基于LabVIEW和Simulink的蒸汽發(fā)生器水位控制分布式仿真

郝祖龍， 朱卉平

(華北電力大學(xué) 非能動(dòng)核能安全技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

基于LabVIEW和Simulink的蒸汽發(fā)生器水位控制分布式仿真

郝祖龍， 朱卉平

(華北電力大學(xué) 非能動(dòng)核能安全技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

蒸汽發(fā)生器作為壓水堆的核心部件，研究不同工況下它的水位動(dòng)態(tài)特性對(duì)核電站的安全評(píng)估和水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。提出了一種基于LabVIEW和Simulink的蒸汽發(fā)生器水位控制仿真方法。用Matlab/Simulink搭建蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)仿真模型，用LabVIEW開(kāi)發(fā)具有交互功能的水位控制人機(jī)界面，仿真模型與人機(jī)界面之間采用基于OPC中間件實(shí)現(xiàn)客戶機(jī)服務(wù)器模式的連接。仿真結(jié)果表明，本方法在保證計(jì)算精度的同時(shí)還具有人機(jī)交互性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，也可應(yīng)用于核反應(yīng)堆其他控制系統(tǒng)的分布式仿真。

核電站； 蒸汽發(fā)生器； 水位控制； 分布式仿真

0 引 言

目前我國(guó)核電發(fā)展仍以壓水堆堆型為主，立式U型管蒸汽發(fā)生器(SG)是壓水堆中通常采用的中間換熱設(shè)備，通過(guò)它將一回路的熱量傳給二次側(cè)，并通過(guò)傳熱使二回路工質(zhì)變成飽和蒸汽，再經(jīng)汽水分離器后進(jìn)入汽輪機(jī)機(jī)組做功發(fā)電[1]。作為壓水堆核電站一、二回路的連接樞紐，蒸汽發(fā)生器的好壞將直接影響整個(gè)核電站的安全性。由于蒸汽發(fā)生器水位反映了一回路與二回路的熱量交換能力，水位過(guò)高或過(guò)低均會(huì)對(duì)反應(yīng)堆運(yùn)行帶來(lái)不利影響，因此蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)是壓水堆核電廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。

核反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中，蒸汽發(fā)生器水位容易受到功率負(fù)荷、蒸汽流量、給水流量及溫度等多種因素影響，并伴隨有“膨脹”“收縮”等逆動(dòng)力學(xué)特性，常規(guī)的控制方法雖能滿足工程需求，但在大負(fù)荷波動(dòng)瞬態(tài)以及低負(fù)荷工況下，水位控制的穩(wěn)定性及精度還有提升空間。針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量數(shù)值仿真研究，采用不同控制方法和策略用于SG水位控制，與傳統(tǒng)控制方法相比，仿真效果顯著[2-10]。但從仿真手段看，大多側(cè)重于精確模型開(kāi)發(fā)或先進(jìn)算法研究，較少考慮人機(jī)交互問(wèn)題，導(dǎo)致仿真過(guò)程中操作人員與計(jì)算機(jī)之間交互性差，且無(wú)法開(kāi)展實(shí)時(shí)分布式仿真。

在前人研究基礎(chǔ)上，本文提出一種基于LabVIEW和Simulink的壓水堆蒸汽發(fā)生器水位控制分布式仿真方法。基本思想是：首先利用Matlab/Simulink搭建蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)仿真模型，然后利用LabVIEW開(kāi)發(fā)具有人機(jī)交互功能的水位控制仿真界面，模型與人機(jī)界面之間采用OPC中間件實(shí)現(xiàn)客戶機(jī)服務(wù)器模式的連接。該方法通過(guò)將圖形化仿真和OPC技術(shù)應(yīng)用于SG水位控制仿真，從而滿足人機(jī)交互和分布式仿真需求，具有原理清晰、易實(shí)現(xiàn)、顯示直觀等特點(diǎn)。

1 蒸汽發(fā)生器模型

綜合考慮模型復(fù)雜性與實(shí)用性，采用Irving[11]等人提出的蒸汽發(fā)生器數(shù)學(xué)模型。盡管這是一個(gè)簡(jiǎn)化模型，但它可較好地描述SG的動(dòng)態(tài)特性，已廣泛用于SG的水位控制研究。該模型的傳遞函數(shù)為：

(1)

式中：y為蒸汽發(fā)生器水位(%)；qfw為給水流量(kg/s)；qst為出口蒸汽流量(kg/s)。該模型為線性時(shí)變模型，模型參數(shù)G1，G2，G3，τ，τ2，T隨隨負(fù)荷變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 蒸汽發(fā)生器水位模型參數(shù)

