CPR1000核電站三廢處理控制系統(tǒng)仿真測試技術(shù)應(yīng)用

北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司 康炤旭

CPR1000核電站三廢處理控制系統(tǒng)仿真測試技術(shù)應(yīng)用

北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司 康炤旭

為實現(xiàn)工廠測試期間，能夠最大限度地模擬核電廠三廢系統(tǒng)的工藝設(shè)備，對三廢控制系統(tǒng)（DCS）的組態(tài)邏輯正確性進行驗證，通過結(jié)構(gòu)化文本語言編寫仿真測試程序，對現(xiàn)場的工藝設(shè)備的運行狀態(tài)進行仿真模擬。同時選取對核電站硼回收系統(tǒng)（TEP）的1號除汽器的仿真測試，驗證仿真測試程序的可行性，提出了一種低成本，高效率的測試方法。

結(jié)構(gòu)化文本；DCS；仿真；測試；順序控制

1 CPR1000核電站三廢系統(tǒng)簡介

三廢系統(tǒng)主要功能是控制、收集、處理、輸送、監(jiān)測、貯存和排放核電站正常運行工況和預(yù)期運行條件下產(chǎn)生的各種氣、液、固放射性廢物；確保核電站的放射性排放量低于國家標準GB6249-86“核電廠環(huán)境輻射防護規(guī)定”所規(guī)定的限值，使對公眾所造成的輻射照射遵循“合理可行盡量低”的原則[1]。三廢處理系統(tǒng)(KSN)主要包括以下幾個子系統(tǒng)：

? 硼回收系統(tǒng)（TEP）

? 放射性廢液處理系統(tǒng)（TEU）

? 放射性固體廢物處理系統(tǒng)（TES）

? 放射性廢氣排放系統(tǒng)（TEG）

? 核輔助廠房通風(fēng)系統(tǒng)（DVN）

? 核島排氣和疏水系統(tǒng)（RPE）

? 硼加熱系統(tǒng)（RRB）

? 輔助蒸汽分配系統(tǒng)（SVA）

2 CPR1000核電站三廢控制系統(tǒng)概述

2.1 背景

三廢系統(tǒng)工藝復(fù)雜，控制設(shè)備多，因此至嶺澳二期開始，三廢系統(tǒng)的控制系統(tǒng)已經(jīng)開始采用DCS系統(tǒng)，替代了原來的繼電器控制。同時三廢系統(tǒng)在核電廠的整個生命周期內(nèi)都需要可靠，穩(wěn)定的運行，其DCS系統(tǒng)的準確，可靠運行則顯得十分重要，為此需要在DCS系統(tǒng)出廠前，對整個DCS系統(tǒng)進行系統(tǒng)測試，確保DCS系統(tǒng)功能準確、可靠。

2.2 控制系統(tǒng)的組成

三廢系統(tǒng)的DCS系統(tǒng)包括人機界面層、數(shù)據(jù)處理層和現(xiàn)場控制層。如圖1所示，人機界面層包括操作員站、打印機、組態(tài)工程師站等，完成DCS系統(tǒng)的離線組態(tài)，實現(xiàn)整個DCS系統(tǒng)的人機交互功能，進行數(shù)據(jù)的成組顯示、趨勢顯示、工藝流程圖顯示、報警規(guī)程顯示等，從而對三廢工藝系統(tǒng)的進行實時監(jiān)視與控制。數(shù)據(jù)處理層包括交換機、服務(wù)器，是連接人機界面層與現(xiàn)場控制層的橋梁，并為人機界面層提供數(shù)據(jù)存儲、查詢、報警處理等功能；現(xiàn)場控制層包括控制器，現(xiàn)場信號采集模塊，控制信號輸出模塊?，F(xiàn)場控制層接收人機界面層的控制指令，采集工藝現(xiàn)場的物理信號，按照預(yù)先組態(tài)好的控制策略，對現(xiàn)場的工藝設(shè)備進行監(jiān)測與控制。

