壓水堆核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)典型PID控制設(shè)計

中國核電工程有限公司電氣儀控所 顧燕春，廖圣勇，王蘭蘭

DCS自問世以來，其可靠性、適用性不斷提高，功能也日益增強(qiáng)，已廣泛應(yīng)用于電力、石化，冶金等行業(yè)，但核電站中DCS系統(tǒng)的應(yīng)用歷史并不太長。PID控制器具有原理簡單，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。本文以海南昌江核電站1、2號機(jī)組采用的INVENSYS公司IA DCS系統(tǒng)為背景，對核電站中典型的單回路PID控制和串級PID控制的控制原理和數(shù)字化實現(xiàn)進(jìn)行闡述；針對實現(xiàn)過程中的手/自動切換擾動和PID控制器的正反作用問題給出了解決方案。對PID控制器在核電站中的應(yīng)用推廣有重要意義。

1 PID控制原理

PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)，它根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例積分微分控制計算出控制量進(jìn)行控制，目前核電站中常用的有P、PI，PID控制。其典型控制框圖如下圖，從圖1上看是一種典型負(fù)反饋控制，其根據(jù)給定值與實際輸出值之間的偏差，輸出控制量調(diào)節(jié)被控對象，直到實際輸出值等于給定值或偏差達(dá)到允許范圍之內(nèi)。

圖1 典型PID控制器控制框圖

PID控制器的傳遞函數(shù)為：

核電站中除了上述單回路的PID控制，還有少部分的串級控制系統(tǒng)，其典型控制框圖如下圖2。串級控制系統(tǒng)的引入主要針對復(fù)雜的控制對象，在核電站中用于控制穩(wěn)壓器水位，其容量滯后大，干擾變化劇烈，頻繁，控制要求高。

圖2 串級PID控制器控制框圖

從圖中看，該控制系統(tǒng)為包括兩級控制結(jié)構(gòu)，副調(diào)節(jié)器位于內(nèi)環(huán)，起到粗調(diào)的作用；主調(diào)節(jié)器位于外環(huán)，起到精調(diào)的作用。主調(diào)節(jié)器的設(shè)定值由外部給定，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值。經(jīng)過兩級調(diào)節(jié)，可以提高復(fù)雜被控對象的控制精度。

2 單回路PID控制在核電站中的應(yīng)用

2.1 核電站典型的單回路PID控制要求

核電站典型的單回路PID控制，如圖3，是海南昌江核電廠1、2號機(jī)組容積控制箱（RCV002BA）液位的單回路PID調(diào)節(jié)，其目的是控制RCV002BA的液位在一個穩(wěn)定的值，以維持反應(yīng)堆一回路的水裝量。容積控制箱的液位通過RCV011MN監(jiān)測，當(dāng)在容積控制箱水位高于給定值時，通過氣動三通閥（RCV 030 VP）調(diào)節(jié)，將流入容控箱的流量減小，同時排往硼回收系統(tǒng)（TEP）的流量加大；當(dāng)液位低于給定值時， 調(diào)節(jié)RCV 030 VP，將流入容控箱的流量增大。

圖3 容控箱液位控制模擬圖

圖中，RG401為P調(diào)節(jié)，其控制原理框圖如下圖

圖4 容積控制箱控制簡化框圖

2.2 DCS平臺數(shù)字化實現(xiàn)

海南昌江核電站的容控箱液位控制在INVENSYS公司的IA平臺上實現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 容控箱液位控制功能圖

其中，I/D是電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的輸入卡件；AINR（AOUTR）是冗余設(shè)置的模擬信號輸入（輸出）模塊；AIN（AOUT）是IA平臺軟硬件的輸入（輸出）接口模塊；401RG為IA平臺軟件的典型的PID調(diào)節(jié)模塊；<表示401RG輸出的上限；>表示401RG輸出的下限；T是手自動切換的執(zhí)行模塊，自動模式下，選擇INP1作為401RG的輸出，手動時選擇INP2作為輸出；BCALC1/2是跟蹤手動模式下的控制值，實現(xiàn)無擾動切換；401RC為手自動操作站。

