HTS熔鹽實(shí)驗(yàn)回路分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓利峰 陳永忠 周大勇 尹聰聰 郭 冰 黃國(guó)慶 張福春

（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

HTS熔鹽實(shí)驗(yàn)回路分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓利峰 陳永忠 周大勇 尹聰聰 郭 冰 黃國(guó)慶 張福春

（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

實(shí)驗(yàn)物理和工業(yè)控制系統(tǒng)(EPICS)是大型物理實(shí)驗(yàn)裝置常用的分布式控制系統(tǒng)軟件。本文將EPICS引入到反應(yīng)堆相關(guān)過程工藝控制領(lǐng)域，詳細(xì)分析了釷基熔鹽堆專項(xiàng)(TMSR)——硝酸鹽熔(HTS)實(shí)驗(yàn)回路控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思想和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過HTS實(shí)驗(yàn)回路實(shí)現(xiàn)EPICS控制系統(tǒng)的操作。完成S7 PLC硬件驅(qū)動(dòng)程序規(guī)范格式的改造，使其滿足對(duì)Autosave、devIocState等插件的支持；完成ASYN和StreamDevice軟件包在DTI-1000參考數(shù)字溫度指示器串口設(shè)備通訊中的應(yīng)用；完成EDM界面程序修改和熔鹽流動(dòng)、風(fēng)機(jī)和熔鹽泵轉(zhuǎn)動(dòng)等的Dynamic Symbols 動(dòng)態(tài)控件的構(gòu)建等。經(jīng)工程實(shí)踐證明，EPICS控制系統(tǒng)可以滿足以加熱控制、變頻控制以及溫度、流量、壓力等測(cè)量為主熔鹽回路的控制要求，能夠準(zhǔn)確、美觀地顯示過程量的變化，在整個(gè)系統(tǒng)的可靠性分析和測(cè)試方面還需作進(jìn)一步工作。

硝酸鹽熔(HTS)實(shí)驗(yàn)回路，EPICS，PLC，控制系統(tǒng)

EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)是用于大型科學(xué)裝置控制系統(tǒng)軟件開發(fā)和運(yùn)行的軟件工具集。基于可移植性和高穩(wěn)定性(基于EPICS的客戶端/服務(wù)器模式分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng))，在諸如LANL、ANL、CERN、DESY、SLAC[1?4]、合肥光源[5]、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所BEPCII、上海第三代同步輻射光源[6]等100多個(gè)大型科研項(xiàng)目的控制系統(tǒng)的研制中被廣泛采用。

中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所承擔(dān)的釷基熔鹽堆專項(xiàng)(TMSR)計(jì)劃在五年內(nèi)建設(shè)四個(gè)大型熔鹽試驗(yàn)回路，通過研究熔鹽的熱工水力特性、掌握熔鹽回路的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，最終完成釷基熔鹽堆的設(shè)計(jì)、建設(shè)任務(wù)。

TMSR戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的第一個(gè)熔鹽試驗(yàn)回路——硝酸鹽(HTS)熔鹽熱工試驗(yàn)回路，是一個(gè)具有完整的預(yù)熱與加料、加熱、循環(huán)和散熱功能的系統(tǒng)，在這個(gè)過程工藝控制為特點(diǎn)的熔鹽堆項(xiàng)目上，應(yīng)用EPICS分布式控制系統(tǒng)軟件，將為TMSR項(xiàng)目控制系統(tǒng)的搭建積累建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。

1 HTS熔鹽回路控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

HTS熔鹽回路控制系統(tǒng)需要控制熔鹽儲(chǔ)罐、熔鹽管道電伴加熱，保證熔鹽熔化；啟動(dòng)加料泵將熔鹽注入上端循環(huán)回路；啟動(dòng)循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)熔鹽在循環(huán)回路循環(huán)流動(dòng)，并且控制主加熱器加熱模擬堆芯不斷為熔鹽提供熱量；調(diào)節(jié)散熱器風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，模擬換熱過程。并在此過程中持續(xù)監(jiān)測(cè)各設(shè)備溫度、循環(huán)回路流量、壓差以及罐體液位等數(shù)據(jù)。HTS熔鹽熱工實(shí)驗(yàn)回路系統(tǒng)組成如圖1所示。