圖1 DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.3 控制功能測試方案選擇

DCS系統(tǒng)集成完成后，需要對DCS系統(tǒng)的整體情況進行測試，測試范圍包括DCS系統(tǒng)平臺功能測試、DCS系統(tǒng)性能測試、DCS系統(tǒng)組態(tài)邏輯測試。其中DCS系統(tǒng)組態(tài)邏輯測試最為重要。所謂邏輯測試，即按照核電站三廢處理系統(tǒng)的控制邏輯要求，對DCS系統(tǒng)運行后的真實控制輸出進行驗證，確保DCS系統(tǒng)在一定的輸入條件下能夠按照控制邏輯的要求完成控制指令的輸出。為實現(xiàn)上述的測試目標，有如下幾種方案：

方案一：1比1建立與實際核電廠三廢處理系統(tǒng)設(shè)備相同的實物測試環(huán)境，并將DCS系統(tǒng)與測試環(huán)境通過硬接線連接。此方案可以真實的反映出現(xiàn)場設(shè)備的各種狀態(tài)，測試結(jié)果也最真實，但是將耗費大量的設(shè)備費用、人工費用，成本十分高昂，此方案不可取。

方案二：采用計算機仿真技術(shù)，搭建三廢系統(tǒng)所有控制設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，并在單獨的一臺計算機柜中運行仿真模型，DCS系統(tǒng)與仿真模型進行數(shù)據(jù)交互，達到測試的目的。此方案較方案一節(jié)省成本，但是計算機柜的集成，現(xiàn)場設(shè)備數(shù)學(xué)模型的建立，DCS系統(tǒng)與仿真模型的信號連接都需要耗費大量的時間、費用，亦不可取。

方案三：利用DCS系統(tǒng)本身的特性，在現(xiàn)場控制層的控制器中運行仿真程序，仿真程序?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備進行模擬，從而對控制邏輯進行驗證。此方案最大的優(yōu)點是測試期間，DCS系統(tǒng)不再需要與任何的實物進行連接即可進行控制邏輯的驗證，無需增加任何費用。雖然真實性不如前兩種方案，但是單從邏輯驗證角度來說，可以滿足要求。綜上，采取方案三。

3 CPR1000核電站硼回收系統(tǒng)仿真測試方案實施

為實現(xiàn)上述的仿真測試方案，需要從以下幾個方面入手：

? 仿真程序的編寫；

? 仿真程序與DCS邏輯控制程序的結(jié)合；

? DCS控制邏輯的仿真測試。

3.1 仿真程序

3.1.1 仿真程序的需求

結(jié)合對三廢處理系統(tǒng)控制邏輯的分析，核電廠三廢處理系統(tǒng)中包含26個PID控制，5個順序控制邏輯，分別為TEP系統(tǒng)1號除汽器的順序控制、TEP系統(tǒng)2號除汽器的順序控制、TEP系統(tǒng)1號蒸發(fā)器的順序控制、TEP系統(tǒng)2號蒸發(fā)器的順序控制和TEU系統(tǒng)1號蒸發(fā)器的順序控制。順序控制程序的特點決定了控制程序運行到任何一步都需要接收到現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)反饋，順序控制程序才能繼續(xù)運行下去。為此，仿真程序就需要在收到DCS系統(tǒng)的控制指令后模擬現(xiàn)場設(shè)備的動作，向DCS系統(tǒng)饋送反饋信號。順序控制程序中作為轉(zhuǎn)換條件的絕大部分都是設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，僅有TEP系統(tǒng)除汽器控制中兩個三通控制閥需要實現(xiàn)開度的控制，根據(jù)閥門開度的范圍對閥門的開關(guān)狀態(tài)進行設(shè)置。為此仿真程序需要完成以下功能：（1）接收DCS系統(tǒng)發(fā)出的控制輸出信號，模擬現(xiàn)場設(shè)備的開關(guān)行程時間，收到信號延時一定的時間向DCS系統(tǒng)饋送該設(shè)備的動作到位反饋信號。（2）接收DCS系統(tǒng)發(fā)出的除汽器控制系統(tǒng)中的三通控制閥的開度模擬量控制信號，根據(jù)開度的范圍自主判斷三通控制閥的開關(guān)狀態(tài)，并將開關(guān)反饋信號饋送到DCS系統(tǒng)。

