基于LabVIEW和Simulink的蒸汽發生器水位控制分布式仿真

郝祖龍， 朱卉平

(華北電力大學 非能動核能安全技術北京市重點實驗室，北京 102206)

基于LabVIEW和Simulink的蒸汽發生器水位控制分布式仿真

郝祖龍， 朱卉平

(華北電力大學 非能動核能安全技術北京市重點實驗室，北京 102206)

蒸汽發生器作為壓水堆的核心部件，研究不同工況下它的水位動態特性對核電站的安全評估和水位控制系統設計具有重要意義。提出了一種基于LabVIEW和Simulink的蒸汽發生器水位控制仿真方法。用Matlab/Simulink搭建蒸汽發生器水位控制系統仿真模型，用LabVIEW開發具有交互功能的水位控制人機界面，仿真模型與人機界面之間采用基于OPC中間件實現客戶機服務器模式的連接。仿真結果表明，本方法在保證計算精度的同時還具有人機交互性好、可擴展性強等特點，也可應用于核反應堆其他控制系統的分布式仿真。

核電站； 蒸汽發生器； 水位控制； 分布式仿真

0 引 言

目前我國核電發展仍以壓水堆堆型為主，立式U型管蒸汽發生器(SG)是壓水堆中通常采用的中間換熱設備，通過它將一回路的熱量傳給二次側，并通過傳熱使二回路工質變成飽和蒸汽，再經汽水分離器后進入汽輪機機組做功發電[1]。作為壓水堆核電站一、二回路的連接樞紐，蒸汽發生器的好壞將直接影響整個核電站的安全性。由于蒸汽發生器水位反映了一回路與二回路的熱量交換能力，水位過高或過低均會對反應堆運行帶來不利影響，因此蒸汽發生器水位控制系統是壓水堆核電廠控制系統設計中的重要內容。

核反應堆運行過程中，蒸汽發生器水位容易受到功率負荷、蒸汽流量、給水流量及溫度等多種因素影響，并伴隨有“膨脹”“收縮”等逆動力學特性，常規的控制方法雖能滿足工程需求，但在大負荷波動瞬態以及低負荷工況下，水位控制的穩定性及精度還有提升空間。針對上述問題，國內外學者進行了大量數值仿真研究，采用不同控制方法和策略用于SG水位控制，與傳統控制方法相比，仿真效果顯著[2-10]。但從仿真手段看，大多側重于精確模型開發或先進算法研究，較少考慮人機交互問題，導致仿真過程中操作人員與計算機之間交互性差，且無法開展實時分布式仿真。

在前人研究基礎上，本文提出一種基于LabVIEW和Simulink的壓水堆蒸汽發生器水位控制分布式仿真方法。基本思想是：首先利用Matlab/Simulink搭建蒸汽發生器水位控制系統仿真模型，然后利用LabVIEW開發具有人機交互功能的水位控制仿真界面，模型與人機界面之間采用OPC中間件實現客戶機服務器模式的連接。該方法通過將圖形化仿真和OPC技術應用于SG水位控制仿真，從而滿足人機交互和分布式仿真需求，具有原理清晰、易實現、顯示直觀等特點。

1 蒸汽發生器模型

綜合考慮模型復雜性與實用性，采用Irving[11]等人提出的蒸汽發生器數學模型。盡管這是一個簡化模型，但它可較好地描述SG的動態特性，已廣泛用于SG的水位控制研究。該模型的傳遞函數為：

(1)

式中：y為蒸汽發生器水位(%)；qfw為給水流量(kg/s)；qst為出口蒸汽流量(kg/s)。該模型為線性時變模型，模型參數G1，G2，G3，τ，τ2，T隨隨負荷變化的對應關系見表1。

表1 蒸汽發生器水位模型參數

從表1可以看出，當功率水平全范圍變化時，G2、τ2、T等模型參數隨負荷有10～20倍的變化水平。而且，水位會在負荷變化瞬時產生“收縮與膨脹”現象，造成“虛假水位”，在式(1)表現為非最小相位。上述兩個因素導致水位控制系統設計難度較大。

