CPR1000核電站三廢處理控制系統仿真測試技術應用

北京廣利核系統工程有限公司 康炤旭

CPR1000核電站三廢處理控制系統仿真測試技術應用

北京廣利核系統工程有限公司 康炤旭

為實現工廠測試期間，能夠最大限度地模擬核電廠三廢系統的工藝設備，對三廢控制系統（DCS）的組態邏輯正確性進行驗證，通過結構化文本語言編寫仿真測試程序，對現場的工藝設備的運行狀態進行仿真模擬。同時選取對核電站硼回收系統（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。

結構化文本；DCS；仿真；測試；順序控制

1 CPR1000核電站三廢系統簡介

三廢系統主要功能是控制、收集、處理、輸送、監測、貯存和排放核電站正常運行工況和預期運行條件下產生的各種氣、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“核電廠環境輻射防護規定”所規定的限值，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(KSN)主要包括以下幾個子系統：

? 硼回收系統（TEP）

? 放射性廢液處理系統（TEU）

? 放射性固體廢物處理系統（TES）

? 放射性廢氣排放系統（TEG）

? 核輔助廠房通風系統（DVN）

? 核島排氣和疏水系統（RPE）

? 硼加熱系統（RRB）

? 輔助蒸汽分配系統（SVA）

2 CPR1000核電站三廢控制系統概述

2.1 背景

三廢系統工藝復雜，控制設備多，因此至嶺澳二期開始，三廢系統的控制系統已經開始采用DCS系統，替代了原來的繼電器控制。同時三廢系統在核電廠的整個生命周期內都需要可靠，穩定的運行，其DCS系統的準確，可靠運行則顯得十分重要，為此需要在DCS系統出廠前，對整個DCS系統進行系統測試，確保DCS系統功能準確、可靠。

2.2 控制系統的組成

三廢系統的DCS系統包括人機界面層、數據處理層和現場控制層。如圖1所示，人機界面層包括操作員站、打印機、組態工程師站等，完成DCS系統的離線組態，實現整個DCS系統的人機交互功能，進行數據的成組顯示、趨勢顯示、工藝流程圖顯示、報警規程顯示等，從而對三廢工藝系統的進行實時監視與控制。數據處理層包括交換機、服務器，是連接人機界面層與現場控制層的橋梁，并為人機界面層提供數據存儲、查詢、報警處理等功能；現場控制層包括控制器，現場信號采集模塊，控制信號輸出模塊。現場控制層接收人機界面層的控制指令，采集工藝現場的物理信號，按照預先組態好的控制策略，對現場的工藝設備進行監測與控制。

圖1 DCS系統網絡結構圖

2.3 控制功能測試方案選擇

DCS系統集成完成后，需要對DCS系統的整體情況進行測試，測試范圍包括DCS系統平臺功能測試、DCS系統性能測試、DCS系統組態邏輯測試。其中DCS系統組態邏輯測試最為重要。所謂邏輯測試，即按照核電站三廢處理系統的控制邏輯要求，對DCS系統運行后的真實控制輸出進行驗證，確保DCS系統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設備相同的實物測試環境，并將DCS系統與測試環境通過硬接線連接。此方案可以真實的反映出現場設備的各種狀態，測試結果也最真實，但是將耗費大量的設備費用、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，搭建三廢系統所有控制設備的數學模型，并在單獨的一臺計算機柜中運行仿真模型，DCS系統與仿真模型進行數據交互，達到測試的目的。此方案較方案一節省成本，但是計算機柜的集成，現場設備數學模型的建立，DCS系統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系統本身的特性，在現場控制層的控制器中運行仿真程序，仿真程序對現場設備進行模擬，從而對控制邏輯進行驗證。此方案最大的優點是測試期間，DCS系統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核電站硼回收系統仿真測試方案實施

為實現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

結合對三廢處理系統控制邏輯的分析，核電廠三廢處理系統中包含26個PID控制，5個順序控制邏輯，分別為TEP系統1號除汽器的順序控制、TEP系統2號除汽器的順序控制、TEP系統1號蒸發器的順序控制、TEP系統2號蒸發器的順序控制和TEU系統1號蒸發器的順序控制。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場設備的運行狀態反饋，順序控制程序才能繼續運行下去。為此，仿真程序就需要在收到DCS系統的控制指令后模擬現場設備的動作，向DCS系統饋送反饋信號。順序控制程序中作為轉換條件的絕大部分都是設備的開關狀態，僅有TEP系統除汽器控制中兩個三通控制閥需要實現開度的控制，根據閥門開度的范圍對閥門的開關狀態進行設置。為此仿真程序需要完成以下功能：（1）接收DCS系統發出的控制輸出信號，模擬現場設備的開關行程時間，收到信號延時一定的時間向DCS系統饋送該設備的動作到位反饋信號。（2）接收DCS系統發出的除汽器控制系統中的三通控制閥的開度模擬量控制信號，根據開度的范圍自主判斷三通控制閥的開關狀態，并將開關反饋信號饋送到DCS系統。

