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試平臺，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)，并在實際DCS設(shè)備上對參數(shù)進(jìn)行復(fù)核驗證，盡可能地使由于無法進(jìn)行實際被控設(shè)備聯(lián)調(diào)而帶來的設(shè)計或調(diào)試問題得到識別，降低風(fēng)險縮短調(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)運行期間主參數(shù)達(dá)到設(shè)計最優(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)行出廠驗收期間、實際調(diào)試啟動前和平臺測試前，由于反應(yīng)堆控制系統(tǒng)并未與實際受控對象建立物理聯(lián)系，因此就無法對實際瞬態(tài)工況進(jìn)行模擬和驗證。若要借助數(shù)字化儀控平臺自身工具，則僅能對反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的控制邏輯或者局部功能進(jìn)行驗證，對那些需要進(jìn)行復(fù)雜性調(diào)節(jié)，以及配合實際被控對象的物理行為難以實現(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）動態(tài)地對被控對象進(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)的功能測試中仿真平臺選型分析

反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的功能測試中仿真平臺的設(shè)備技術(shù)選擇和功能設(shè)計上應(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)律和動態(tài)響應(yīng)特性。支持長期運行和工況計算功能，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

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

1.3技術(shù)選型

仿真測試平臺設(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仿真測試平臺的設(shè)計與功能實現(xiàn)

仿真測試平臺主要由虛擬數(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，每個系統(tǒng)之間的功能依據(jù)不同需求，通過數(shù)據(jù)庫連接到一起，由數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)傳輸工藝系統(tǒng)被控對象各類參數(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)的實時運行情況進(jìn)行顯示與監(jiān)控，如圖1。

2.1仿真測試平臺的工藝仿真系統(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)場設(shè)備的運行情況，然后通過數(shù)據(jù)庫與虛擬數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)進(jìn)行交互。其計算建模核心為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，初始由愛德華國家工程實驗室（INEL）為美國核管會（NRC）開發(fā)，用于規(guī)則制定，許可審查計算，事故減緩措施評估，操作員規(guī)程評價，和實驗計劃分析，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)計瞬態(tài)（ATWS），以及操作瞬態(tài)如給水喪失，失去場外電源，全廠斷電，汽輪機(jī)跳閘等。

通過RELAP5，可以計算反應(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。從而在無法實際建立物理被控對象前最大程度滿足模擬各類核電廠實際運行工況。

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模擬實現(xiàn)反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的各個控制環(huán)節(jié)，并通過與數(shù)據(jù)庫的實時交互獲得由RELAP5建模得到的被控對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)再由實時數(shù)據(jù)庫反饋給工藝仿真系統(tǒng)，進(jìn)行實際被控對象的物理行為計算，形成閉環(huán)作用。

2.3數(shù)據(jù)庫及上位機(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)了測試人員與工藝系統(tǒng)和儀控系統(tǒng)的各類交互，用于實時顯示各類所需監(jiān)控參數(shù)的顯示、對控制系統(tǒng)手動命令的給定、虛擬擾動給定、控制調(diào)節(jié)參數(shù)更改等，并可以通過各類監(jiān)視曲線，圖表等評價優(yōu)化后的控制調(diào)節(jié)參數(shù)實際效果。

3硬件測試平臺的設(shè)計與功能實現(xiàn)

通過虛擬的儀控系統(tǒng)平臺獲得的最佳控制系統(tǒng)參數(shù)，未經(jīng)過核電廠實際使用的DCS設(shè)備驗證。雖然其實現(xiàn)的控制邏輯雖然在測試用戶的原理實現(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)局需要通過的驗證，有可能在瞬態(tài)下由于DCS設(shè)備在容量，運算能力等的實際原因限制發(fā)生不同于虛擬測試平臺下的故障或錯誤，因此還應(yīng)對實際的DCS設(shè)備進(jìn)行驗證。其實現(xiàn)原理如圖2。

其原理為將虛擬儀控系統(tǒng)由實際儀控系統(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試平臺相同，通過這種方式可實現(xiàn)將控制系統(tǒng)由實際將交付于電廠的DCS設(shè)備執(zhí)行功能測試，以驗證控制策略改進(jìn)效果是否符合實際預(yù)期，在核電廠機(jī)組實際運行前最大限度地排除潛在風(fēng)險，識別設(shè)計人因問題。

4驗證過程及調(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象模型，此次驗證模擬調(diào)節(jié)回路特性，需要對仿真系統(tǒng)中對特定工藝系統(tǒng)瞬態(tài)擾動影響范圍進(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)仿真的自動運行和上，位機(jī)模擬的擾動給定，測試虛擬儀控系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性;

（4）實時監(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硬件驗證過程分析

（1）觀察實際DCS設(shè)備側(cè)調(diào)節(jié)曲線圖，并記錄PID對應(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算，結(jié)合仿真測試平臺，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)的測試提供有效的工具和分析技術(shù)。

（2）用戶通過針對特定的反應(yīng)堆控制系統(tǒng)測試任務(wù)，將仿真測試平臺與實際控制系統(tǒng)相連，通過人機(jī)交互界面建立動態(tài)監(jiān)視，使測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試控制系統(tǒng)的性能邏輯，避免實際運行時的低級邏輯錯誤，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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