Ovation系統(tǒng)跟蹤策略在核電廠的應用探討

李勤偉

（三門核電有限公司，浙江 臺州 317112）

某核電一期工程共建設兩臺單機容量為1250MW的先進三代壓水堆核電機組，電站的控制系統(tǒng)采用全數(shù)字化的Ovation儀控系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)，Ovation系統(tǒng)在組態(tài)過程中采用了眾多的默認配置，如時序控制和跟蹤配置等。通常情況下，這些默認配置既方便了組態(tài)人員的組態(tài)工作，又簡化了邏輯的復雜度，讓電廠的儀控工作者讀起來更加通俗易懂[1]。但對于一些復雜的控制邏輯，即使組態(tài)人員已經(jīng)引起足夠的重視，難免還是會存在某些潛在的風險不被發(fā)現(xiàn)，對數(shù)字化核電站的安全穩(wěn)定運行造成嚴重影響。本文將對Ovation控制系統(tǒng)中的跟蹤及無擾切換問題進行深入研究。

1 跟蹤功能介紹

智能跟蹤功能是Ovation系統(tǒng)中特有的一項先進控制特點。跟蹤過程可定義為：對控制系統(tǒng)中不受控部分與控制系統(tǒng)中的受控部分的協(xié)調(diào)排列。Ovation系統(tǒng)中的跟蹤功能是通過在算法之間發(fā)送跟蹤信號實現(xiàn)的。這些信號告訴上行算法是否處于跟蹤模式以及下行算法需要什么值才可實現(xiàn)當前輸出[2]。

圖1 閥位偏置控制簡圖Fig.1 Valve position bias control diagram

圖2 閥位指令未實現(xiàn)無擾切換歷史趨勢Fig.2 Valve position instruction does not achieve the historical trend of undisturbed switching

Ovation系統(tǒng)在組態(tài)時采用系統(tǒng)默認配置的形式對跟蹤進行配置，例如當使用PID控制器時，PID下游的信號線將同時被配置成包含上行信號流信號線，組態(tài)人員可以對跟蹤信號進行手動配置。信號通過算法塊時，跟蹤值通過正常算法功能的逆運算生成。Ovation系統(tǒng)的模擬量信號一般是實線的形式，如果配置了跟蹤，將會顯示成虛線形式[3]。

2 Ovation系統(tǒng)的跟蹤方案問題分析

2.1 典型實例

為了防止汽輪機低壓缸葉片腐蝕和提高電廠效率，汽水分離再熱器（MSR）通過自身的分離器對汽輪機高壓缸排汽進行除濕，然后又通過自身的加熱器對除濕后的蒸汽進行加熱，通過兩級再熱后其出口蒸汽成為過熱蒸汽，再去往汽輪機低壓缸做功。為了提高加熱效率，MSR設計了一級再熱器和二級再熱器的兩級結構，二級再熱器的加熱蒸汽來自主蒸汽，并通過溫度調(diào)節(jié)閥及其旁路閥進行控制。本文所探討的跟蹤問題，主要以此二級加熱蒸汽的溫控閥的控制為實例。

在汽機負荷≥10%，且已進入PI自動控制時，當MSR出口的再熱蒸汽溫度或低壓缸入口蒸汽溫度瞬時變化幅度超過28℃（時間窗口150s）或變化速率超過設定值56℃/h（時間窗口為300s）時，將會產(chǎn)生閥門偏置信號，此時閥門開度信號被保持，并在此基礎上增加閥門偏置信號。出現(xiàn)閥位偏置之后的控制簡圖如圖1所示。其中，RLIM1和RLIM2模塊為用戶自定義速率限制器模塊，PI模塊為比例積分控制模塊。

具體試驗過程如下：

1）將閥位指令調(diào)節(jié)到50%閥位。

2）模擬SV等于PV，PI控制器處于自動控制模式。

3）模擬低壓缸入口蒸汽溫度從常溫到145℃。

4）此時偏置值信號OV出現(xiàn)非0值，開關量偏置信號OVC被置為1。

5）正如上文所述，此時PI控制器切手動，跟蹤加法器后的DMD值，RLIM1處于HOLD模式，RLIM1出口閥位信號保持，RLIM2投自動，將偏置值從0～OV值以0.1%/s的速率變化，與RLIM1出口閥位信號相加作為閥位指令DMD。