根據(jù)HTS熔鹽熱工實(shí)驗(yàn)回路結(jié)構(gòu)，可以把控制系統(tǒng)分為：儲(chǔ)罐加熱控制；主加熱器加熱控制；試驗(yàn)段加熱控制；管路電伴加熱控制；循環(huán)泵加熱控制；加料泵和循環(huán)泵運(yùn)轉(zhuǎn)控制；溫度、流量、液位監(jiān)測(cè)；散熱器風(fēng)機(jī)控制和連鎖保護(hù)等子系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1) 與加熱控制機(jī)柜的西門子S7300 PLC通信，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐、主加熱器、循環(huán)罐和所有熔鹽管道的預(yù)熱和保溫控制。包括回路設(shè)備預(yù)熱溫度、熔鹽制備溫度控制?？刂葡到y(tǒng)向DCS系統(tǒng)發(fā)出的啟動(dòng)、停止、控制等操作命令，接受(DCS)加熱器處于運(yùn)行、停止、超溫、互鎖狀態(tài)等信號(hào)。

(2) 與運(yùn)行數(shù)據(jù)控制機(jī)柜橫河(PLC)通信，實(shí)現(xiàn)相連熱電偶、熔鹽流量計(jì)、空氣流量計(jì)、液位計(jì)、壓力傳感器等的數(shù)據(jù)采集。檢測(cè)回路系統(tǒng)的溫度、液位、流量、壓力等，并監(jiān)控系統(tǒng)故障。

(3) 客戶端用戶管理、時(shí)間同步、共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，使控制室終端可使用相同用戶登錄，修改共享文件，以及同步機(jī)器時(shí)鐘。

(4) 提供用戶友好界面，系統(tǒng)分層清晰簡(jiǎn)潔，操作人員容易掌握，能動(dòng)態(tài)顯示熱工實(shí)驗(yàn)流程。

(5) 提供加熱系統(tǒng)、循環(huán)泵等的連鎖界面，顯示連鎖狀態(tài)，提供旁路和解鎖功能。

圖1 HTS熔鹽熱工實(shí)驗(yàn)回路系統(tǒng)組成Fig.1 HTS molten salt thermal experimental loop system structure.

2 HTS熔鹽回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

EPICS IOC(Input Output Controller)核心是一個(gè)常駐內(nèi)存的分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，每個(gè)數(shù)據(jù)通道作為數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)記錄存放在控制該通道的IOC中，每個(gè)記錄中的值可以來自硬件設(shè)備輸出、操作員命令或者其他記錄的輸出，所有的過程控制功能也基本上在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)現(xiàn)。

通過建立在TCP/IP協(xié)議上的Channel Access通道訪問機(jī)制實(shí)現(xiàn)了Channel Access客戶端(CAC)和Channel Access服務(wù)器(CAS)間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信(圖2)。

圖2 HTS熔鹽試驗(yàn)回路的軟件結(jié)構(gòu)Fig.2 Software structure of the HTS molten salt test loop.

CA客戶端包括HMI (Human Machine Interface)、ALH (Alarm Handler)和Archive Viewer。HMI是運(yùn)行在客戶端的操作員接口界面程序，最常用的HMI程序是EDM，HTS試驗(yàn)回路利用EDM作為用戶界面的創(chuàng)建和執(zhí)行引擎；ALH實(shí)現(xiàn)對(duì)異常報(bào)警的監(jiān)控以及對(duì)報(bào)警細(xì)節(jié)管理；Channel Archive及Viewer是共同實(shí)現(xiàn)EPICS IOC所有在線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢的程序。其他軟件工具包Error Log和AutoSave分別實(shí)現(xiàn)IOC故障狀態(tài)檢測(cè)和IOC控制參量存貯與自動(dòng)恢復(fù)。

