核電汽輪機(jī)控制系統(tǒng)翻譯仿真技術(shù)改進(jìn)研究

印 勇

（中廣核仿真技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518031）

0 引言

仿真是研究認(rèn)知核電站系統(tǒng)特性、分析影響核安全的要素，是發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，保證核電站安全的有效手段。核電站全范圍模擬機(jī)是利用仿真技術(shù)，針對特定堆型建立的一系列能夠模擬實際機(jī)組運行的高精度動態(tài)軟件數(shù)學(xué)模型和硬件設(shè)備的裝置。該數(shù)學(xué)模型能在各種工況下進(jìn)行連續(xù)、實時的計算，能模擬核電站各種運行工況，如啟、停堆，升、降負(fù)荷以及各種事故瞬態(tài)工況。

儀控系統(tǒng)是核電站的中樞神經(jīng)，對核電站的安全至關(guān)重要。目前，數(shù)字化儀控技術(shù)已普遍應(yīng)用于核電機(jī)組。核電站全范圍模擬機(jī)的投入使用是核電站首次裝料的關(guān)鍵路徑活動之一，儀控系統(tǒng)的仿真是核電站全范圍模擬機(jī)重要的組成部分。儀控仿真技術(shù)具有逼真度高、易于重構(gòu)和維護(hù)、成本相對低廉的優(yōu)點，在模擬機(jī)開發(fā)過程中得到了廣泛應(yīng)用。不僅可以承擔(dān)電站運行人員操縱技能和應(yīng)急能力的培訓(xùn)任務(wù)，還可以完成根據(jù)電站實際運行狀況更新控制參數(shù)、控制策略的優(yōu)化，以及先進(jìn)控制策略方案的驗證[1]。

1 控制系統(tǒng)翻譯仿真

核電站儀控系統(tǒng)仿真主要存在激勵式、虛擬式、翻譯式3種方案[2]。其中，翻譯式仿真就是通過開發(fā)專門的翻譯工具對實際DCS工程組態(tài)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行代碼解析、轉(zhuǎn)換，重新編譯成符合仿真平臺規(guī)范的程序文件和配置文件，最終將轉(zhuǎn)換文件下裝到仿真平臺工程中，實現(xiàn)將電站實際DCS組態(tài)和算法在非DCS的計算機(jī)中完美再現(xiàn)。

核電站汽輪機(jī)控制系統(tǒng)分為調(diào)節(jié)和保護(hù)系統(tǒng)，均采用了數(shù)字化儀控技術(shù)。核電站全范圍模擬機(jī)對汽輪機(jī)控制系統(tǒng)仿真采取的是翻譯仿真方式，即開發(fā)一套翻譯轉(zhuǎn)換工具，讀取、解析實際控制系統(tǒng)組態(tài)文件，并將組態(tài)信息翻譯轉(zhuǎn)換成仿真平臺對應(yīng)的內(nèi)容。功能塊算法則完全根據(jù)實際控制系統(tǒng)定義的模塊，進(jìn)行算法深入解析，在仿真平臺編寫具體的算法。

通過這種方式，能夠?qū)崿F(xiàn)與實際組態(tài)完全相同的圖形外觀。基本相同的控制功能，具有高逼真度，具備對機(jī)組進(jìn)行功率、轉(zhuǎn)速、壓力等控制，以及對機(jī)組的各種保護(hù)功能，滿足全范圍模擬機(jī)的各項性能要求。

2 汽輪機(jī)控制系統(tǒng)翻譯仿真改進(jìn)研究背景

核電站全范圍模擬機(jī)都是在實際機(jī)組發(fā)電之前完成開發(fā)，隨著核電機(jī)組商運發(fā)電后，儀控人員一般會對設(shè)計的邏輯和調(diào)試數(shù)據(jù)開展優(yōu)化改進(jìn)研究，如核電站機(jī)控組儀控人員對汽輪機(jī)的設(shè)計開展負(fù)荷最大出力提升研究，汽輪機(jī)高壓缸調(diào)節(jié)品質(zhì)提升研究等。針對這類需求，核電站全范圍模擬機(jī)承擔(dān)著很重要的設(shè)計驗證平臺的角色。然而，改進(jìn)前的汽輪機(jī)控制仿真模型存在著下述幾點不足：

2.1 邏輯不可編輯，無法對實際機(jī)組邏輯設(shè)計修改方案開展可行性仿真研究

實際機(jī)組汽輪機(jī)控制系統(tǒng)組態(tài)邏輯各功能塊之間的連接是動態(tài)的，能隨時在組態(tài)圖上修改連接的邏輯功能塊參數(shù)引腳，連接線能實時反映連接功能塊引腳的輸出狀態(tài)信息，且能根據(jù)設(shè)計文件隨時增減邏輯。核電安全性要求，投運后的實際機(jī)組任何的邏輯設(shè)計變更必須經(jīng)過反復(fù)的設(shè)計驗證，確認(rèn)沒有問題后才能在實際機(jī)組上實施。核電全范圍模擬機(jī)是解決實施這一問題最好的設(shè)計驗證平臺之一。