6）正常情況下當經(jīng)過300s后，偏置值OV變?yōu)?，開關量偏置信號OVC被置為0，此時PI控制器切自動其輸出依然為所跟蹤的值，HOLD信號消失，RLIM1的輸出由PI模塊的T信號實現(xiàn)跟蹤等于上一時刻的閥位指令DMD，RLIM2的AUTO信號消失，RLIM2的輸出值等于T值等于0。

7）因此，最終的閥位指令DMD保持不變，實現(xiàn)溫控閥從偏置模式到PI自動控制模式的無擾切換。

但實際試驗時，閥位指令并未實現(xiàn)無擾切換，而是直接從當前值切換到RLIM1的HOLD模式時所保持的值，即50%閥位（歷史趨勢如圖2所示）。若汽水分離再熱器在正常的工況過程中，閥位如此快速地切換，將會導致非常嚴重的后果。

2.2 問題分析

為保證從閥門的偏置控制模式切換到PI自動控制模式的順滑，已對PI控制器配置了跟蹤功能，即出現(xiàn)偏置指令OVC時，PI控制器一直跟蹤閥位指令DMD。但為什么OVC指令消失時，跟蹤功能反而消失了，且變成速率限制器RLIM1的HOLD的值?？梢酝茢鄦栴}很有可能是出在速率限制器RLIM1上。速率限制器RLIM模塊為用戶自定義宏模塊，其詳細邏輯圖如圖3所示。

2.2.1 宏模塊RLIM解析

宏模塊RLIM內(nèi)部結構如圖3所示。下面對該模塊內(nèi)的算法模塊及功能進行介紹：

1）D DOWN RATE LIMIT，速率限制器的變化率低設定值。

2）U UPPER RATE LIMIT，速率限制器的變化率高設定值。

3）S input SIGNAL，輸入信號。

4）T TRACKING SIGNAL，AUTO信號切換時實現(xiàn)無擾切換。

5）A auto mode，自動控制模式。

圖3 一代RLIM宏模塊內(nèi)部詳細邏輯圖Fig.3 Generation RLIM Macro module internal detailed logic diagram

圖4 二代改進RLIM宏模塊內(nèi)部詳細邏輯圖Fig.4 2 Generation improved RLIM Macro module internal detailed logic diagram

6）Y 速率限制器RLIM宏模塊的最終輸出值。

7）H hold模式，‘A’=1且‘H’=1時，Y=Yold。

8）RALM模塊（Rate Limit），OVATION自帶的速率限制器模塊，這個模塊無手自動和HOLD模式切換功能。

9）第一切換模塊T1，在AUTO信號切換過程中，實現(xiàn)無擾切換。

10）第二切換模塊T2，當HOLD信號為1時，實現(xiàn)保持功能。

2.2.2 故障分析

AUTO和HOLD模塊切換過程中的過程分析如下：

1）AUTO信號為0、且HOLD信號為0或為1時，切換模塊T1和T2的切換條件均為0，輸出信號Y=T，RALM模塊自動跟蹤T信號。

2）AUTO信號為1，且HOLD信號為1時，切換模塊T1和T2的切換條件均為1，輸出信號Y保持在HOLD信號由0變1時刻的Y值，T1和RALM模塊自動實現(xiàn)跟蹤。

3）AUTO信號為1，且HOLD信號為0時，切換模塊T1切換條件為1、切換模塊T2切換條件為0，Y=RALM模塊輸出。

4）本文實例AUTO信號為常數(shù)1，HOLD信號為1時，根據(jù)2）小節(jié)的分析，RALM模塊實現(xiàn)自動跟蹤并保持在HOLD信號由0變1時刻的值Y0，當HOLD切換為0時，RALM繼續(xù)輸出Y0。

