軟件仿真核電站堆芯核測量系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

杜曉光 張 君 關(guān)濟實

（中科華核電技術(shù)研究院有限公司 北京分公司 北京 100086）

在核電站運行過程中需監(jiān)測反應(yīng)堆的熱功率，以判斷電站的工作狀態(tài)是否與預(yù)設(shè)狀態(tài)一致。反應(yīng)堆熱功率與中子注量率成正比，因此測量反應(yīng)堆堆芯中子通量分布的堆芯核測量系統(tǒng)是重要的監(jiān)測系統(tǒng)。目前我國大多數(shù)在役核電站使用的移動式微型裂變室堆芯核測量系統(tǒng)[1–3]，集機械、電氣和核測量于一體，通過機電配合完成中子通量測量。其機械系統(tǒng)的重要部件須從國外進口，生產(chǎn)批量少，采購周期長。在系統(tǒng)設(shè)計制造階段，其制約控制軟件的調(diào)試工作，影響軟件質(zhì)量；在測量系統(tǒng)的制造和調(diào)試過程中，控制部分須反復(fù)調(diào)試才能得到某些參數(shù)的最佳值。使用過程中的機械磨損使部件使用壽命降低。

鑒此，我們用Rockwell公司的自動化組態(tài)軟件RSView32與工業(yè)通信軟件 RSLinx，構(gòu)成基于RSView32的仿真堆芯中子注量率測量系統(tǒng)，在堆芯核測量系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試中的仿真測量，其電氣和機械功能的實現(xiàn)和性能修改方便，調(diào)試靈活。調(diào)試過程中不涉及機械磨損，提高了機械設(shè)備的使用壽命。

1 測量系統(tǒng)組成及工作原理

堆芯核測量系統(tǒng)主要包括主機柜、通道柜、分配柜和機械設(shè)備。主機柜中運行人機交互(Human-Machine Interface, HMI)工控機，控制整個測量系統(tǒng)。通道柜和分配柜分別放置于控制室和測量現(xiàn)場，內(nèi)部安裝一套分布式PLC系統(tǒng)和成套電氣設(shè)備。

3×105kW核電站堆芯核測量系統(tǒng)由 1臺主機柜、3臺通道柜、1臺分配柜和3套機械設(shè)備組成。每套機械設(shè)備包括1臺驅(qū)動裝置、3臺選擇器和10根測量管路。測量系統(tǒng)有3個測量通道，每個測量通道可測量10個管路。系統(tǒng)工作時，操作員在主機柜發(fā)送測量指令，3臺通道柜分別控制對應(yīng)通道的測量工作。通道柜將發(fā)送控制指令通過分配柜控制機械設(shè)備，機械設(shè)備驅(qū)動中子探測器完成1個管路的測量工作[2,3]。仿真測量系統(tǒng)與真實的測量系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)更加簡單。仿真測量系統(tǒng)由分布式PLC系統(tǒng)和2臺工控機組成。工控機中分別安裝了控制測量系統(tǒng)的人機交互軟件和仿真測量系統(tǒng)的仿真軟件。兩個系統(tǒng)組成對比如表1所示。

RSLinx將PLC與自動化軟件無縫連接，并提供OPC(OLE for Process Control)和DDE(Dynamic Data Exchange)通訊方式，為控制器與組態(tài)軟件建立通訊鏈接。在仿真測量系統(tǒng)中，RSLinx軟件作為OPC服務(wù)器，負責(zé)PLC控制器與RSView32軟件間的數(shù)據(jù)交換[4]。

RSView32通過RSLinx與PLC控制器建立通訊連接，可采集數(shù)據(jù)，監(jiān)視和記錄自動化生產(chǎn)過程，也可創(chuàng)建和修改數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動化控制。通過在RSView32中設(shè)計的HMI，可完成數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲，以及生產(chǎn)控制等[5]。用RSView32設(shè)計系統(tǒng)仿真軟件，在工業(yè)和研究中應(yīng)用非常普遍[6–9]。在該仿真測量系統(tǒng)中，工業(yè)級PC機中安裝了一塊ControlNet網(wǎng)絡(luò)通訊卡，PLC系統(tǒng)的 CNB通訊模塊由同軸電纜與通訊卡連接。PLC控制器通過此連接向RSLinx軟件接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。RSLinx和RSView32軟件安裝在同一臺計算機中，通過OPC協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，RSLinx軟件相當于連接PLC控制器和RSView32軟件的橋梁。