由圖3，硬件結(jié)構(gòu)大致分為操作員界面(OPI)、運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)、PLC控制機(jī)柜、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。OPI層采用PC機(jī)(Centos 6 Linux)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備狀態(tài)，PC機(jī)上運(yùn)行EPICS EDM工具設(shè)計(jì)的用戶操作界面，并以大屏幕液晶電視屏作為擴(kuò)展；控制終端的數(shù)據(jù)來自EPICS IOC運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)層(DELL PowerEdge R410/Centos 6 linux)，EPICS IOC軟件包分別實(shí)現(xiàn)與西門子S7-300 PLC、橫河FA-M3型PLC及高精度熱電偶測(cè)溫儀DTI-1000聯(lián)接的串口服務(wù)器的通信；設(shè)備層通過西門子S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)加熱控制，通過橫河FA-M3型PLC實(shí)現(xiàn)儀器儀表等標(biāo)準(zhǔn)電壓/電流信號(hào)監(jiān)控。

圖3 HTS控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the HTS molten salt thermal test loop control system.

3 EPICS IOC硬件驅(qū)動(dòng)

HTS實(shí)驗(yàn)回路控制系統(tǒng)擁有控制量約480個(gè)，其中bi(bit input)和ai(analog input)占約60%，bo(bit output)和ao(analog output)占約30%，其他計(jì)算所得中間變量占約10%(表1)。數(shù)據(jù)來源主要是西門子PLC和橫河PLC的通訊模塊，少量數(shù)據(jù)來自高精度熱電偶測(cè)溫儀DTI-1000相連的串口服務(wù)器NPort5410(圖4，控制系統(tǒng)記錄的儲(chǔ)罐第一次升溫過程高精度熱電偶溫度數(shù)據(jù)和加熱器電流數(shù)據(jù))。軟件方面的任務(wù)主要集中在數(shù)據(jù)庫(kù)文件的編寫、接口驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)以及用戶操作界面的編寫，下面主要就EPICS與PLC及串口服務(wù)器的通訊實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。

圖4 HTS回路儲(chǔ)罐升溫溫度和加熱器電流Fig.4 Monitoring temperature and the current data of the molten salt tank.

表1 運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)類型及來源點(diǎn)數(shù)分布Table1 The points distribution of data types and sources.

3.1與可編程邏輯控制器PLC通信

EPICS IOC與西門子S7系列PLC通訊使用SLS開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序，該驅(qū)動(dòng)是基于TCP/IP服務(wù)器/客戶端模式的通訊協(xié)議。在使用過程中，對(duì)IOC驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，使其目錄結(jié)構(gòu)符合EPICS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用模板的格式。標(biāo)準(zhǔn)化后的IOC不僅能方便數(shù)據(jù)庫(kù)文件的管理、驅(qū)動(dòng)程序的版本維護(hù)、相關(guān)開發(fā)人員的閱讀，還能實(shí)現(xiàn)EPICS工具包插件的加載(如Autosave和devIocState：Autosave實(shí)現(xiàn)IOC重啟過程中控制量保存和再加載，devIocState實(shí)現(xiàn)EPICS IOC狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控)[7]。

建立標(biāo)準(zhǔn)格式的IOC，首先通過makeBaseApp.pl生成一個(gè)IOC實(shí)例的應(yīng)用目錄和IOC啟動(dòng)目錄，有*App、configure、iocBoot和Makefile等[8,9]。Makefile包含了所有的規(guī)則和目標(biāo)，因源文件編譯規(guī)則較多，故每個(gè)目錄中都有自己的Makefile文件，主Makefile逐級(jí)調(diào)用下層Makefile。IOC實(shí)例中最主要的為*App應(yīng)用目錄(本例中為s7plcAPP)，其包含源文件目錄src和數(shù)據(jù)庫(kù)db目錄。src目錄由設(shè)備支持(device support)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)(device drivers)等程序文件組成。db目錄主要包含IOC實(shí)例各記錄的定義。src目錄中Makefile首先建立s7plcSupport庫(kù)文件，s7plcSupport動(dòng)態(tài)庫(kù)由s7plc的設(shè)備支持程序、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和EPICS_BASE_IOC庫(kù)生成。然后建立s7plc IOC應(yīng)用，s7plc_registerRecordDeviceDriver.cpp主要實(shí)現(xiàn)記錄支持程序、設(shè)備支持程序和驅(qū)動(dòng)支持程序之間的接口，它由s7plc IOC總的數(shù)據(jù)庫(kù)定義文件s7plc.dbd生成?？偟臄?shù)據(jù)庫(kù)定義文件由base.dbd、s7plcBase.dbd、s7plcCalcout.dbd、s7plcReg.dbd、sSupport.dbd等構(gòu)成[10,11]。

