基于GSE平臺的阻塞計算法動態控制仿真

馬 爽，萬繼華

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

阻塞計的功能是在線監測回路鈉中可溶性雜質的總含量[1]。阻塞計是由過濾器、總流量計、恒壓溢流器、阻塞孔流量計、阻塞計本體、風機及其電氣控制系統等組成。鈉流從進鈉口進入后，先流經過濾器和總流量計在三通處分成兩條支路，一路流經阻塞計流量計到阻塞計本體；另一路流經恒壓溢流器。兩條支路在匯合后經出口流出阻塞計。阻塞計通過測量阻塞孔阻塞時的鈉流溫度來確定鈉流中的雜質含量。通過風機對阻塞區按一定速率降溫，氧化物降至一定溫度后將析出堵塞阻塞孔，阻塞計本體支路上的流量將減少，這種流量的變化可以通過阻塞孔流量計測得。此時通過熱電偶測得的阻塞區的溫度即為阻塞溫度。圖1 為阻塞計的原理圖[2]。阻塞計一般分為自動測量和手動測量[3]。本文研究目的就是通過建立一套阻塞計的工藝系統仿真模型，在此基礎上驗證阻塞計的控制算法。

圖1 阻塞計原理圖及建模范圍圖Fig.1 Schematic diagram and modeling scope diagram of a blocking meter

GSE 是一個可視化的圖形化自動建模軟件，主要的應用對象為大型的自動化建模、動態數據監控以及連續過程仿真系統[4]。GSE 仿真系統是由SimExec（仿真支撐體系）、JStation（教練員站）、JTopmeret（兩相流系統）、JControl（控制系統）等10 余個子系統有機結合而成[4]。GSE 是一款可以提供實時的、高精度的仿真的軟件，被廣泛應用于核電、火電等過程領域，JTopmeret 用于建立流體網絡的熱工水利模型[5]。本文使用JTopmeret 兩相流系統建模工具建立了阻塞計的工藝系統模型，使用JControl 對控制系統建模。

1 工藝模型的建立

1.1 工藝參數的確定

阻塞計工作介質為鈉，阻塞計正常運行時，入口鈉最高溫度為400℃，入口最大壓力為0.9MPa；冷卻介質為空氣；阻塞孔最低工作溫度為110℃；空氣入口溫度小于40℃；阻塞溫度測量范圍：110℃～270℃。表1 為風機參數，表2 為空氣物性參數。

表1 風機參數表Table 1 Fan parameters table

表2 空氣物性參數表Table 2 Air property parameters table

1.2 阻塞計控制目標

在阻塞溫度測量過程中，當阻塞孔溫度低至105℃時，停止冷卻；同時，對阻塞孔處加熱，并關閉風機，以免阻塞孔處的鈉發生凝固。

阻塞計系統的溫度、流量和鈉漏信號等在上位機屏幕上有顯示，阻塞孔的溫度和通過阻塞孔的鈉流量隨時間的變化曲線進行連續顯示。在測量結束后自動顯示阻塞溫度，并可在必要時對測量曲線進行貯存和打印。

在計算機屏幕上可顯示設定的起始低風冷溫度T（該值為預計阻塞溫度+30℃）與阻塞孔溫度TC 之間的差值，并且顯示向氣動控制空氣調節閥提供的電流信號（即空氣調節閥的開度指示）。

在JTopmeret 中構建的阻塞計模型如圖2 所示。

圖2 阻塞計模型設計圖Fig.2 Design diagram of blockage meter model

2 控制方案設計

阻塞計的控制可分為幾個模塊：阻塞溫度檢測模塊；風門自動調節模塊；風門聯鎖控制模塊；風機聯鎖控制模塊；加熱絲聯鎖控制模塊。

2.1 阻塞溫度檢測模塊

阻塞溫度檢測模塊主要作用在于檢測雜質開始析出的溫度點。阻塞溫度檢測模塊采集阻塞孔處的鈉溫信號T 和流量信號F，并將一定周期內采集到的溫度信號值和流量信號值存放于兩個二維數組T(i)和F(i)中，求出采集到的流量信號變化量k(n)=F(n)-F(n-1)。當變化量持續小于某個設定值時，認為雜質已經開始析出，找到在最初變化量k(n)小于設定值那個時刻的溫度信號T(n)，同時給出阻塞溫度已檢測的信號，用于其他邏輯運算。

假設現場儀表已經經過濾波處理，DCS 采集信號不會出現突變的高頻信號，同時采用合理采樣周期的信號值作為變化量計算的輸入值，避免現場流量信號波動導致溫度點計算錯誤的情況發生。

擬采用20s 作為一個采樣周期，t 表示仿真運行時間，Fc 和Tc 分別表示當前時刻模型計算得到的阻塞計流量值和溫度值，T 表示最終測定的阻塞溫度，Flag 表示已檢測到阻塞溫度。