從表1可以看出，當(dāng)功率水平全范圍變化時(shí)，G2、τ2、T等模型參數(shù)隨負(fù)荷有10～20倍的變化水平。而且，水位會(huì)在負(fù)荷變化瞬時(shí)產(chǎn)生“收縮與膨脹”現(xiàn)象，造成“虛假水位”，在式(1)表現(xiàn)為非最小相位。上述兩個(gè)因素導(dǎo)致水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度較大。

2 仿真原理

2.1 基于OPC的分布式仿真

為實(shí)現(xiàn)在不同運(yùn)行平臺(tái)或操作系統(tǒng)下多種仿真/計(jì)算軟件的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、共享及交互訪問(wèn)，需要采用某種技術(shù)手段對(duì)這些資源進(jìn)行有效整合、互聯(lián)。分布式仿真采用系統(tǒng)一致的接口規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，通過(guò)局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)，將分布在各地、各類的仿真系統(tǒng)互聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)時(shí)空一致，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交互仿真的分布式虛擬環(huán)境[12]。它可實(shí)現(xiàn)不同來(lái)源、不同功能、甚至不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)的組件與軟件工具運(yùn)行在不同的子系統(tǒng)中，單獨(dú)進(jìn)行建模仿真分析，分析計(jì)算結(jié)果通過(guò)廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)與其他子系統(tǒng)進(jìn)行通信[13]。

通過(guò)比較現(xiàn)有過(guò)程仿真技術(shù)的規(guī)范和架構(gòu)特點(diǎn)，本文選擇基于OPC(OLE for Process Control)中間件的仿真技術(shù)。OPC中間件是一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序，分布式應(yīng)用軟件借助這種軟件在不同的技術(shù)之間共享資源，是基礎(chǔ)軟件的一大類。它處在操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)之上，應(yīng)用軟件的下層，能夠幫助用戶靈活、高效地開(kāi)發(fā)和集成復(fù)雜的應(yīng)用軟件[14]。

Simulink是Matlab中重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。而Matlab中自帶的OPC Toolbox可看成是對(duì)Simulink動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真環(huán)境的擴(kuò)展。它負(fù)責(zé)提供服務(wù)器(Server)和客戶端(Client)互訪的通用機(jī)制，應(yīng)用于OPC客戶端數(shù)據(jù)訪問(wèn)。通過(guò)OPC Toolbox可以連接任何一個(gè)OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)器，方便地對(duì)連接的OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀/寫操作[15]。

LabVIEW是當(dāng)前業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件工具，用于開(kāi)發(fā)測(cè)試、測(cè)量和控制系統(tǒng)。它是專為工程師和科學(xué)家而設(shè)計(jì)的直觀的圖形化編程語(yǔ)言。它將開(kāi)發(fā)軟件和各種不同的測(cè)量?jī)x器硬件及計(jì)算機(jī)集成在一起，建立虛擬儀器系統(tǒng)，以形成用戶自定義的解決方案。LabVIEW附加的DSC(Datalogging and Supervisory Control) 模塊可完成數(shù)據(jù)監(jiān)控與記錄功能，既可方便地與OPC Server通信，也能自己創(chuàng)建OPC Server，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連接的重要模塊[16]。

需要指出的是，在基于OPC中間件的連接方法中，Simulink與LabVIEW這2個(gè)仿真軟件地位對(duì)等，不存在主從關(guān)系，具有高度開(kāi)放性和可擴(kuò)展性，能將其中任何一部分用實(shí)際儀控硬件或虛擬儀控軟件代替，形成硬件在環(huán)仿真，對(duì)開(kāi)發(fā)半實(shí)物仿真系統(tǒng)具有較大優(yōu)勢(shì)。

2.2 總體結(jié)構(gòu)

圖1為基于LabVIEW與Simulink的蒸汽發(fā)生器水位控制分布式仿真示意圖。該系統(tǒng)利用DSC模塊創(chuàng)建OPC Server，利用OPC Toolbox生成OPC Client。服務(wù)器與客戶端之間既可以直接互連交換數(shù)據(jù)，也可

圖1 SG分布式仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)局域網(wǎng)連接來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞與接收，這樣就能實(shí)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器Simulink模型與LabVIEW人機(jī)界面之間數(shù)據(jù)通信，并滿足實(shí)時(shí)性和人機(jī)交互要求。

圖2所示為采用OPC技術(shù)的蒸汽發(fā)生器水位控制Simulink仿真模型。其中，SG水位控制采用常規(guī)的PID串級(jí)控制方案，外環(huán)為水位調(diào)節(jié)回路，內(nèi)環(huán)為給水調(diào)節(jié)回路。