翻譯仿真改進(jìn)之前，汽輪機(jī)控制仿真邏輯功能塊圖符以及之間的連接線都是靜態(tài)圖符不可編輯，僅具有示意顯示功能。各邏輯功能塊之間真正的連接關(guān)系需靠底層的傳值文件，不能像實際組態(tài)軟件那樣隨時可以編輯修改邏輯，這就無法滿足現(xiàn)場儀控人員修改邏輯與實時仿真驗證需求。

2.2 常數(shù)參數(shù)不能單獨保存

實際機(jī)組商運前很多數(shù)據(jù)還是臨時的調(diào)試數(shù)據(jù)，待商運發(fā)電后才會調(diào)試固化，這個過程會產(chǎn)生很多系統(tǒng)的定值數(shù)據(jù)迭代修改。現(xiàn)場數(shù)據(jù)修改后，全范圍模擬機(jī)對應(yīng)的數(shù)據(jù)也需要及時更新迭代來保持和現(xiàn)場1:1仿真。

翻譯仿真改進(jìn)之前，汽輪機(jī)控制仿真模型功能塊沒有將常數(shù)參數(shù)引腳單獨定義，無法實現(xiàn)對常數(shù)參數(shù)的單獨保存。這就導(dǎo)致現(xiàn)場定值數(shù)據(jù)每一次的迭代，模擬機(jī)維護(hù)人員都需要將所有工況全部重新另存一次，這給模擬機(jī)維護(hù)工作帶來了諸多不便。

3 翻譯仿真改進(jìn)研究

在用戶新增的功能需求和提升核電控制系統(tǒng)仿真逼真度的要求下，本文在已建某核電站全范圍模擬機(jī)基礎(chǔ)上，對汽輪機(jī)控制系統(tǒng)實施了可編輯邏輯翻譯仿真技術(shù)改進(jìn)研究。

3.1 翻譯仿真基本原理

通過定義和執(zhí)行相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，使用特定的語言識別及轉(zhuǎn)換技術(shù)，自動批量地將實際控制系統(tǒng)控制邏輯組態(tài)文件轉(zhuǎn)換為仿真平臺可識別的平臺文件，并完成在仿真平臺成功運行。

3.2 翻譯仿真研究內(nèi)容

第一部分研究內(nèi)容是收集實際DCS組態(tài).dmp數(shù)據(jù)庫文件和功能塊說明書；通過安裝關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Oracle Database，安裝數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序的圖形化工具Oracle SQL Developer，安裝Java軟件開發(fā)工具包JDK等，搭建翻譯環(huán)境并開展數(shù)據(jù)解析工作。

第二部分研究內(nèi)容是將解析后的實際DCS組態(tài)邏輯轉(zhuǎn)換成仿真平臺可識別的格式，包括頁面.page文件和可視化.xdg文件；并在仿真平臺上完成功能塊圖符庫和算法庫的開發(fā)[3]。

第三部分研究內(nèi)容是采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，開發(fā)改進(jìn)仿真平臺汽輪機(jī)控制仿真計算服務(wù)系統(tǒng)，并在Visual Studio環(huán)境下編譯生成.exe可執(zhí)行文件[3]。仿真計算服務(wù)系統(tǒng)主要完成管理初始化時功能塊引腳參數(shù)數(shù)據(jù)；識別翻譯后邏輯圖頁面中的功能塊類型和連接關(guān)系；組織和管理功能塊的調(diào)用；完成功能塊具體特定的邏輯算法。

3.3 翻譯仿真改進(jìn)內(nèi)容

本次改進(jìn)研究重點在新開發(fā)了帶矢量功能的邏輯功能塊圖符庫和矢量連接線，完全替換了之前翻譯工具原有的靜態(tài)圖符庫和靜態(tài)示意連接線。翻譯轉(zhuǎn)換工具新增加了識別實際組態(tài)中如文本、線條和矩形等段代碼，并將這些簡單的靜態(tài)示意功能信息直接轉(zhuǎn)換為矢量對象[3]，存入仿真平臺可視化文件中，并最終實現(xiàn)在仿真平臺上各功能塊之間可連線編輯并運行。

本次改進(jìn)研究還對汽輪機(jī)控制系統(tǒng)所有控制功能塊參數(shù)引腳全部重新定義，將常數(shù)引腳單獨做出定義，并在模擬機(jī)整體工況中單獨保存功能塊常數(shù)引腳的相關(guān)信息。對比改造前，本研究實現(xiàn)常數(shù)引腳數(shù)據(jù)的單獨存儲，避免了現(xiàn)場定值數(shù)據(jù)修改后模擬機(jī)更新迭代需重新大規(guī)模另存工況的工作，便利了模擬機(jī)維護(hù)工作，提高了模擬機(jī)維護(hù)人員工作效率。