綜上所述，RLIM宏模塊是在原Ovation速率限制器模塊RALM的功能上增加了手自動切換及跟蹤功能、HOLD保持功能、上下速率限制器選擇功能等。為實現(xiàn)在跟蹤模式時RALM模塊切換過程中的無擾功能，對第一切換模塊T1進行了虛線跟蹤配置；為在HOLD模式時RALM能跟蹤HOLD模式輸出值，第二切換模塊T2也配置了虛線跟蹤。

從圖1可知，閥位偏置控制系統(tǒng)中的RLIM1模塊主要用到了該速率限制器的HLOD保持功能，并未對輸入信號進行速率限制。結合圖3，當HOLD信號為1時，第二切換模塊T2實現(xiàn)當前值的自保持，此時RALM模塊自動跟蹤了下游HOLD模式所保持的值。此時即使給S輸入信號配置了跟蹤信號（將最終閥位DMD信號賦值給此信號），但當HOLD信號消失后，RALM模塊直接跟蹤下游HOLD模式所保持的值，導致RLIM1宏模塊外部配置的跟蹤信號無效，并最終導致模式切換時閥門開度大幅度跳變。

2.2.3 分析總結

從上述分析可得出以下3點結論：

1）本實例的跟蹤問題邏輯缺陷的根本原因為速率限制器模塊RLIM1內(nèi)部已經(jīng)配置了默認跟蹤，且默認跟蹤的優(yōu)先級比外部帶信號線的跟蹤優(yōu)先級高。

2）圖3中Ovation自帶的RALM速率限制器模塊由于其模塊特性，若存在模式切換時，必須配合Ovation自帶的默認跟蹤算法使用，否則無法實現(xiàn)無擾切換功能。

3 解決方案

在OVATION組態(tài)過程中，為避免出現(xiàn)跟蹤邏輯切換過程中的沖突，最常見的手段就是刪除OVATION自帶的默認跟蹤方案，采用拉實線的跟蹤方案。且一代用戶自定義宏模塊RLIM中的RALM模塊默認使用OVATION自帶的默認跟蹤功能。因此，無法再使用該模塊作為基礎模塊來搭建RLIM宏模塊。面對這種切換條件眾多的情況，OVATION中有一個矩陣功能塊，該模塊既能簡化上述RLIM宏模塊的復雜的模式切換功能，又能通過拉實線的跟蹤方案，避免出現(xiàn)上述跟蹤功能的沖突。詳細方案如圖4所示，二代RLIM宏模塊內(nèi)部詳細邏輯圖。

4 結束語

目前數(shù)字化儀控在國內(nèi)在建核電站和將要批準的核電站的應用已是大勢所趨。而從傳統(tǒng)模擬電路的邏輯設計轉(zhuǎn)化成數(shù)字化控制邏輯的過程中不可避免會出現(xiàn)眾多因為轉(zhuǎn)化接口定義不清晰而出現(xiàn)的問題。本文以傳統(tǒng)模擬量電路邏輯轉(zhuǎn)化到數(shù)字化OVATION控制平臺的邏輯時出現(xiàn)的跟蹤邏輯組態(tài)策略探討為契機，詳細分析出現(xiàn)故障的根本原因，并提出解決方案，為后續(xù)傳統(tǒng)模擬量控制核電廠的數(shù)字化控制升級和新建核電廠的數(shù)字化控制系統(tǒng)的調(diào)試提供借鑒。此外還有以下幾點注意事項：

1）改用數(shù)字化系統(tǒng)后，增加了組態(tài)的靈活性，但也讓控制系統(tǒng)變得更加復雜，增加了組態(tài)錯誤的風險。特別是存在調(diào)用宏模塊的組態(tài)時，需要多關注宏模塊里隱形的一些信息，如自動跟蹤信號等。

2）對于相對復雜的邏輯，建議多使用傳統(tǒng)邏輯圖里的搭線的跟蹤方式，避免出現(xiàn)跟蹤邏輯沖突的情況。