态数据、设备控制手段，并将所确定的中间变量、设备状态数据、设备控制手段传输给显示模块显示，以使操纵员完成规程的操作指令。其中，手动执行方式下可预先设定根据规程信息应该向操纵员显示的中间变量、设备状态数据、设备控制手段。
30.第二处理单元，分别与显示模块和设备控制模块、规程存档模块、规程数据库连接，用于接收显示模块传输的操纵员选择自动执行方式的数据，以及，根据规程信息分析当前规程步骤，建立当前规程步骤所需的执行逻辑并确定当前规程步骤所需的参数数值和设备状态数据，并从数据交互模块获取所需的参数数值和设备状态数据，以及，通过设备控制模块向dcs发送设备控制命令，以及，在计算模块判断出当前规程步骤的执行逻辑已完成时，将当前规程步骤的执行结果和相关的参数数值传输至规程存档模块进行存储，并从规程数据库调取下一个规程步骤。
31.可选地，数据交互模块和设备控制模块与核电厂dcs二层总线采用通讯网络连接。
32.本实施例中，计算机化规程系统支持标准的开放的通用工业接口和常用的通讯协议，能够和不同dcs平台实现数据传递。计算机化规程系统包括计算处理和存储两部分功能，可由单个服务器独立实现或由两个服务器(计算服务器和存储服务器)分别实现。
33.计算机化规程系统支持计算机化规程的手动执行和自动执行，对于手动执行和自动执行的处理过程示例如下：
34.规程手动执行时，核电厂操纵员可在主控室操纵员工作站上的计算机化规程系统人机接口界面打开指定的规程，选择手动执行方式，计算机化规程系统根据规程内容向操纵员提供相关的信息显示和设备控制手段(或转到其他人机接口的链接)，操纵员利用这些显示和控制手段完成规程的操作指令。
35.规程自动执行时，操纵员在打开指定规程后选择自动执行方式，计算机化规程系统的规程处理模块会分析当前规程步骤，建立步骤执行完成逻辑并确定所需的参数和设备状态，通过数据交互模块从核电厂二层总线上采集相关的参数数值和设备状态数据，并通过设备控制模块向dcs发送设备控制指令，数据交互模块从核电厂二层总线上采集到的参数数值、设备状态数据、设备动作反馈的信息会送到计算模块，用以判断当前规程步骤完成逻辑的实现情况，若步骤执行完成，则规程执行结果和相关参数数值会存入规程存档模块，
规程处理模块从规程数据库中自动调取下一个步骤并重复上述的过程。规程自动执行方式的退出条件有三种：(1)操纵员手动选择退出，(2)自动执行达到预先规定的中断点，(3)步骤完成逻辑被判断为“不可完成”。
36.本实施例的计算机化规程系统所具有的功能是为核电厂运行人员执行正常、异常和事故运行规程提供辅助支持，该系统具有如下有益效果：
37.·
运行规程的操作步骤和相关参数的优化显示，使操纵员能够迅速获取操作要素并作出响应，大幅度提高事故处理效率；
38.·
对于需要分析数据或判断状态的操作步骤，计算机化规程系统根据机组当前参数自动计算出判断结果，并提供给操纵员作为辅助支持，减轻操纵员的工作量；
39.·
规程步骤的自动执行，在获得操纵员授权后，根据对规程步骤的分析结果自动执行操作，其中包括对设备的操作。自动执行时向操纵员显示分析结果和操作结果以便操纵员进行监控，操纵员可以随时停止自动执行过程，在重要步骤或遇到必须由操纵员作出选择的地方预先设置或临时设置检查点，自动执行到检查点时暂停执行等待操纵员的进一步指令。通过自动执行功能可以提高操纵员执行规程的效率，减轻操纵员工作量。
40.进一步地，本实施例还提供核电厂计算机化规程系统的开发流程如下：
41.步骤s1，计算机化规程开发工具和总体方案；
42.选取功能强大、兼容性好的开发工具。
43.选择满足标准gb/t12727和gb/t13625的硬件服务器实现计算机化规程系统与核电厂dcs二层总线之间以网络通讯(如modbus-tcp或tcp/ip等)的方式连接。
44.步骤s2，计算机化规程系统功能分析和人因分析；
