軟件仿真核電站堆芯核測量系統的設計與實現

杜曉光 張 君 關濟實

（中科華核電技術研究院有限公司 北京分公司 北京 100086）

在核電站運行過程中需監測反應堆的熱功率，以判斷電站的工作狀態是否與預設狀態一致。反應堆熱功率與中子注量率成正比，因此測量反應堆堆芯中子通量分布的堆芯核測量系統是重要的監測系統。目前我國大多數在役核電站使用的移動式微型裂變室堆芯核測量系統[1–3]，集機械、電氣和核測量于一體，通過機電配合完成中子通量測量。其機械系統的重要部件須從國外進口，生產批量少，采購周期長。在系統設計制造階段，其制約控制軟件的調試工作，影響軟件質量；在測量系統的制造和調試過程中，控制部分須反復調試才能得到某些參數的最佳值。使用過程中的機械磨損使部件使用壽命降低。

鑒此，我們用Rockwell公司的自動化組態軟件RSView32與工業通信軟件 RSLinx，構成基于RSView32的仿真堆芯中子注量率測量系統，在堆芯核測量系統的設計和調試中的仿真測量，其電氣和機械功能的實現和性能修改方便，調試靈活。調試過程中不涉及機械磨損，提高了機械設備的使用壽命。

1 測量系統組成及工作原理

堆芯核測量系統主要包括主機柜、通道柜、分配柜和機械設備。主機柜中運行人機交互(Human-Machine Interface, HMI)工控機，控制整個測量系統。通道柜和分配柜分別放置于控制室和測量現場，內部安裝一套分布式PLC系統和成套電氣設備。

3×105kW核電站堆芯核測量系統由 1臺主機柜、3臺通道柜、1臺分配柜和3套機械設備組成。每套機械設備包括1臺驅動裝置、3臺選擇器和10根測量管路。測量系統有3個測量通道，每個測量通道可測量10個管路。系統工作時，操作員在主機柜發送測量指令，3臺通道柜分別控制對應通道的測量工作。通道柜將發送控制指令通過分配柜控制機械設備，機械設備驅動中子探測器完成1個管路的測量工作[2,3]。仿真測量系統與真實的測量系統相比，結構更加簡單。仿真測量系統由分布式PLC系統和2臺工控機組成。工控機中分別安裝了控制測量系統的人機交互軟件和仿真測量系統的仿真軟件。兩個系統組成對比如表1所示。

RSLinx將PLC與自動化軟件無縫連接，并提供OPC(OLE for Process Control)和DDE(Dynamic Data Exchange)通訊方式，為控制器與組態軟件建立通訊鏈接。在仿真測量系統中，RSLinx軟件作為OPC服務器，負責PLC控制器與RSView32軟件間的數據交換[4]。

RSView32通過RSLinx與PLC控制器建立通訊連接，可采集數據，監視和記錄自動化生產過程，也可創建和修改數據，實現對生產過程的自動化控制。通過在RSView32中設計的HMI，可完成數據采集、處理、顯示、存儲，以及生產控制等[5]。用RSView32設計系統仿真軟件，在工業和研究中應用非常普遍[6–9]。在該仿真測量系統中，工業級PC機中安裝了一塊ControlNet網絡通訊卡，PLC系統的 CNB通訊模塊由同軸電纜與通訊卡連接。PLC控制器通過此連接向RSLinx軟件接收和發送數據。RSLinx和RSView32軟件安裝在同一臺計算機中，通過OPC協議進行數據交換，RSLinx軟件相當于連接PLC控制器和RSView32軟件的橋梁。

操作員從該堆芯中子注量率測量系統工控機的HMI發出的控制命令，由 ControlNet網絡傳遞給PLC控制器，從而觸發相應的執行程序。如需控制機械設備，PLC控制器將數據發送到輸出模塊，再傳遞給電氣設備控制機械設備執行相應的動作。運行過程中，PLC控制器通過輸入模塊監視電氣和機械設備的狀態數據，并執行相應的程序。PLC的控制數據均由輸出模塊傳遞給電氣和機械設備，即控制器僅根據輸入/輸出模塊端子的信號執行程序。

表1 真實和仿真測量系統結構組成Table 1 The measurement system structure (Real vs Simulative).

在 PLC系統中，控制器與輸入/輸出模塊的數據交換通過標簽(Tag)進行。在控制器內部，輸入/輸出模塊的每個I/O端口都有對應的標簽。控制器讀寫輸入/輸出模塊端子值實際上是讀寫與端子對應的標簽值(圖1a)。

該仿真測量系統用 RSLinx通訊軟件和RSView32組態軟件代替了真實測量系統中的輸入/輸出模塊、電氣和機械設備。在RSView32中有一個標簽數據庫，可創建各種數據類型的標簽。通過RSLinx通訊軟件提供OPC服務器，RSView32中的標簽可與PLC控制器中的標簽建立對應關系，相關聯標簽間可共享數據(圖1b)。

當 PLC控制器發出控制指令時，將修改 PLC控制器中某一標簽值，RSView32程序中對應的標簽值將同時發生相應改變。RSView32程序將響應標簽值的改變，仿真機械設備做出相應的動作，同時修改與動作相關的標簽。最后修改的標簽值通過RSLinx中的OPC服務器傳遞給PLC控制器，供PLC控制器執行控制程序。

圖1 真實和仿真測量系統控制結構圖Fig.1 Schematics of the measurement control systems.