操作員從該堆芯中子注量率測量系統(tǒng)工控機的HMI發(fā)出的控制命令，由 ControlNet網(wǎng)絡(luò)傳遞給PLC控制器，從而觸發(fā)相應(yīng)的執(zhí)行程序。如需控制機械設(shè)備，PLC控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送到輸出模塊，再傳遞給電氣設(shè)備控制機械設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的動作。運行過程中，PLC控制器通過輸入模塊監(jiān)視電氣和機械設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相應(yīng)的程序。PLC的控制數(shù)據(jù)均由輸出模塊傳遞給電氣和機械設(shè)備，即控制器僅根據(jù)輸入/輸出模塊端子的信號執(zhí)行程序。

表1 真實和仿真測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成Table 1 The measurement system structure (Real vs Simulative).

在 PLC系統(tǒng)中，控制器與輸入/輸出模塊的數(shù)據(jù)交換通過標簽(Tag)進行。在控制器內(nèi)部，輸入/輸出模塊的每個I/O端口都有對應(yīng)的標簽?？刂破髯x寫輸入/輸出模塊端子值實際上是讀寫與端子對應(yīng)的標簽值(圖1a)。

該仿真測量系統(tǒng)用 RSLinx通訊軟件和RSView32組態(tài)軟件代替了真實測量系統(tǒng)中的輸入/輸出模塊、電氣和機械設(shè)備。在RSView32中有一個標簽數(shù)據(jù)庫，可創(chuàng)建各種數(shù)據(jù)類型的標簽。通過RSLinx通訊軟件提供OPC服務(wù)器，RSView32中的標簽可與PLC控制器中的標簽建立對應(yīng)關(guān)系，相關(guān)聯(lián)標簽間可共享數(shù)據(jù)(圖1b)。

當 PLC控制器發(fā)出控制指令時，將修改 PLC控制器中某一標簽值，RSView32程序中對應(yīng)的標簽值將同時發(fā)生相應(yīng)改變。RSView32程序?qū)㈨憫?yīng)標簽值的改變，仿真機械設(shè)備做出相應(yīng)的動作，同時修改與動作相關(guān)的標簽。最后修改的標簽值通過RSLinx中的OPC服務(wù)器傳遞給PLC控制器，供PLC控制器執(zhí)行控制程序。

圖1 真實和仿真測量系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematics of the measurement control systems.

2 仿真測量系統(tǒng)軟件設(shè)計

RSView32需仿真的設(shè)備主要包括驅(qū)動機箱、測量機箱和電源機箱等電氣設(shè)備，以及驅(qū)動裝置、選擇器、電動閥和泄漏探測器等機械設(shè)備。仿真系統(tǒng)需實現(xiàn)的硬件類型較多，功能各不相同，不同硬件間不存在數(shù)據(jù)交換，因此采用模塊化的設(shè)計方法，每個模塊實現(xiàn)一個硬件功能。

真實測量系統(tǒng)中電動閥的操作過程為開某管路的電動閥并測量該管路，PLC控制器通過數(shù)字量輸出模塊發(fā)出“打開閥門”指令，電氣設(shè)備將電動閥加上48 V直流電壓，電動閥旋轉(zhuǎn)閥門到打開狀態(tài)后停止，并由電氣設(shè)備返回一個信號，表示為“閥門已打開”，PLC控制器接收到該信號后，確定電動閥已打開(圖2a)。

圖2 真實和仿真測量系統(tǒng)中電動閥的動作Fig.2 Action of motor-driven valves.