4 邏輯可編輯調(diào)試技術(shù)創(chuàng)新

本研究最終實現(xiàn)了預(yù)期的對控制邏輯圖可編輯修改功能，不僅保留了原控制系統(tǒng)的功能塊圖符外觀和響應(yīng)功能，還保留了原系統(tǒng)的組態(tài)思路和組態(tài)方法，最大程度地保留了原系統(tǒng)的信息，且控制邏輯模型和工藝系統(tǒng)模型都在同一仿真平臺運行，不僅提高不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互效率，還方便于平臺的管理和維護(hù)。

本研究對邏輯可編輯調(diào)試技術(shù)進(jìn)行了擴(kuò)展，除了滿足模擬機(jī)的培訓(xùn)需求外，還開展了對汽輪機(jī)先進(jìn)控制策略的研究，將邏輯編輯修改功能在儀控設(shè)計驗證中展開了應(yīng)用。為實際電廠的汽輪機(jī)邏輯設(shè)計變更提供修改實施平臺及實時仿真驗證平臺。現(xiàn)場的汽輪機(jī)控制策略修改方案先在模擬機(jī)修改實施，待仿真結(jié)果取得預(yù)期結(jié)果后，再應(yīng)用于實際現(xiàn)場。此舉降低了現(xiàn)場邏輯設(shè)計變更的成本和風(fēng)險。

例如，通過在線編輯汽輪機(jī)仿真邏輯，更新控制參數(shù)、優(yōu)化改進(jìn)控制策略，把自適應(yīng)PID應(yīng)用在轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制器，是把更先進(jìn)的控制策略應(yīng)用到核電領(lǐng)域的一種嘗試。

由于實際汽輪機(jī)的復(fù)雜性，模擬機(jī)汽輪機(jī)工藝模型的設(shè)計精度很難達(dá)到跟實際機(jī)組的完全一致，再加上沖轉(zhuǎn)前期，高壓缸調(diào)節(jié)閥開度需求很小，此時沖轉(zhuǎn)氣源也不穩(wěn)定，系統(tǒng)整體振蕩的比較嚴(yán)重，閥門忽開忽關(guān)，導(dǎo)致實際轉(zhuǎn)速跟隨設(shè)定轉(zhuǎn)速的效果不理想。沖轉(zhuǎn)后期，氣源開始穩(wěn)定，系統(tǒng)振蕩減少，調(diào)節(jié)閥較容易控制，實際轉(zhuǎn)速可以很好地跟隨設(shè)定轉(zhuǎn)速變化。

本研究在轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制器PID調(diào)節(jié)品質(zhì)、精度提升方面對先進(jìn)控制策略開展了應(yīng)用研究，通過收集總結(jié)以往汽輪機(jī)高壓缸調(diào)節(jié)閥的控制參數(shù)，采用對控制器的策略優(yōu)化，自動實時在線整定獲得最佳控制性能的PID參數(shù)，以期所有的工況都能達(dá)到與現(xiàn)場現(xiàn)象相符的結(jié)果，最后取得了良好的效果。

具體的做法如下：讓轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制器的P，I值隨著給定轉(zhuǎn)速做線性函數(shù)變化。低轉(zhuǎn)速時，采用較小的P值，減弱I作用，這樣調(diào)閥動作幅度會變小，速率也減緩，這樣盡量避免閥門忽開忽關(guān)的情況，從而盡可能優(yōu)化沖轉(zhuǎn)前期的轉(zhuǎn)速曲線；隨著給定轉(zhuǎn)速的上升，P值也隨之增大，I作用也隨之增強(qiáng)，這樣保證實際轉(zhuǎn)速能較好地跟隨給定轉(zhuǎn)速。具體的P，I參數(shù)隨給定轉(zhuǎn)速變化的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)模擬機(jī)多輪沖轉(zhuǎn)試驗得到一組最佳參數(shù)。

5 社會效益

本研究融入先進(jìn)的文件解析技術(shù)、語言解析技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和功能塊算法庫，實現(xiàn)了核電站儀控系統(tǒng)的仿真，使得模擬機(jī)儀控系統(tǒng)的開發(fā)不僅在精度和逼真度上得到提升，并且在功能和性能上也有提高。

其中，對邏輯設(shè)計優(yōu)化、驗證以及對先進(jìn)控制策略的仿真研究，可以提高核電站的經(jīng)濟(jì)性和安全性。此舉有效提升了仿真模型的應(yīng)用價值，為模擬機(jī)的仿真應(yīng)用提出了新的解決方案。在未來的核電建設(shè)中，不斷改進(jìn)完善中的翻譯仿真技術(shù)，將進(jìn)一步縮短模擬機(jī)開發(fā)周期和設(shè)計圖紙驗證周期，減少人因失誤，節(jié)省人力成本，對各類模擬機(jī)產(chǎn)品開發(fā)和推動仿真行業(yè)發(fā)展有著積極的意義[4]。

6 結(jié)束語

與國內(nèi)外同行同類技術(shù)比較，本研究對翻譯后的汽輪機(jī)控制邏輯圖外觀和模塊功能響應(yīng)方面都有著明顯的改進(jìn)提升。目前，已在核電站機(jī)組得到廣泛的應(yīng)用。