在IOC的啟動(dòng)腳本中，s7plc驅(qū)動(dòng)的配置函數(shù)為s7plcConfigure (PLCname, IPaddr, port, inSize, outSize, bigEndian, recvTimeout, sendIntervall)。

例如：s7plcConfigure ("HTS_STATION:0", "192.168.0.10", 3, 1024, 32, 1, 500, 100)。

運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)紀(jì)錄實(shí)例為：

record(bi, "HTS:MH:120Status") {

field(DTYP, "S7plc")

field(DESC, "STA_YY120_RUN")

field(INP, "@HTS_Station:0/1 B=9 T=WORD")

field(SCAN, "I/O Intr")

field(ONAM, "ON")

field(ZNAM, "OFF")

}

圖5顯示了運(yùn)行經(jīng)由驅(qū)動(dòng)讀到的數(shù)據(jù)塊與數(shù)據(jù)庫(kù)紀(jì)錄之間的數(shù)位匹配關(guān)系。

3.2 EPICS與串口通信

StreamDevice是一個(gè)通用的"字節(jié)流"接口設(shè)備的EPICS設(shè)備支持。設(shè)備通過發(fā)送和接收的字符串來控制。這種類型的通信接口如串行線(RS-232，RS-485，...)、IEEE-488(也稱GPIB或HP-IB)和telnet的TCP/IP[12,13]。

圖5 EPICS記錄與PLC數(shù)據(jù)塊的數(shù)位對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.5 Correspondence between the EPICS records and the PLC data blocks

如圖6所示，HTS熔鹽試驗(yàn)回路現(xiàn)場(chǎng)使用兩臺(tái)JOFRA DTI-1000參考數(shù)字溫度指示器和四個(gè)JOFRA STS高精度溫度探頭，作為其他熱電偶的溫度校正。其中DTI-1000采用串口通訊，現(xiàn)場(chǎng)使用串口服務(wù)器MOXA NP4510把兩臺(tái)溫度指示器連接到EPICS IOC服務(wù)器，并使用MOXA npreal驅(qū)動(dòng)將其影射為本地TTY串口。EPICS IOC與本地影射串口間通信使用StreamDevice驅(qū)動(dòng)包實(shí)現(xiàn)。DTI串口命令為ASCII碼‘b’，返回?cái)?shù)據(jù)九個(gè)字節(jié)，包括通訊命令’b’、浮點(diǎn)數(shù)溫度值一、值二。

圖6 DTI-1000參考溫度指示器與EPICS通訊結(jié)構(gòu)Fig.6 Communication realization between DTI-1000 reference temperature indicator and EPICS

StreamDevice通訊協(xié)議文件為：

MaxInput = 9; ＃讀取的字節(jié)數(shù)

ReadT{

out "$1"; in "b%R%($2)R";

}

數(shù)據(jù)記錄定義文件為：

record (ai, "Temp1")

{

field (DESC, "HPTemp1")

field (DTYP, "stream")

field (INP, "@devexample.proto

ReadT(b,Temp2) $(BUS)")

}

record (ai, "Temp2")

{

field (DESC, "HPTemp2") field (DTYP, "stream")

}

按照通訊協(xié)議，驅(qū)動(dòng)輸入'b'與串口DTI設(shè)備進(jìn)行通訊，將第一個(gè)大端(Big Endian)浮點(diǎn)數(shù)溫度數(shù)據(jù)傳遞給Temp1，將第二個(gè)大端(Big Endian)浮點(diǎn)數(shù)溫度數(shù)據(jù)傳遞給Temp2。