2 仿真原理

2.1 基于OPC的分布式仿真

為實現在不同運行平臺或操作系統下多種仿真/計算軟件的數據實時傳輸、共享及交互訪問，需要采用某種技術手段對這些資源進行有效整合、互聯。分布式仿真采用系統一致的接口規范、標準和協議，通過局域網或廣域網，將分布在各地、各類的仿真系統互聯，構成一個時空一致，實現動態交互仿真的分布式虛擬環境[12]。它可實現不同來源、不同功能、甚至不同計算節點的組件與軟件工具運行在不同的子系統中，單獨進行建模仿真分析，分析計算結果通過廣域網或局域網與其他子系統進行通信[13]。

通過比較現有過程仿真技術的規范和架構特點，本文選擇基于OPC(OLE for Process Control)中間件的仿真技術。OPC中間件是一種獨立的系統軟件或服務程序，分布式應用軟件借助這種軟件在不同的技術之間共享資源，是基礎軟件的一大類。它處在操作系統、網絡和數據庫之上，應用軟件的下層，能夠幫助用戶靈活、高效地開發和集成復雜的應用軟件[14]。

Simulink是Matlab中重要的組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。而Matlab中自帶的OPC Toolbox可看成是對Simulink動態系統仿真環境的擴展。它負責提供服務器(Server)和客戶端(Client)互訪的通用機制，應用于OPC客戶端數據訪問。通過OPC Toolbox可以連接任何一個OPC數據訪問服務器，方便地對連接的OPC服務器的數據進行讀/寫操作[15]。

LabVIEW是當前業界領先的工業標準軟件工具，用于開發測試、測量和控制系統。它是專為工程師和科學家而設計的直觀的圖形化編程語言。它將開發軟件和各種不同的測量儀器硬件及計算機集成在一起，建立虛擬儀器系統，以形成用戶自定義的解決方案。LabVIEW附加的DSC(Datalogging and Supervisory Control) 模塊可完成數據監控與記錄功能，既可方便地與OPC Server通信，也能自己創建OPC Server，是實現系統連接的重要模塊[16]。

需要指出的是，在基于OPC中間件的連接方法中，Simulink與LabVIEW這2個仿真軟件地位對等，不存在主從關系，具有高度開放性和可擴展性，能將其中任何一部分用實際儀控硬件或虛擬儀控軟件代替，形成硬件在環仿真，對開發半實物仿真系統具有較大優勢。

2.2 總體結構

圖1為基于LabVIEW與Simulink的蒸汽發生器水位控制分布式仿真示意圖。該系統利用DSC模塊創建OPC Server，利用OPC Toolbox生成OPC Client。服務器與客戶端之間既可以直接互連交換數據，也可

圖1 SG分布式仿真系統結構示意圖

通過局域網連接來實現數據的傳遞與接收，這樣就能實現蒸汽發生器Simulink模型與LabVIEW人機界面之間數據通信，并滿足實時性和人機交互要求。

圖2所示為采用OPC技術的蒸汽發生器水位控制Simulink仿真模型。其中，SG水位控制采用常規的PID串級控制方案，外環為水位調節回路，內環為給水調節回路。

為實現分布式仿真，在原水位控制Simulink模型基礎上增加了幾個OPC模塊。其中，OPC configuration模塊用于配置OPC Client，這樣可以使模型按照偽實時控制選項方式運行，同時對OPC錯誤和事件做出反應，需注意每個模型中該模塊的數目不能超過一個。OPC Read模塊以規定的采樣頻率讀取OPC Server中的數據，輸出量為讀取的數值(V)、數據質量(Q)和時間向量(T)。OPC Write模塊用于向OPC Server的item項寫入數據。

圖2 采用OPC技術的SG水位控制Simulink仿真模型

3 仿真過程及結果

為使蒸汽發生器水位變化過程具有良好交互性，采用LabVIEW的DSC模塊開發了一個簡化的蒸汽發生器運行回路人機界面，主要設備包括：蒸汽發生器，冷卻水箱，預熱器，水泵，閥門和連接管道，以及熱工參數測量傳感器等。具體仿真過程如下：