該管路測量結(jié)束，PLC控制器通過數(shù)字量輸出模塊發(fā)出“關(guān)閉閥門”指令，電氣設(shè)備將電動閥加上48 V直流電壓，閥門旋轉(zhuǎn)到關(guān)閉狀態(tài)后停止，并由電氣設(shè)備返回一個信號，表示為“閥門已關(guān)閉”，PLC控制器接收到該信號后，確定電動閥已關(guān)閉。

由對電動閥工作的描述，確定一個電動閥所需得兩個輸入和輸出信號見表2(以1#電動閥為例)。表2的信號類型系對 PLC控制器而言，標簽建立在PLC控制器中。該電動閥所需控制標簽確定后，就可在RSView32中建立相應(yīng)標簽，通過OPC服務(wù)器將RSView32軟件中的標簽與PLC控制器中的標簽建立連接。

表2 操作電動閥的信號和標簽Table 2 The signals and tags of action of the motorized valve.

通過RSView32軟件的事件功能，可實現(xiàn)仿真電動閥。需打開電動閥時，PLC控制器將標簽(SetValve1Open)置為1。標簽值通過RSLinx軟件提供的OPC服務(wù)器傳遞給RSView32，RSView32接收到該標簽值將觸發(fā)RSView32中的“打開電動閥”事件。由于實際的電動閥中的閥門旋轉(zhuǎn)有一個持續(xù)時間，所以事件觸發(fā)后，會等待 1 s后將標簽(GetValve1Open)置為 1。標簽(GetValve1Open)將通過OPC服務(wù)器傳遞給PLC控制器(圖2b)。

仿真測量系統(tǒng)可實現(xiàn)各種機械動作，還可顯示機械設(shè)備的當前狀態(tài)。例如：可在電動閥的監(jiān)控畫面中顯示電動閥的開關(guān)狀態(tài)，這由衍生標簽功能實現(xiàn)。為顯示電動閥的當前狀態(tài)，創(chuàng)建了標簽Valve1Status，通過衍生標簽將標簽Valve1Status與標簽 GetValve1Open建立關(guān)系。Valve1Status標簽值會隨 GetValve1Open標簽值發(fā)生改變，通過Valve1Status標簽值可以監(jiān)測到電動閥的當前狀態(tài)，并顯示在畫面中。仿真測量系統(tǒng)軟件在后臺實現(xiàn)各種機械動作，在軟件界面中提供操作測量系統(tǒng)的畫面，并顯示機械設(shè)備的狀態(tài)。軟件的結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 仿真測量系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Program diagram to simulate the in-core neutron flux measurement.

仿真監(jiān)控畫面顯示整個測量系統(tǒng)，通過控制畫面可切換到不同用途的控制界面中。測量控制畫面用于啟動和停止各種測量模式，修改測量參數(shù)等；控制臺畫面用于仿真實際的控制臺；電動閥畫面用于顯示和控制所有的電動閥；泄漏監(jiān)測畫面用于顯示泄漏探測器的狀態(tài)。

3 結(jié)語

堆芯核測量系統(tǒng)采用直流有刷電機作為驅(qū)動電機。直流電機的電刷在工作過程中，受機械摩擦和電蝕的影響，會逐漸磨損[10]。減少電機的使用次數(shù)，會提高電機的使用壽命。仿真軟件的使用，使系統(tǒng)前期調(diào)試過程中無需使用電機，從而減少了電刷的磨損。

利用組態(tài)軟件RSView32的衍生標簽和事件功能，通過OPC技術(shù)，建立了軟件與PLC控制器之間的實時通信，實現(xiàn)堆芯中子注量率測量系統(tǒng)仿真。

仿真測量系統(tǒng)與真實測量系統(tǒng)的 PLC控制程序的聯(lián)調(diào)試驗證實，仿真測量系統(tǒng)不僅仿真實現(xiàn)了真實測量系統(tǒng)的各種機械動作，對PLC程序的各種控制指令做出正確響應(yīng)，且可以仿真各種機械設(shè)備的故障，驗證了控制軟件的錯誤診斷程序。

仿真測量系統(tǒng)無需電氣和機械設(shè)備的支持，使工作人員在項目早期就可以調(diào)試系統(tǒng)控制軟件。從而及時發(fā)現(xiàn)控制軟件中的控制邏輯和設(shè)計缺陷。仿真測量系統(tǒng)對各種故障的模擬，使得對控制軟件中故障診斷和處理模塊的驗證更加方便。加快了控制軟件開發(fā)進度，提高了軟件質(zhì)量。仿真測量系統(tǒng)為項目的實施提供了有力的保障。

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