4 用戶操作界面

根據(jù)HTS熔鹽試驗(yàn)回路以溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)作為被控變量的過程控制特點(diǎn)，利用EDM界面設(shè)計(jì)程序“Auto make symbol”功能(圖7)，制作流動(dòng)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、泵運(yùn)轉(zhuǎn)等動(dòng)態(tài)控件(Dynamic Symbols)。并通過修改EDM程序，使動(dòng)態(tài)控件幀播放速度受PV變量控制。通過簡(jiǎn)單直觀的圖形動(dòng)畫的形式，增強(qiáng)了人機(jī)界面的顯示效果。

圖7 HTS 試驗(yàn)回路的控制系統(tǒng)EDM主界面Fig.7 Main control system EDM operator interface of the HTS test loop.

5 結(jié)語

EPICS沒有應(yīng)用于核能項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆項(xiàng)目確定以 EPICS作為分布式控制系統(tǒng)的軟件基礎(chǔ)，我們希望在過程工藝控制為特點(diǎn)的熔鹽堆項(xiàng)目上應(yīng)用EPICS分布式控制系統(tǒng)軟件。在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了規(guī)劃，完成了包括網(wǎng)絡(luò)配置、服務(wù)器配置、硬件接口通信、報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)記錄、操作界面設(shè)計(jì)等。通過HTS熔鹽回路控制系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行，證明基于EPICS的軟件設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)熔鹽試驗(yàn)一回路完整的預(yù)熱與加料、加熱、循環(huán)和散熱功能，完成熔鹽介質(zhì)在不同工況下的熱工水力參數(shù)的測(cè)定。在這個(gè)過程中我們對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，一方面是實(shí)現(xiàn)對(duì)autosave等標(biāo)準(zhǔn)插件的支持，另一方面也為IOC冗余配置作準(zhǔn)備，我們希望在軟件安全可靠性方面作進(jìn)一步的研究。同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了串行接口設(shè)備與EPICS的數(shù)據(jù)交換，并通過圖形動(dòng)畫控件的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了用戶操作界面的顯示效果。

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LIU Bo, KONG Xiangcheng. Development of serial port device driver under EPICS[J]. Journal of the Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, 2005, 22(6): 690?694

CLCTL362+.5

Design of the distributed control system for HTS molten salt test loop

HAN Lifeng CHEN Yongzhong ZHOU Dayong YIN Congcong GUO Bing HUANG Guoqing ZHANG Fuchun

(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)

Background:Experimental Physics and Industrial Control System (EPICS) is the distributed control system software which is commonly used in large-scale experimental physics facilities. Purpose: We wish to apply it into the field of molten salt reactor relevant process control, e.g. HTS 1sttest loop of thorium-based molten salt reactor (TMSR), which is characterized by heating, circulation, cooling and other process control. Methods: During the development of EPICS based control system, the Simense S7-300 PLC and Yokogawa FA-M3 PLC hardware drivers specification format transformation has been done, to support the Autosave and devIocState plug, and ASYN serial communication between the DTI-1000 reference digital temperature indicator and the EPICS IOC has been developed with the StreamDevice packages, also EDM interface program was modified to support PV control of the“molten salt flow”, “fans”, “molten salt pump rotation”, etc. by dynamic symbols. Results: EPICS based control system achieved the standardized communication of three hardwares with different types, the monitoring and storage of nearly 500 process variables, and the dynamic monitoring of control process. Conclusions: The EPICS-based control system can achieve the molten salt heating, feeding, cooling and other process control of the molten salt test loop. Safety analysis and research of control system requires further efforts to implement.

HTS test loop, EPICS, PLC, Control system

TL362+.5

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.090603

韓利峰，男，1981年出生，2009年于中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所獲博士學(xué)位，反應(yīng)堆控制系統(tǒng)

陳永忠，E-mail: chenyongzhong@sinap.ac.cn

2013-07-22，

2013-08-10