2 仿真測量系統軟件設計

RSView32需仿真的設備主要包括驅動機箱、測量機箱和電源機箱等電氣設備，以及驅動裝置、選擇器、電動閥和泄漏探測器等機械設備。仿真系統需實現的硬件類型較多，功能各不相同，不同硬件間不存在數據交換，因此采用模塊化的設計方法，每個模塊實現一個硬件功能。

真實測量系統中電動閥的操作過程為開某管路的電動閥并測量該管路，PLC控制器通過數字量輸出模塊發出“打開閥門”指令，電氣設備將電動閥加上48 V直流電壓，電動閥旋轉閥門到打開狀態后停止，并由電氣設備返回一個信號，表示為“閥門已打開”，PLC控制器接收到該信號后，確定電動閥已打開(圖2a)。

圖2 真實和仿真測量系統中電動閥的動作Fig.2 Action of motor-driven valves.

該管路測量結束，PLC控制器通過數字量輸出模塊發出“關閉閥門”指令，電氣設備將電動閥加上48 V直流電壓，閥門旋轉到關閉狀態后停止，并由電氣設備返回一個信號，表示為“閥門已關閉”，PLC控制器接收到該信號后，確定電動閥已關閉。

由對電動閥工作的描述，確定一個電動閥所需得兩個輸入和輸出信號見表2(以1#電動閥為例)。表2的信號類型系對 PLC控制器而言，標簽建立在PLC控制器中。該電動閥所需控制標簽確定后，就可在RSView32中建立相應標簽，通過OPC服務器將RSView32軟件中的標簽與PLC控制器中的標簽建立連接。

表2 操作電動閥的信號和標簽Table 2 The signals and tags of action of the motorized valve.

通過RSView32軟件的事件功能，可實現仿真電動閥。需打開電動閥時，PLC控制器將標簽(SetValve1Open)置為1。標簽值通過RSLinx軟件提供的OPC服務器傳遞給RSView32，RSView32接收到該標簽值將觸發RSView32中的“打開電動閥”事件。由于實際的電動閥中的閥門旋轉有一個持續時間，所以事件觸發后，會等待 1 s后將標簽(GetValve1Open)置為 1。標簽(GetValve1Open)將通過OPC服務器傳遞給PLC控制器(圖2b)。

仿真測量系統可實現各種機械動作，還可顯示機械設備的當前狀態。例如：可在電動閥的監控畫面中顯示電動閥的開關狀態，這由衍生標簽功能實現。為顯示電動閥的當前狀態，創建了標簽Valve1Status，通過衍生標簽將標簽Valve1Status與標簽 GetValve1Open建立關系。Valve1Status標簽值會隨 GetValve1Open標簽值發生改變，通過Valve1Status標簽值可以監測到電動閥的當前狀態，并顯示在畫面中。仿真測量系統軟件在后臺實現各種機械動作，在軟件界面中提供操作測量系統的畫面，并顯示機械設備的狀態。軟件的結構見圖3。

圖3 仿真測量系統軟件結構圖Fig.3 Program diagram to simulate the in-core neutron flux measurement.

仿真監控畫面顯示整個測量系統，通過控制畫面可切換到不同用途的控制界面中。測量控制畫面用于啟動和停止各種測量模式，修改測量參數等；控制臺畫面用于仿真實際的控制臺；電動閥畫面用于顯示和控制所有的電動閥；泄漏監測畫面用于顯示泄漏探測器的狀態。

3 結語

堆芯核測量系統采用直流有刷電機作為驅動電機。直流電機的電刷在工作過程中，受機械摩擦和電蝕的影響，會逐漸磨損[10]。減少電機的使用次數，會提高電機的使用壽命。仿真軟件的使用，使系統前期調試過程中無需使用電機，從而減少了電刷的磨損。

利用組態軟件RSView32的衍生標簽和事件功能，通過OPC技術，建立了軟件與PLC控制器之間的實時通信，實現堆芯中子注量率測量系統仿真。

仿真測量系統與真實測量系統的 PLC控制程序的聯調試驗證實，仿真測量系統不僅仿真實現了真實測量系統的各種機械動作，對PLC程序的各種控制指令做出正確響應，且可以仿真各種機械設備的故障，驗證了控制軟件的錯誤診斷程序。

仿真測量系統無需電氣和機械設備的支持，使工作人員在項目早期就可以調試系統控制軟件。從而及時發現控制軟件中的控制邏輯和設計缺陷。仿真測量系統對各種故障的模擬，使得對控制軟件中故障診斷和處理模塊的驗證更加方便。加快了控制軟件開發進度，提高了軟件質量。仿真測量系統為項目的實施提供了有力的保障。

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