2.2 風門自動調節模塊

風門自動調節模塊主要用于調節阻塞計內鈉溫，采用單回路PID 調節，被控量為鈉溫變化量，輸出為風門開度。通過調節風門開度，使鈉溫的變化速率控制在設定值范圍內。

2.3 風門聯鎖控制模塊

風門聯鎖控制模塊用于控制風門聯鎖關閉，聯鎖啟用后，當流量低于報警低限值，溫度低于報警低限值或者阻塞溫度已檢測信號產生時，自動關閉風門，防止阻塞計管內鈉流量進一步減小。

2.4 加熱絲聯鎖控制模塊

加熱絲聯鎖控制模塊用于控制電加熱絲聯鎖啟動，聯鎖啟用后，當阻塞溫度已檢測信號產生，阻塞計內鈉流量低于低低報警限值，或者鈉溫低于低限報警值時，自動啟動電加熱絲。

3 控制邏輯設計

3.1 邏輯設計

通過對上述系統功能塊以及自定義功能塊的搭建可以構建出完整的阻塞計控制方案，該控制方案主要包括如下幾部分：①為檢測阻塞溫度必須控制風門開度使得鈉溫按照一定的速率勻速下降；②阻塞閥門控制以模擬雜質析出和解阻過程；③阻塞溫度的檢測；④溫度、流量低報的聯鎖控制；⑤溫度、流量低低報的聯鎖控制；⑥為實現上位機設備狀態顯示、脈沖信號轉換、閥門控制等功能的附加控制。

阻塞計空氣調節閥模塊根據降溫速率計算出鈉溫的目標值，該目標值作為PID 模塊的設定值，PID 模塊根據接收到的鈉溫值和目標值自動計算出閥門開度值。

阻塞計閥門模塊用于仿真阻塞孔處因雜質析出而導致的阻塞，及隨著鈉溫升高的解阻過程。選擇不同的阻塞曲線所對應的阻塞溫度相應變化，并且阻塞過程的快慢可以通過關速率來調節。

阻塞溫度檢測模塊的功能在于按照設定的周期不斷對鈉溫和按流量進行采集，若流量偏差持續滿足設定要求，則輸出阻塞穩定并觸發檢出信號。該信號輸入重置模塊決定阻塞閥門的開關，以及是否觸發下一次測量信號。

阻塞計風機、風門聯鎖控制要求構建的聯鎖控制邏輯圖，當流量或溫度低于低報值或者已檢測出阻塞溫度則關閉風機或風門，見圖3。

圖3 阻塞計控制邏輯圖Fig.3 Block meter control logic diagram

在阻塞計溫度低于高報的情況下，一旦檢測到流量或溫度低于低低報值，則立刻啟動電加熱，防止阻塞計繼續降溫，導致進一步阻塞。

3.2 功能塊設計

本文的控制方案實現平臺為JControl。JControl 是GSE仿真系統中用于控制系統建模的工具，其基于圖形化界面并包含一些基本的控制功能塊（如邏輯與、或、非門，加、減、乘、除、平均值，模擬量的PI、PID 控制器等），這類屬于軟件自帶的系統功能塊。JControl 還支持用戶使用標準的FORTRAN 程序代碼開發自定義控制功能塊，此類功能塊保存于自定義模型庫UserGMODULE_0 中。

在模型庫UserGMODULE_0 中的均為自定義功能塊，自定義功能塊的命名規則為前綴_功能，如阻塞溫度檢測模塊為sup_zsjtemp。

風機模塊——sup_fan：當該功能塊接收到風機的關閉信號時，風機關閉，否則風機處于90%工作點。

開關閥——sup_swi：該功能塊用于接收來自控制邏輯的信號，對信號進行相應處理，并傳給Topmeret 模型，該開關閥功能塊還擁有聯鎖、超時及設備狀態反饋等功能。手動開信號和關信號均為脈沖信號，Signal container（開關信號存儲器）用于存儲開關信號。當Signal container 為ON時，為開信號；當Signal container 為OFF 時，為關信號。

PID 控制器——sup_pid：用于搭建單回路控制，單回路又稱簡單控制系統，是指由一個被控對象、一個檢測變送器、一個控制器和一個執行器所組成的一個閉合回路反饋控制系統。常用于被控對象滯后時間較小，負荷和干擾變化不大，控制質量要求不很高的場合。

運行步長（Timer step per iteration），單步運行時長，一般同一個控制方案中運行步長為定值，因此為了方便操作，在本方案中將所有運行步長的變量名命名為inv_cps。

風門——sup_zsjairvlv：該功能塊用于接收來自控制邏輯的信號，對信號進行相應處理后傳給JTopmeret 模型。當測量信號為False，表明當前阻塞計未啟動測量或處于升溫狀態，此時不需要控制阻塞孔處的鈉溫，所以輸出值自動跟蹤輸入的鈉溫；當測量信號為True，表明當前時刻正在檢測阻塞溫度，此時程序自動按照設定的降溫速率計算出阻塞孔處鈉溫的目標值。如果鈉溫小于設定的減速溫度，則表明已接近阻塞溫度，程序繼續以更慢的降溫速率計算阻塞孔處鈉溫的目標值。該處計算得到的鈉溫目標值作為風門開度PID 調節的設定值，PID 模塊根據當前阻塞孔處的鈉溫與設定值的偏差計算出風門開度。

