仿真技術(shù)應(yīng)用在反應(yīng)堆控制系統(tǒng)調(diào)試

邵拓

摘要：本文主要論述了仿真技術(shù)在核電廠反應(yīng)堆控制系統(tǒng)調(diào)試中的應(yīng)用，并通過搭建虛擬儀控測(cè)試平臺(tái)，利用結(jié)合熱工水利模型為基礎(chǔ)的反應(yīng)堆工藝仿真系統(tǒng)測(cè)試，獲得并嚴(yán)重控制系統(tǒng)最佳調(diào)節(jié)控制參數(shù)，并在實(shí)際DCS設(shè)備上對(duì)參數(shù)進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)證，盡可能地使由于無法進(jìn)行實(shí)際被控設(shè)備聯(lián)調(diào)而帶來的設(shè)計(jì)或調(diào)試問題得到識(shí)別，降低風(fēng)險(xiǎn)縮短調(diào)試周期。

[關(guān)鍵詞]仿真技術(shù)反應(yīng)堆控制系統(tǒng)數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)

反應(yīng)堆控制系統(tǒng)是核電廠機(jī)組運(yùn)行和控制的關(guān)鍵，電廠其主要作用是保證電廠穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間主參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)最優(yōu)值，使核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)適應(yīng)廠內(nèi)各類瞬態(tài)運(yùn)行工況并跟蹤電網(wǎng)負(fù)荷需要。核電廠數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)在進(jìn)行出廠驗(yàn)收期間、實(shí)際調(diào)試啟動(dòng)前和平臺(tái)測(cè)試前，由于反應(yīng)堆控制系統(tǒng)并未與實(shí)際受控對(duì)象建立物理聯(lián)系，因此就無法對(duì)實(shí)際瞬態(tài)工況進(jìn)行模擬和驗(yàn)證。若要借助數(shù)字化儀控平臺(tái)自身工具，則僅能對(duì)反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的控制邏輯或者局部功能進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)那些需要進(jìn)行復(fù)雜性調(diào)節(jié)，以及配合實(shí)際被控對(duì)象的物理行為難以實(shí)現(xiàn)有效的邏輯控制，更別說如何發(fā)現(xiàn)并糾正控制系統(tǒng)自身邏輯問題和參數(shù)調(diào)節(jié)匹配問題。因此，本文采取經(jīng)過監(jiān)管局認(rèn)可的反應(yīng)堆熱工水利模型（RELAP5）動(dòng)態(tài)地對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行仿真模擬其物理行為，并將行為數(shù)據(jù)分別與仿真模擬反應(yīng)堆控制系統(tǒng)、實(shí)際數(shù)字化控制系統(tǒng)機(jī)柜進(jìn)行有效連接，以此探索和驗(yàn)證反應(yīng)堆的控制系統(tǒng)的控制邏輯和各類控制參數(shù)。

1反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的功能測(cè)試中仿真平臺(tái)選型分析

反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的功能測(cè)試中仿真平臺(tái)的設(shè)備技術(shù)選擇和功能設(shè)計(jì)上應(yīng)該滿足以下基本條件：

1.1仿真建模

要求反應(yīng)堆控制系統(tǒng)中的熱工水力程序能較好的模擬核電站正常工況/瞬態(tài)工況下的參數(shù)變化規(guī)律和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。支持長(zhǎng)期運(yùn)行和工況計(jì)算功能，并能提供數(shù)據(jù)接口，供虛擬或?qū)嶓w硬件外圍I/O以及控制器，進(jìn)行控制調(diào)節(jié)反饋數(shù)據(jù)閉環(huán)交換。

1.2功能設(shè)計(jì)

要求反應(yīng)堆控制系統(tǒng)具備工況啟動(dòng)、復(fù)位、暫停等人機(jī)交互對(duì)話功能，并快速建立試驗(yàn)所需的出示及瞬態(tài)工況。同時(shí)還應(yīng)滿足對(duì)測(cè)試過程進(jìn)行人機(jī)交互和曲線趨勢(shì)觀察和數(shù)據(jù)分析。