為實(shí)現(xiàn)分布式仿真，在原水位控制Simulink模型基礎(chǔ)上增加了幾個(gè)OPC模塊。其中，OPC configuration模塊用于配置OPC Client，這樣可以使模型按照偽實(shí)時(shí)控制選項(xiàng)方式運(yùn)行，同時(shí)對(duì)OPC錯(cuò)誤和事件做出反應(yīng)，需注意每個(gè)模型中該模塊的數(shù)目不能超過(guò)一個(gè)。OPC Read模塊以規(guī)定的采樣頻率讀取OPC Server中的數(shù)據(jù)，輸出量為讀取的數(shù)值(V)、數(shù)據(jù)質(zhì)量(Q)和時(shí)間向量(T)。OPC Write模塊用于向OPC Server的item項(xiàng)寫入數(shù)據(jù)。

圖2 采用OPC技術(shù)的SG水位控制Simulink仿真模型

3 仿真過(guò)程及結(jié)果

為使蒸汽發(fā)生器水位變化過(guò)程具有良好交互性，采用LabVIEW的DSC模塊開(kāi)發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)化的蒸汽發(fā)生器運(yùn)行回路人機(jī)界面，主要設(shè)備包括：蒸汽發(fā)生器，冷卻水箱，預(yù)熱器，水泵，閥門和連接管道，以及熱工參數(shù)測(cè)量傳感器等。具體仿真過(guò)程如下：

(1) 以100%功率水平為例，根據(jù)蒸汽發(fā)生器滿負(fù)荷工況下的傳遞函數(shù)模型，采用串級(jí)PID水位控制方案搭建SG水位控制Simulink仿真模型，并整定PID調(diào)節(jié)器參數(shù)。

(2) 利用LabVIEW DSC模塊生成OPC服務(wù)器。主要步驟包括：①新建項(xiàng)目庫(kù)并建立含有控制過(guò)程所需變量的VI；②創(chuàng)建periodic I/O Server并部署其變量；③創(chuàng)建并部署共享變量；④人機(jī)界面VI設(shè)計(jì)；⑤變量與人機(jī)界面VI相互綁定。

(3) 利用Matlab OPC Toolbox配置OPC 客戶端。與使用Simulink 其他庫(kù)中的模塊類似，通過(guò)調(diào)用Simulink工具下Toolbox模塊庫(kù)創(chuàng)建對(duì)象模型。在對(duì)OPC configuration模塊配置時(shí)，由于是單機(jī)仿真，故應(yīng)將OPC Server所在的主機(jī)設(shè)為默認(rèn)的“l(fā)ocalhost”。將OPC Read和OPC Write模塊分別與對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)連接，并依次設(shè)定好參數(shù)，從而建立與OPC Server進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的連接。

(4) 設(shè)置仿真時(shí)間、步長(zhǎng)等基本參數(shù)，運(yùn)行SG Simulink仿真模型。然后打開(kāi)SG人機(jī)界面VI，設(shè)定PID調(diào)節(jié)器整定參數(shù)以及閥門開(kāi)度等控制參數(shù)，最后通過(guò)運(yùn)行人機(jī)界面VI啟動(dòng)整個(gè)仿真系統(tǒng)。

下面通過(guò)實(shí)例分析來(lái)驗(yàn)證本方法的有效性。以水位調(diào)節(jié)器P=0.68，I=65，D=0，給水調(diào)節(jié)器參數(shù)Pf=0.82，仿真時(shí)間設(shè)為300 s。

仿真結(jié)束后，在人機(jī)界面VI中顯示實(shí)際水位、設(shè)定水位、給水閥門開(kāi)度、蒸發(fā)流量等多個(gè)參數(shù)曲線，如圖3所示。從圖中可以看出，蒸汽發(fā)生器實(shí)際水位可以較好跟蹤其設(shè)定值的變化。同時(shí)，仿真過(guò)程中還可以改變閥門開(kāi)度等設(shè)定量，實(shí)現(xiàn)交互操作。

圖3 參數(shù)仿真結(jié)果變化曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用OPC技術(shù)將Simulink和LabVIEW這兩個(gè)通用仿真軟件有機(jī)聯(lián)系在一起，并成功應(yīng)用于壓水堆蒸汽發(fā)生器水位控制仿真。仿真結(jié)果表明，該方法在保證計(jì)算精度的同時(shí)，提高了仿真過(guò)程交互性，并可通過(guò)友好的圖形化界面增強(qiáng)結(jié)果的可讀性。此外，該仿真方案運(yùn)行方式靈活，既能單機(jī)運(yùn)行又可以多機(jī)分布式運(yùn)行，擴(kuò)展性強(qiáng)；并可與虛擬DPU連接，控制策略由虛擬DPU的相關(guān)軟件組態(tài)，降低了控制系統(tǒng)仿真的復(fù)雜度；能夠與支持OPC接口的實(shí)際儀控系統(tǒng)硬件互聯(lián)，構(gòu)成硬件在環(huán)仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀控系統(tǒng)的測(cè)試。

[1] 臧希年. 核電廠系統(tǒng)及設(shè)備(2版)[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2010.