RCV011MN I/D采集卡采集到IA系統(tǒng)，再通過網(wǎng)絡(luò)送到計算機(jī)監(jiān)控畫面（KIC）上實時顯示，通過AINR模塊獲取采集卡的信息并檢測信號有效性，送到PID調(diào)節(jié)模塊（401RG）的測量端，與KIC上送來的給定值比較后進(jìn)行比例運(yùn)算，在自動控制模式下，通過AOUTR模塊輸出給RCV030 VP調(diào)節(jié)容控箱液位。若AINR和AOUTR模塊檢測到信號無效，則主控室的手自動操作站（401RC）報警，提醒操作員處理。

3 串級PID控制在核電站中的應(yīng)用

串級控制相比單回路控制多了一個副回路，其抗干擾能力等都優(yōu)于單回路控制，但是串級控制所需的儀表多，系統(tǒng)復(fù)雜，一般情況下，單回路控制能解決的問題，一般不采用串級控制，因此，核電站中的串級控制的使用也非常有限，下面以核電站復(fù)雜的串級PID控制（穩(wěn)壓器水位的串級控制）為例闡述核電站中串級控制的實現(xiàn)。

3.1 核電站復(fù)雜串級PID控制介紹

如圖6是穩(wěn)壓器水位的串級控制模擬圖。

圖6 穩(wěn)壓器液位控制模擬圖

該串級控制包含：

（1）主調(diào)節(jié)器——穩(wěn)壓器水位調(diào)節(jié)器（RCP403RG）

穩(wěn)壓器水位的整定值為反應(yīng)堆冷卻劑溫度的函數(shù)，由冷卻劑的平均溫度和參考溫度（由汽機(jī)壓力得到）計算而來。測量值由RCP007、008和011MN三個穩(wěn)壓器水位變送器測量值，數(shù)據(jù)經(jīng)過VT403處理后得到的有效平均值。整定值與測量值比較后取偏差作為RCP403RG的輸入。RCP403RG為PI型控制器，積分環(huán)節(jié)的作用是消除穩(wěn)態(tài)工況下實際水位與整定值間的穩(wěn)態(tài)誤差。

RCP403RG的輸出信號通過ZO433加上容控箱的下泄流量，得到上充流量的整定值，作為副調(diào)節(jié)器的輸入。該信號有兩個可調(diào)的限值，由函數(shù)發(fā)生器GD413實現(xiàn)：

最小流量限值，以保證再生熱交換器內(nèi)冷卻下泄流的最小上充流量，為的是防止下泄孔板下游出現(xiàn)冷卻劑汽化現(xiàn)象；

最大流量限值，保證運(yùn)行中的上充泵的出口壓力足以能維持反應(yīng)堆冷卻劑泵軸密封流量在一個可接受的范圍內(nèi)。

（2）副調(diào)節(jié)器——上充流量調(diào)節(jié)器（RCV404RG）

主調(diào)節(jié)器輸出給定的上充流量，由帶1s滯后的PI控制器RCV404RG調(diào)節(jié)上充流量調(diào)節(jié)閥RCV046VP，達(dá)到調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器水位的目的。其控制原理框圖如圖7。

圖7 穩(wěn)壓器液位控制簡化框圖

3.2 DCS平臺數(shù)字化實現(xiàn)

穩(wěn)壓器的液位控制也是在INVENSYS公司開發(fā)的IA平臺上實現(xiàn)，如圖8。

圖8 穩(wěn)壓器液位控制功能圖

RCP007/008/009MN水位測量信號采集到IA系統(tǒng)，通過軟件中的開發(fā)的選擇模塊AVERGE VOTER實現(xiàn)三個值的平均，送水位主調(diào)節(jié)回路作為測量值，整定值通過一回路溫度通過固定的函數(shù)曲線生成，兩者的偏差經(jīng)過PI運(yùn)算送到副調(diào)節(jié)回路，最終控制穩(wěn)壓器水位。

4 無擾切換實現(xiàn)和正反作用設(shè)定

4.1 無擾切換實現(xiàn)

這里介紹的無擾切換主要是手自動的無擾切換，包括手自動切換中最終的輸出信號無擾動以及KIC上設(shè)定值的無擾動切換。

4.1.1 手自動切換時輸出無擾

以上圖5 RCV401RG為例，自動模式下控制器輸出值為INP1，手動模式下輸出值為INP2。當(dāng)自動模式切換到手動模式時，如果INP1和INP2不等，會造成PID控制器的輸出跳變，導(dǎo)致執(zhí)行器出現(xiàn)擾動現(xiàn)象。