1.3技術(shù)選型

仿真測(cè)試平臺(tái)設(shè)備應(yīng)使用支持標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)輸入輸口模塊，并根據(jù)測(cè)試任務(wù)進(jìn)行IO擴(kuò)展，以此方便用戶進(jìn)行二次開發(fā)。

2仿真測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

仿真測(cè)試平臺(tái)主要由虛擬數(shù)字化儀控系統(tǒng)、工藝仿真系統(tǒng)以及虛擬上位機(jī)三部分組成，每個(gè)系統(tǒng)之間的功能依據(jù)不同需求，通過數(shù)據(jù)庫(kù)連接到一起，由數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)傳輸工藝系統(tǒng)被控對(duì)象各類參數(shù)進(jìn)入儀控系統(tǒng)參與各類調(diào)節(jié)控制，并將調(diào)節(jié)后的參數(shù)反饋給工藝系統(tǒng)，并通過上位將系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況進(jìn)行顯示與監(jiān)控，如圖1。

2.1仿真測(cè)試平臺(tái)的工藝仿真系統(tǒng)

工藝仿真系統(tǒng)應(yīng)與核電站仿真模型相同，依據(jù)模擬核電廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況，然后通過數(shù)據(jù)庫(kù)與虛擬數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)進(jìn)行交互。其計(jì)算建模核心為RELAP5。RELAP5是輕水堆冷卻系統(tǒng)事故工況的瞬態(tài)行為最佳估算程序，初始由愛德華國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室（INEL）為美國(guó)核管會(huì)（NRC）開發(fā)，用于規(guī)則制定，許可審查計(jì)算，事故減緩措施評(píng)估，操作員規(guī)程評(píng)價(jià)，和實(shí)驗(yàn)計(jì)劃分析，現(xiàn)已經(jīng)成為核電廠分析的基礎(chǔ)。RELAP5功能的應(yīng)用涵蓋了整個(gè)輕水堆系統(tǒng)的瞬態(tài)分析，比如失水事故（LOCA），未能緊急停堆的預(yù)計(jì)瞬態(tài)（ATWS），以及操作瞬態(tài)如給水喪失，失去場(chǎng)外電源，全廠斷電，汽輪機(jī)跳閘等。

通過RELAP5，可以計(jì)算反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的瞬態(tài)行為，還可以用于核電和常規(guī)系統(tǒng)的各種不同類型的熱工水力瞬態(tài)模擬，涉及到蒸汽，水，不冷凝氣體和溶解物等混合行為。從而在無法實(shí)際建立物理被控對(duì)象前最大程度滿足模擬各類核電廠實(shí)際運(yùn)行工況。

2.2虛擬數(shù)字化儀控系統(tǒng)

虛擬數(shù)字化儀控系統(tǒng)基于MATLAB/SIMULINK模擬實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的各個(gè)控制環(huán)節(jié)，并通過與數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)交互獲得由RELAP5建模得到的被控對(duì)象各類所需被控參數(shù)，進(jìn)入控制模型參與調(diào)節(jié)整定以及各類控制邏輯，并將受控后的過程參數(shù)再由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)反饋給工藝仿真系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)際被控對(duì)象的物理行為計(jì)算，形成閉環(huán)作用。

2.3數(shù)據(jù)庫(kù)及上位機(jī)

上位機(jī)作為用戶與反應(yīng)堆物理模型和虛擬儀控系統(tǒng)的人機(jī)界面，承擔(dān)了測(cè)試人員與工藝系統(tǒng)和儀控系統(tǒng)的各類交互，用于實(shí)時(shí)顯示各類所需監(jiān)控參數(shù)的顯示、對(duì)控制系統(tǒng)手動(dòng)命令的給定、虛擬擾動(dòng)給定、控制調(diào)節(jié)參數(shù)更改等，并可以通過各類監(jiān)視曲線，圖表等評(píng)價(jià)優(yōu)化后的控制調(diào)節(jié)參數(shù)實(shí)際效果。