3.1.2 仿真程序的編寫

因為仿真程序運行在DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場控器中，因此需要采用現(xiàn)場控制器可以識別的編程語言進行仿真程序的編寫，現(xiàn)場控制器的邏輯組態(tài)采用德國科維公司的Multiprog，該軟件支持IEC61131-3標準中的5種編程語言，指令語句表（IL），結(jié)構(gòu)化文本（ST），功能塊圖（FBD），梯形圖（LD），順序功能圖（SFC）[2]。其中ST是針對自動化系統(tǒng)的高級文本編程語言。簡單的標準結(jié)構(gòu)確?？焖?、高效的編程。ST使用了高級語言的許多傳統(tǒng)特性，包括：變量、操作符和控制流程語句。ST還能與其它的PLC編程語言一起工作。那么什么是結(jié)構(gòu)化文本呢？"結(jié)構(gòu)"是指高水平的結(jié)構(gòu)化編程能力，象一個"結(jié)構(gòu)化的編程"；"文本"是指應(yīng)用文本而不是梯形圖和順序函功能表的能力[3]。因此使用ST語言，在知道程序要求后，可以很方便地對程序要求進行翻譯，進而完成程序的編寫。

3.2 仿真程序的應(yīng)用

3.2.1 仿真功能塊

仿真程序用來模擬現(xiàn)場的設(shè)備，因此將仿真程序定義為一個功能塊，在每個設(shè)備控制邏輯的方案頁處添加該功能塊，進行設(shè)備的仿真。

圖2 仿真功能塊

如圖2所示，該仿真功能塊有4個輸入引腳，2個輸出引腳。OP（開指令輸入引腳）用于接收DCS系統(tǒng)的設(shè)備開啟控制指令。CL（關(guān)指令輸入引腳）用于接收DCS系統(tǒng)的設(shè)備關(guān)閉控制指令。T_SM3（設(shè)備開行程時間定義引腳）用于根據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)定設(shè)備的開行程時間。T_SM5（設(shè)備關(guān)行程時間定義引腳）用于根據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)定設(shè)備的關(guān)行程時間。SM3（開反饋輸出引腳）用于向DCS系統(tǒng)饋送設(shè)備的開狀態(tài)反饋信號。SM5(關(guān)反饋輸出引腳)用于向DCS系統(tǒng)饋送設(shè)備的關(guān)狀態(tài)反饋信號。同時需要對DCS系統(tǒng)的信號采集功能進行屏蔽，以仿真程序的運算結(jié)果代替真實的信號采集值。

3.2.2 功能塊的特殊處理

對于現(xiàn)場的電磁閥類設(shè)備，DCS系統(tǒng)送出的控制指令只有一個輸出信號，因此需要將該信號取非后接至另一引腳，如圖3所示，實現(xiàn)仿真功能塊的正常運算。

圖3 功能塊的特殊處理

3.3 仿真測試方案實施

3.3.1 現(xiàn)場采集信號的屏蔽處理

DCS系統(tǒng)的所有物理點在系統(tǒng)中為方便測試都設(shè)置了一個強制狀態(tài)位[4]，當該強制狀態(tài)位為真時，物理點將不再進行物理信號的采集運算，物理點的當前值等于強制值。因此在設(shè)置了所有物理信號的強制狀態(tài)位后，仿真程序的輸出只要給物理信號的強制值賦值，物理信號的當前值即發(fā)生相應(yīng)的變化。實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)的仿真。

3.3.2 仿真功能塊的添加

在DCS系統(tǒng)1號除汽器的控制邏輯方案頁中，在每個設(shè)備的控制邏輯后面增加仿真功能塊參見圖4。

①：操作員手動控制指令處理：該部分用來檢測DCS系統(tǒng)人機界面的控制指令，并根據(jù)設(shè)備控制邏輯的要求將人機界面的控制指令轉(zhuǎn)變?yōu)殡娖叫盘柣蚴敲}沖信號，參與到設(shè)備的控制邏輯中，實現(xiàn)設(shè)備的手動開關(guān)控制。

②：設(shè)備手自動切換處理：該部分用來檢測DCS系統(tǒng)人機界面的設(shè)備控制狀態(tài)切換指令，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備手動控制狀態(tài)，自動運行狀態(tài)的切換。