45.为了确保计算机化规程系统能够实现预期目标，应对计算机化规程系统进行任务分析和功能分析。任务分析的目的是确定运行任务在操纵员和计算机化规程系统之间的分配关系，功能分析的目的是确定计算机化规程系统所需具备的功能。通过对计算机化规程系统的任务分析和功能分析，确定计算机化规程系统的功能要求。计算机化规程功能应至少包含以下类别：
46.·
计算机化规程系统的进入
47.·
数据的传输和可靠性要求
48.·
用户控制功能
49.·
导航和链接功能
50.·
显示功能
51.·
文档和存档功能
52.·
系统冗余性要求
53.·
多用户功能
54.·
条件逻辑判断功能
55.·
自动执行功能
56.人因分析的目的是为了确保计算机化规程系统和人机接口能够满足操纵员使用的人因需求。
57.步骤s3，计算机化规程系统软件开发；
58.a.计算机化规程计算处理软件开发：
59.计算机化规程系统中用于计算处理的模块主要包括规程处理模块、计算模块、数据交互模块和设备控制模块。规程处理模块是计算机化规程系统的核心模块，其作用是将规程、参数数值、设备状态数据、控制命令、人机接口和存档有机的结合在一起，实现计算机化规程的各种功能。
60.计算模块的功能一方面是对dcs系统中的数据进行二次计算，生成有效的中间变量，以减少操纵员监视时所需要关注的信息数量，进而提高效率；另一方面是根据当前的参数数值和设备状态数据进行逻辑运算，提供操作步骤的计算分析结果用于辅助操纵员判断或自动执行操作步骤。
61.数据交互模块和设备控制模块是与核电厂二层总线连接的接口模块，支持常用的通讯接口协议，能够快速大量地处理计算机化规程系统与核电厂dcs系统之间的数据传递，需要根据特定核电厂dcs系统的接口要求进行专门的开发和设置。
62.b.计算机化规程存储软件开发：
63.计算机化规程系统中存储类的模块包括规程数据库和规程存档模块。规程数据库中包含所有的数字化规程，规程内容可以通过辅助工具进行维护和更新，规程的状态信息根据使用情况实时更新，但不做永久保存。
64.规程存档模块的功能是用于存储规程操作日志和规程使用后的存档文件。规程操作日志按照操作时间顺序记录并保存，规程存档文件能够保存规程操作痕迹和规程步骤执行时相关参数的信息等。
65.c.计算机化规程人机接口软件开发：
66.计算机化规程系统中的显示模块作为人机接口，应能满足优化的人机界面的功能需求，如规程内嵌入式的实时数据显示和嵌入式软控制器等，显示模块还应能支持多屏幕互动，以和核电厂主控室配置相适合。
67.步骤s4，计算机化规程系统验证和确认。
68.为了测试计算机化规程系统能否满足预期目标，需要对计算机化规程系统进行验证和确认。验证和确认应按照以下顺序进行：
69.a.对系统设计文件、规格书和软件代码的审查和检验；
70.b.各模块的单独测试试验，确认各模块功能实现；
71.c.计算机化规程系统联合试验，确认计算机化规程系统功能满足要求；
72.d.计算机化规程系统运行试验，将计算机化规程系统与运行仿真系统或工程仿真机结合，应用各种运行工况进行测试，确认计算机化规程功能正确以及人机界面符合运行要求。
73.实施例2：
74.本实施例提供一种控制系统，包括实施例1所述的核电厂计算机化规程系统和dcs。
75.dcs包括核电厂dcs二层总线。dcs用于根据核电厂计算机化规程系统下发的自动控制命令和/或手动控制命令对设备进行控制，以及用于实时采集参数数值和设备状态数据，并将采集的参数数值和设备状态数据通过核电厂dcs二层总线传输给核电厂计算机化规程系统。
76.本实施例中，设备包括核电厂的各种阀门、泵、调节棒、补偿棒、断路器等。参数包
括棒位、水位、压力、温度、流量等。
77.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。