3硬件測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

通過虛擬的儀控系統(tǒng)平臺(tái)獲得的最佳控制系統(tǒng)參數(shù)，未經(jīng)過核電廠實(shí)際使用的DCS設(shè)備驗(yàn)證。雖然其實(shí)現(xiàn)的控制邏輯雖然在測(cè)試用戶的原理實(shí)現(xiàn)層面一致，但其代碼生成方式并不符合控制系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)管當(dāng)局需要通過的驗(yàn)證，有可能在瞬態(tài)下由于DCS設(shè)備在容量，運(yùn)算能力等的實(shí)際原因限制發(fā)生不同于虛擬測(cè)試平臺(tái)下的故障或錯(cuò)誤，因此還應(yīng)對(duì)實(shí)際的DCS設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證。其實(shí)現(xiàn)原理如圖2。

其原理為將虛擬儀控系統(tǒng)由實(shí)際儀控系統(tǒng)機(jī)柜代替，通過I/O接口卡將數(shù)據(jù)采集到上位機(jī)并由虛擬I/O接口與工藝仿真系統(tǒng)進(jìn)行交互。其余部分原理與仿真測(cè)試平臺(tái)相同，通過這種方式可實(shí)現(xiàn)將控制系統(tǒng)由實(shí)際將交付于電廠的DCS設(shè)備執(zhí)行功能測(cè)試，以驗(yàn)證控制策略改進(jìn)效果是否符合實(shí)際預(yù)期，在核電廠機(jī)組實(shí)際運(yùn)行前最大限度地排除潛在風(fēng)險(xiǎn)，識(shí)別設(shè)計(jì)人因問題。

4驗(yàn)證過程及調(diào)試

4.1工藝仿真系統(tǒng)的調(diào)校與分析

工藝仿真系統(tǒng)包括核電廠各類被控對(duì)象模型，此次驗(yàn)證模擬調(diào)節(jié)回路特性，需要對(duì)仿真系統(tǒng)中對(duì)特定工藝系統(tǒng)瞬態(tài)擾動(dòng)影響范圍進(jìn)行界定。工藝仿真系統(tǒng)的調(diào)校應(yīng)按照以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：

（1）選擇選擇合理的模擬調(diào)節(jié)回路;

（2）根據(jù)系統(tǒng)控制要求建立虛擬儀控系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，保證與其與工藝仿真系統(tǒng)進(jìn)行交互聯(lián)系;

（3）通過工藝系統(tǒng)仿真的自動(dòng)運(yùn)行和上，位機(jī)模擬的擾動(dòng)給定，測(cè)試虛擬儀控系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性;

（4）實(shí)時(shí)監(jiān)控相關(guān)數(shù)據(jù)，合理調(diào)整仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)，使其達(dá)到或優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)工況調(diào)節(jié)曲線圖要求，從而完成工藝仿真系統(tǒng)的調(diào)校。

4.2硬件驗(yàn)證過程分析

（1）觀察實(shí)際DCS設(shè)備側(cè)調(diào)節(jié)曲線圖，并記錄PID對(duì)應(yīng)參數(shù);

（2）調(diào)整PID數(shù)據(jù)參數(shù)，并使虛擬系統(tǒng)與調(diào)節(jié)曲線調(diào)節(jié)一致并記錄;

（3）進(jìn)一步觀察和調(diào)節(jié)PID參數(shù)，獲取最優(yōu)曲線圖，并記錄下來。

5結(jié)論

（1）采取核電廠反應(yīng)堆熱工水力仿真模擬計(jì)算，結(jié)合仿真測(cè)試平臺(tái)，可以有效并準(zhǔn)確模擬核電站正常工況和瞬控下參數(shù)變化，為反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的測(cè)試提供有效的工具和分析技術(shù)。

（2）用戶通過針對(duì)特定的反應(yīng)堆控制系統(tǒng)測(cè)試任務(wù)，將仿真測(cè)試平臺(tái)與實(shí)際控制系統(tǒng)相連，通過人機(jī)交互界面建立動(dòng)態(tài)監(jiān)視，使測(cè)試人員可以盡最大可能在儀控系統(tǒng)設(shè)備交付核電廠使用前測(cè)試控制系統(tǒng)的性能邏輯，避免實(shí)際運(yùn)行時(shí)的低級(jí)邏輯錯(cuò)誤，并為核電廠熱試聯(lián)調(diào)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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