阻塞閥門——sup_zsjvlv：由于在JTopmeret 中不能仿真不同鈉雜質情況下鈉的凝固點，此處使用一個閥門模擬鈉中雜質的析出過程。

阻塞孔處雜質的阻塞和解阻的觸發信號分別對應此處閥門的開/關信號，阻塞速率和解阻速率分別對應閥門的開速率和關速率，雜質含量選擇可以實現不同的阻塞溫度，鈉溫為阻塞孔處鈉的溫度。

當選擇一個雜質含量后，即在程序中設定一個相應的阻塞溫度（比如1 對應阻塞溫度為150℃），如果檢測到鈉溫小于該阻塞溫度則觸發一個閥門關閉信號，此時閥門根據設定的關速率不斷減小管路中的流通截面積，用于模仿阻塞孔處雜質的析出過程，反正當檢測出阻塞溫度后升溫時，則會根據開速率（解阻速率）逐漸將該閥門開至全開狀態。

阻塞溫度檢測——sup_zsjtemp：該模塊根據當前的鈉溫、鈉流量以及設定的采樣周期和流量偏差值自動檢測阻塞溫度。當測量信號為True 時，當前模塊被激活，該模塊根據設定的檢測周期開始對鈉溫和鈉流量數據進行采集并存儲。當連續5 次流量偏差值滿足所設的流量偏差時，程序即判定檢測出阻塞溫度，檢出信號為True，輸出的阻塞溫度為當前時刻5 個采樣周期前的鈉溫值。

阻塞計信號復位——sup_zsjreset：該模塊根據當前的鈉溫以及是否檢出阻塞溫度來判斷是否需要進入下一次測量，是否應該讓阻塞閥門處于解阻狀態。當該模塊收到的檢出信號為True 時，進入解阻狀態，所以自動將輸出的測量信號設為OFF，關信號重置至OFF 狀態，開信號重置至ON 狀態。當阻塞孔處鈉溫回升至400℃并保持滿5min 后，程序將測量指令重置至ON 狀態，自動進入下一次檢測。

脈沖至持續信號轉化——sup_PTC：該模塊接收一個脈沖信號并將檢測到的脈沖信號轉化為一個持續信號。當該模塊接收到0 到1 的跳變時，輸出True 的持續信號；當接收到1 到0 的跳變時，輸出False 的持續信號。

風門/風機狀態——sup_vlvsta：該模塊接收一個模擬量信號，根據該信號輸出一個代表風門/風機狀態的模擬量信號。當風門或風機開度為0.0 時，輸出3.0（全關狀態）；當開度為1.0 時，輸出為1.0（全開狀態）；當開度介于0.0 ～1.0 之間時，輸出2.0（中間狀態）。

手/自動切換——sup_AM：該模塊接收一個脈沖的開關量信號并輸出兩個持續的開關量信號，當接收一個0 到1 的跳變時，auto 輸出True，man 輸出False；當接收一個1 到0 的跳變時，auto 輸出False，man 輸出True。

風機輸出選擇——sup_fanout：當該模塊接收到自動信號，則將風機（sup_fan）的信號輸出；當接收到手動信號時，將輸入的手動開度值輸出。

邏輯量選擇——sup_zsjselB：該模塊根據接收到的sel 信號對兩個開關量進行選擇。當sel 為True 時，輸出Bin2；反之，輸出Bin1。

4 結論

依據阻塞計原理圖繪制的阻塞計控制畫面如圖4 所示，在啟動條件中設置阻塞計的阻塞速率、解凍速率、采樣周期、雜質濃度等。仿真模型啟動后的數據歷史趨勢曲線如圖5 所示。由圖5 看出，當阻塞孔流量急劇下降時，對應的阻塞孔溫度即為阻塞溫度。

圖4 阻塞計仿真畫面Fig.4 Blockage meter simulation screen

圖5 阻塞計仿真結果Fig.5 Blockage meter simulation results

本文首先通過JTopmeret 建立阻塞計工藝系統模型，再通過JControl 建立阻塞計控制模型，在控制模型上進行PID控制程序的驗證。驗證結果表明，設計的阻塞計控制程序能夠滿足控制要求，即阻塞溫度能實現穩定控制。即使出現一定的擾動，控制算法也能自適應調節，最終達到穩定。

由于本項目是對仿真模型進行控制，其溫度穩定后的偏差特別小，穩定后的溫度偏差在1℃以內。實際運行中，阻塞溫度偏差可能大于仿真偏差。因此，在工程應用中，現場控制的PID 參數需要在實際調試過程中，在仿真得出的PID 參數的基礎上進行微調，以滿足工程現場的實際控制要求。本文所得到的控制程序和PID 參數值都可用于工程設計中。