[2] 余小權(quán). 蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)仿真研究[D]. 重慶：重慶大學(xué), 2009.

[3] 湯建秋. 蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)的研究與仿真[D]. 上海：上海交通大學(xué), 2008.

[4] 段素珍, 張乃堯, 崔震華. 壓水堆蒸汽發(fā)生器水位模糊控制器的設(shè)計(jì)方法[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2006, 46(9):1581-1584.

[5] 陳 紅, 曾 建, 王廣軍. 蒸汽發(fā)生器水位的自抗擾控制[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 30(32):103-107.

[6] 陳 智, 張 英, 張 帆,等. 嶺澳核電站蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)改進(jìn)方案仿真研究[J]. 核動(dòng)力工程, 2010, 31(4):66-70.

[7] 房方, 熊 瑛, 陳 凱,等. 核電蒸汽發(fā)生器水位的二自由度內(nèi)?？刂芠J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2014, 34(6):463-468.

[8] 錢 虹, 葉建華, 錢 非,等. 蒸汽發(fā)生器水位全程控制系統(tǒng)數(shù)字化及仿真實(shí)現(xiàn)[J]. 核動(dòng)力工程, 2010, 31(2):58-62.

[9] 程啟明, 汪明媚, 薛 陽(yáng),等. 核電站蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)的仿真研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2012, 29(2):188-193.

[10] 馮玉昌, 史冬琳, 張秀宇. 核電站蒸汽發(fā)生器水位模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[J]. 化工自動(dòng)化及儀表, 2015, 42(10).

[11] Irving E, Miossec C, Tassart J. Towards Efficient Full Automatic Operation of the PWR Steam Generator with Water Level Adaptive Control[C]//London Proceedings of Conference on Boiler Dynamics and Control in Nuclear Power Stations, 1980, 309-329.

[12] Díaz M, Garrido D, Troya J M. Development of distributed real-time simulators based on CORBA[J]. Simulation Modelling Practice & Theory, 2007, 15(6):716-733.

[13] Liu M L. 顧鐵成，等譯. 分布式計(jì)算原理與應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2004.

[14] 高叔開(kāi), 胡建宏, 李利平, 等. 中間件技術(shù)及在DCS仿真中的應(yīng)用[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2001, 28(4): 105-108.

[15] 劉衛(wèi)國(guó). Matlab程序設(shè)計(jì)教程[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社, 2010.

[16] 肖成勇. LabVIEW基礎(chǔ)教程[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社, 2010.

·名人名言·

大學(xué)的榮譽(yù),不在它的校舍與人數(shù);而在于它一代一代人的質(zhì)量。

——柯南特

Distributed Simulation for Water Level Control of Steam Generation Using LabVIEW and Simulink

HAOZu-long，ZHUHui-ping

(Beijing Key Laboratory of Passive Safety Technology for Nuclear Energy, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

As the steam generator (SG) takes a key component of pressurized water reactor, it is important to study its dynamic characteristic in various operating conditions for the security evaluation and the control system design of nuclear power plant. Most of the related works focus on model developing or simulation method, while real-time interaction problem is not considered. A novel simulation method on water level control of SG is presented by using LabVIEW and Simulink. Firstly, a Matlab/Simulink model of SG water level control system is built. Secondly, the human-machine interface (HMI) of water level control is developed using LabVIEW. Thirdly, the Simulink model and the HMI are connected to realize clientserver mode based on OPC technique. Simulation results show the presented simulation method has advantages such as high accuracy, friendly interface and high extendibility, and it can be used for distributed simulation of other control systems of nuclear reactor.

nuclear power station; steam generator; water level control; distributed simulation

2016-03-31

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2016MS61)

郝祖龍(1980-)，男，河南焦作人，博士，講師，主要從事核反應(yīng)堆控制、先進(jìn)熱工測(cè)量技術(shù)等方面的研究。

Tel.:010-61773173；E-mail:haozulong@163.com

TP 391.9

A

1006-7167(2017)01-0084-04