③：設(shè)備開關(guān)控制邏輯：該部分實現(xiàn)設(shè)備的實際控制邏輯。

④：設(shè)備驅(qū)動控制算法：該部分為設(shè)備的驅(qū)動控制算法，用以接收控制邏輯的運算結(jié)果，完成實際控制指令的輸出，現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)反饋信號的接收，并根據(jù)輸入輸出的信號，自動判斷當前設(shè)備的運行狀態(tài)，如命令超時，設(shè)備狀態(tài)偏差，開關(guān)反饋同時存在報警等，并將這些信息上傳給人機界面層，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制與監(jiān)視。

⑤：仿真功能塊：實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的動作仿真。

圖4 添加設(shè)備仿真功能塊

⑥：設(shè)備狀態(tài)反饋信號處理：該部分實現(xiàn)物理信號強制值的賦值，由仿真功能塊的運算結(jié)果對物理點的強制值進行賦值，實現(xiàn)物理信號當前值隨仿真功能塊運算結(jié)果的變化而變化。

3.3.3 添加三通控制閥開關(guān)判斷程序

三通控制閥的開關(guān)判斷邏輯依舊采用ST語言進行編程。該三通控制閥控制著除汽器液體的流動方向，根據(jù)工藝控制要求，當三通控制閥的開度小于5%時，即認為三通控制閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當三通控制閥的開度大于95%時，即認為三通控制閥處于打開狀態(tài)。當開度位于5%和95%之間時，維持當前的開關(guān)狀態(tài)。結(jié)合上述要求，實現(xiàn)程序如下：

（1）程序使用變量的聲明。該判斷程序中需要使用如下3個變量：三通控制閥開度控制輸出信號，PY3TEP033VPCO；三通控制閥開狀態(tài)反饋信號：PY3TEP033VPSM3；三通控制閥關(guān)狀態(tài)反饋信號：PY3TEP033VPSM5。

變量聲明

（2）ST語言代碼體編寫。

IFPY3TEP033VPCO.AV>=REAL#0.0ANDPY3TEP033VPCO. AV<=REAL#5.0THEN

PY3TEP033VPSM5.FDI:=TRUE;

PY3TEP033VPSM3.FDI:=FALSE;

ELSIFPY3TEP033VPCO.AV>REAL#95.0ANDPY3TEP033VPCO. AV<=REAL#100.0THEN

PY3TEP033VPSM3.FDI:=TRUE;

PY3TEP033VPSM5.FDI:=FALSE;

END_IF;

程序中同樣是對該三通控制閥的狀態(tài)物理量的強制值進行賦值，通過強制值來改變物理信號的當前值。

（3）程序測試

程序編寫完成后，還需要對程序的正確性進行簡單的測試，可以將程序下裝到控制器中實際運行，檢驗程序的正確性。也可以借助軟件本身強大的離線仿真功能進行仿真測試。

? 選擇仿真器

? 將程序下裝到仿真器中

? 打開調(diào)試模式

將PY3TEP033VPCO添加到監(jiān)視窗口中，置位該點的強制狀態(tài)位，然后依次將PY3TEP033VPCO的值強制為4，50，98，75，3。然后查看PY3TEP033VPSM3，PY3TEP033VPSM5強制值的變化情況，由此來驗證仿真程序的正確性，參見圖5的離線仿真測試。

圖5 離線仿真測試

3.3.4 TEP系統(tǒng)1號除汽器順序控制邏輯驗證

除汽器的順序控制分為10個運行狀態(tài)的控制。分別為狀態(tài)0到狀態(tài)9，各個狀態(tài)的功能如下：

①狀態(tài)0：除氣器序列完全停運和隔離，它又分為熱態(tài)0和冷態(tài)0，熱態(tài)0是除氣器序列檢修或停運前轉(zhuǎn)換至狀態(tài)0冷態(tài)的一個臨時中間狀態(tài)，在此狀態(tài)時所有蒸汽供汽閥隔離，除氣器序列可以自然冷卻；