3.1.2 仿真程序的編寫

因為仿真程序運行在DCS系統的現場控器中，因此需要采用現場控制器可以識別的編程語言進行仿真程序的編寫，現場控制器的邏輯組態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），結構化文本（ST），功能塊圖（FBD），梯形圖（LD），順序功能圖（SFC）[2]。其中ST是針對自動化系統的高級文本編程語言。簡單的標準結構確保快速、高效的編程。ST使用了高級語言的許多傳統特性，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。那么什么是結構化文本呢？"結構"是指高水平的結構化編程能力，象一個"結構化的編程"；"文本"是指應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 仿真程序的應用

3.2.1 仿真功能塊

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

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系統的設備開啟控制指令。CL（關指令輸入引腳）用于接收DCS系統的設備關閉控制指令。T_SM3（設備開行程時間定義引腳）用于根據現場實際情況設定設備的開行程時間。T_SM5（設備關行程時間定義引腳）用于根據現場實際情況設定設備的關行程時間。SM3（開反饋輸出引腳）用于向DCS系統饋送設備的開狀態反饋信號。SM5(關反饋輸出引腳)用于向DCS系統饋送設備的關狀態反饋信號。同時需要對DCS系統的信號采集功能進行屏蔽，以仿真程序的運算結果代替真實的信號采集值。

3.2.2 功能塊的特殊處理

對于現場的電磁閥類設備，DCS系統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 現場采集信號的屏蔽處理

DCS系統的所有物理點在系統中為方便測試都設置了一個強制狀態位[4]，當該強制狀態位為真時，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。因此在設置了所有物理信號的強制狀態位后，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生相應的變化。實現設備運行狀態的仿真。

3.3.2 仿真功能塊的添加

在DCS系統1號除汽器的控制邏輯方案頁中，在每個設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系統人機界面的控制指令，并根據設備控制邏輯的要求將人機界面的控制指令轉變為電平信號或是脈沖信號，參與到設備的控制邏輯中，實現設備的手動開關控制。

②：設備手自動切換處理：該部分用來檢測DCS系統人機界面的設備控制狀態切換指令，實現現場設備手動控制狀態，自動運行狀態的切換。

③：設備開關控制邏輯：該部分實現設備的實際控制邏輯。

④：設備驅動控制算法：該部分為設備的驅動控制算法，用以接收控制邏輯的運算結果，完成實際控制指令的輸出，現場設備運行狀態反饋信號的接收，并根據輸入輸出的信號，自動判斷當前設備的運行狀態，如命令超時，設備狀態偏差，開關反饋同時存在報警等，并將這些信息上傳給人機界面層，實現對現場設備的控制與監視。

⑤：仿真功能塊：實現現場設備的動作仿真。

圖4 添加設備仿真功能塊

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

3.3.3 添加三通控制閥開關判斷程序

三通控制閥的開關判斷邏輯依舊采用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閉狀態。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。當開度位于5%和95%之間時，維持當前的開關狀態。結合上述要求，實現程序如下：

（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；三通控制閥開狀態反饋信號：PY3TEP033VPSM3；三通控制閥關狀態反饋信號：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

? 打開調試模式

將PY3TEP033VPCO添加到監視窗口中，置位該點的強制狀態位，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個運行狀態的控制。分別為狀態0到狀態9，各個狀態的功能如下：

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

②狀態1：升溫，冷凝器內廢氣向TEG含氧分系統排氣，當除氣器頂部蒸汽出口溫度達到95℃時狀態1結束，持續約50min，水含氧量降到1mg/l；

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

④狀態3：氮氣吹掃冷凝器除氧，持續約15min，冷凝器內廢氣向TEG含氧分系統排放，水含氧量降到0.007mg/l,冷凝器內廢氣向TEG系統含氧管線排放；

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

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

⑦狀態6：熱備用，前置暫存箱的N2液位信號觸發除氣器序列由狀態5轉到熱備用，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7：強制冷卻，除氣器序列內的液體用設備冷卻水冷卻到一定溫度，從而達到冷停運；

⑨狀態8：氮氣吹掃冷凝器，冷凝器內廢氣向TEG含氫管線排放，裝置由生產狀態5到狀態6可經狀態8；

⑩狀態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，冷凝器內廢氣向TEG含氫管線排放。

各狀態之間的轉換關系如圖6所示：

圖6 除汽器運行狀態轉換圖

結合TEP系統除汽器的操作規程，開啟除汽器的順序控制流程，依次進入除汽器的各個狀態，對于各個狀態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置，不宜添加到仿真程序中，因這些模擬量信號往往是狀態變換的條件，如果采用仿真程序進行強制值的給定，很可能出現狀態改變過快，不宜進行程序運行狀態的記錄。

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

4 結論

本文通過對核電廠硼回收系統中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、高效的結構化文本語言進行編制，移植性強，易于推廣到其他領域。

[1] 李睿. 嶺澳二期核島三廢處理控制系統 (KSN) 設計[J]. 自動化博覽, 2011, 04. [2] 袁海峰, 黃凱杰. KW-SoftwareMULTIPROG平臺通過赫優訊cifX板卡實現集成PROFIBUS-DP主站的軟PLC控制器[J]. 自動化博覽, 2012 (S1) .

[3] 蔚庭, 伯特·杉布. IEC61131-3的編程語言 (一) : 文本化語言 (續二) [J]. 機電一體化技術, 2001, 03.

[4] 饒宛, 鄭歡, 陳信仁. HOLLiASMACSV6應用實例及問題分析[J]. 自動化技術與應用, 2011, 12.

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，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電站數字化儀控系統設計工作。