針對上述問題，在功能圖中增加CALCA模塊，如圖9所示。RI01（調(diào)節(jié)器輸出）和RI02（手動模式輸入值）都送到該模塊。自動模式下，RO01（CALCA模塊的輸出）先跟蹤并記憶RI01的值，而RI01的值為控制器的自動輸出INP1，當(dāng)切換到手動模式時，INP2的值為RO01，等于INP1，所以切換是無擾動。而手動模式下，INP2的值送到AOUTR后經(jīng)過BCAL2和BCAL1反饋到401RG調(diào)節(jié)器，使INP1等于INP2，也實現(xiàn)了無擾動切換。

圖9 自動模式到手動模式無擾切換的功能圖

4.1.2 手自動切換時外設(shè)定值無擾動切換

以上圖5 RCV401RG為例。自動模式下，系統(tǒng)通過PID調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，給定值和測量值之間的偏差基本為0，所以自動切手動時，基本是無擾動的。而手動模式下，RCV401RG功能被屏蔽，外設(shè)定值無法修改保持不變，切換到自動模式時，如果手動調(diào)節(jié)后測量值變化較大，兩者之間的偏差將很大，導(dǎo)致擾動，同時，調(diào)節(jié)器RCV404RG將向原設(shè)定值調(diào)節(jié)，操作員輸入目標(biāo)值后向目標(biāo)值調(diào)節(jié)的現(xiàn)象，導(dǎo)致控制量的跳變擾動。

解決方法是在整定值輸入前增加CALCA模塊，如圖10所示。CALCA模塊檢測到手動模式時，外設(shè)定值RO01跟蹤測量值RI02，在手動控制狀態(tài)下，設(shè)定值跟蹤測量值，即此時的測量值RI02可認(rèn)為就是外設(shè)定值，把該值作為此時的外設(shè)定值，切換到自動模式時不會出現(xiàn)擾動現(xiàn)象。

4.2 PID控制正反作用設(shè)置

對于反饋系統(tǒng)來說，只有負(fù)反饋才是穩(wěn)定的。負(fù)反饋的判斷依據(jù)是系統(tǒng)開環(huán)方法倍數(shù)為負(fù)，即系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)的乘積為負(fù)。所以在控制系統(tǒng)投運(yùn)之前，必須根據(jù)調(diào)節(jié)閥、被控對象和變送器放大倍數(shù)的正負(fù)，設(shè)定PID控制的正反作用，確保系統(tǒng)為負(fù)反饋系統(tǒng)。正作用是指調(diào)節(jié)器的輸出隨被調(diào)量的增大而增大，調(diào)節(jié)器的增益為“+”，反作用是指調(diào)節(jié)器的輸出隨被調(diào)量的增大而減小，增益為“-”[1]。

參考圖4中容控箱液位控制系統(tǒng)，包含P控制器、三通換向閥、容控箱和液位變送器四個環(huán)節(jié)，其中

（1）氣動三通換向閥（RCV 030 VP）在失氣狀態(tài)下，完全切換到RCV002BA側(cè)；供氣狀態(tài)下，根據(jù)容控箱液位高低在RCV和TEP之間切換；所以對容控箱來說，等同于氣閉式閥門，為負(fù)作用；

（2）對于被控對象容控箱，輸入信號為RCV 030 VP去容控箱側(cè)的開度，輸出信號為容控箱液位。當(dāng)開度變大時，容控箱的液位升高，所以容控箱為正作用；

（3）液位變送器（RCV011MN）的輸出信號隨著液位的上升而增大，所以為正作用；

（4）根據(jù)上述3條，可以判斷P控制器RCV401RG為正作用。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合海南昌江核電站的工程實踐，對單回路PID控制器和串級PID控制器的控制原理和功能實現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，闡述了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。隨著我國核電事業(yè)的發(fā)展，PID控制器必將在三代核電的開發(fā)研究中得到廣泛的應(yīng)用。本文對提高核電領(lǐng)域的自動控制水平具有一定的推動作用。

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