②狀態(tài)1：升溫，冷凝器內(nèi)廢氣向TEG含氧分系統(tǒng)排氣，當除氣器頂部蒸汽出口溫度達到95℃時狀態(tài)1結(jié)束，持續(xù)約50min，水含氧量降到1mg/l；

③狀態(tài)2：除氧，冷凝器內(nèi)廢氣向廢氣處理系統(tǒng)（下稱TEG）含氧分系統(tǒng)排放，1小時后水含氧量將降到0.02mg/l；

④狀態(tài)3：氮氣吹掃冷凝器除氧，持續(xù)約15min，冷凝器內(nèi)廢氣向TEG含氧分系統(tǒng)排放，水含氧量降到0.007mg/l,冷凝器內(nèi)廢氣向TEG系統(tǒng)含氧管線排放；

⑤狀態(tài)4：升壓，除氣器頂部壓力由1.08bar(a)升到1.47bar(a)，冷凝器內(nèi)廢氣向TEG含氧分系統(tǒng)排放；

⑥狀態(tài)5：生產(chǎn)，前置暫存箱的N3液位信號使除氣器序列投產(chǎn)，除氣后的廢液被輸送到中間貯存箱貯存，冷凝器內(nèi)廢氣向TEG含氫管線排放；

⑦狀態(tài)6：熱備用，前置暫存箱的N2液位信號觸發(fā)除氣器序列由狀態(tài)5轉(zhuǎn)到熱備用，廢液輸送泵停運，裝置隔離，除氣器壓力保持1.30bar(a)至1.44bar(a)之間；

⑧狀態(tài)7：強制冷卻，除氣器序列內(nèi)的液體用設(shè)備冷卻水冷卻到一定溫度，從而達到冷停運；

⑨狀態(tài)8：氮氣吹掃冷凝器，冷凝器內(nèi)廢氣向TEG含氫管線排放，裝置由生產(chǎn)狀態(tài)5到狀態(tài)6可經(jīng)狀態(tài)8；

⑩狀態(tài)9：氮氣強制吹掃，用氮氣對除氣器和排氣冷凝器進行吹掃以便維修，冷凝器內(nèi)廢氣向TEG含氫管線排放。

各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖6所示：

圖6 除汽器運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

結(jié)合TEP系統(tǒng)除汽器的操作規(guī)程，開啟除汽器的順序控制流程，依次進入除汽器的各個狀態(tài)，對于各個狀態(tài)中涉及到的液位信號、流量信號、壓力信號等變化情況需要手動進行強制值的設(shè)置，不宜添加到仿真程序中，因這些模擬量信號往往是狀態(tài)變換的條件，如果采用仿真程序進行強制值的給定，很可能出現(xiàn)狀態(tài)改變過快，不宜進行程序運行狀態(tài)的記錄。

在測試過程中，遇到狀態(tài)運行與預(yù)期不一致的情況，需要對照控制邏輯逐一檢查該狀態(tài)下各個設(shè)備的狀態(tài)，各個中間變量的狀態(tài)，找出與預(yù)期不一致的地方，進行分析，查找出狀態(tài)不一致的觸發(fā)原因并進行更正，直至整個順序控制流程全部執(zhí)行完成。

4 結(jié)論

本文通過對核電廠硼回收系統(tǒng)中1號除汽器順序控制邏輯仿真測試的研究，驗證了仿真程序在邏輯驗證中的可行性，提出了一種低成本，高效率的測試方法。仿真程序采用簡單、高效的結(jié)構(gòu)化文本語言進行編制，移植性強，易于推廣到其他領(lǐng)域。

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The Application of Simulation Testing Technology in CPR1000 Nuclear Power Plant KSN

To maximizesimulatenuclear power planttri-wastesystem during the factory test, we verify the correctness of the configutation logic of tri-waste control(DCS), and write the simulation testing program by structured text(ST) to simulate thelive process equipment. Meanwhile, we select NO.1 deaerator-gas stripper of Unit 1 boron recovery systemfor nuclear power plants (TEP) to verify the feasibility of the simulation testing program,as well as propose a low-cost, high-efficiency testing method.

Structured text；DCS;Simulation;Testing;Control in sequence

1984-），男，遼寧沈陽人，本科，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計工作。