(1) 以100%功率水平為例，根據蒸汽發生器滿負荷工況下的傳遞函數模型，采用串級PID水位控制方案搭建SG水位控制Simulink仿真模型，并整定PID調節器參數。

(2) 利用LabVIEW DSC模塊生成OPC服務器。主要步驟包括：①新建項目庫并建立含有控制過程所需變量的VI；②創建periodic I/O Server并部署其變量；③創建并部署共享變量；④人機界面VI設計；⑤變量與人機界面VI相互綁定。

(3) 利用Matlab OPC Toolbox配置OPC 客戶端。與使用Simulink 其他庫中的模塊類似，通過調用Simulink工具下Toolbox模塊庫創建對象模型。在對OPC configuration模塊配置時，由于是單機仿真，故應將OPC Server所在的主機設為默認的“localhost”。將OPC Read和OPC Write模塊分別與對應環節連接，并依次設定好參數，從而建立與OPC Server進行數據通信的連接。

(4) 設置仿真時間、步長等基本參數，運行SG Simulink仿真模型。然后打開SG人機界面VI，設定PID調節器整定參數以及閥門開度等控制參數，最后通過運行人機界面VI啟動整個仿真系統。

下面通過實例分析來驗證本方法的有效性。以水位調節器P=0.68，I=65，D=0，給水調節器參數Pf=0.82，仿真時間設為300 s。

仿真結束后，在人機界面VI中顯示實際水位、設定水位、給水閥門開度、蒸發流量等多個參數曲線，如圖3所示。從圖中可以看出，蒸汽發生器實際水位可以較好跟蹤其設定值的變化。同時，仿真過程中還可以改變閥門開度等設定量，實現交互操作。

圖3 參數仿真結果變化曲線

4 結 語

應用OPC技術將Simulink和LabVIEW這兩個通用仿真軟件有機聯系在一起，并成功應用于壓水堆蒸汽發生器水位控制仿真。仿真結果表明，該方法在保證計算精度的同時，提高了仿真過程交互性，并可通過友好的圖形化界面增強結果的可讀性。此外，該仿真方案運行方式靈活，既能單機運行又可以多機分布式運行，擴展性強；并可與虛擬DPU連接，控制策略由虛擬DPU的相關軟件組態，降低了控制系統仿真的復雜度；能夠與支持OPC接口的實際儀控系統硬件互聯，構成硬件在環仿真，實現對儀控系統的測試。

[1] 臧希年. 核電廠系統及設備(2版)[M].北京：清華大學出版社, 2010.

[2] 余小權. 蒸汽發生器水位控制系統仿真研究[D]. 重慶：重慶大學, 2009.

[3] 湯建秋. 蒸汽發生器液位控制系統的研究與仿真[D]. 上海：上海交通大學, 2008.

[4] 段素珍, 張乃堯, 崔震華. 壓水堆蒸汽發生器水位模糊控制器的設計方法[J]. 清華大學學報(自然科學版), 2006, 46(9):1581-1584.

[5] 陳 紅, 曾 建, 王廣軍. 蒸汽發生器水位的自抗擾控制[J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(32):103-107.

[6] 陳 智, 張 英, 張 帆,等. 嶺澳核電站蒸汽發生器水位控制系統改進方案仿真研究[J]. 核動力工程, 2010, 31(4):66-70.

[7] 房方, 熊 瑛, 陳 凱,等. 核電蒸汽發生器水位的二自由度內?？刂芠J]. 動力工程學報, 2014, 34(6):463-468.

[8] 錢 虹, 葉建華, 錢 非,等. 蒸汽發生器水位全程控制系統數字化及仿真實現[J]. 核動力工程, 2010, 31(2):58-62.

[9] 程啟明, 汪明媚, 薛 陽,等. 核電站蒸汽發生器水位控制系統的仿真研究[J]. 計算機仿真, 2012, 29(2):188-193.

[10] 馮玉昌, 史冬琳, 張秀宇. 核電站蒸汽發生器水位模糊控制系統的設計與仿真[J]. 化工自動化及儀表, 2015, 42(10).

[11] Irving E, Miossec C, Tassart J. Towards Efficient Full Automatic Operation of the PWR Steam Generator with Water Level Adaptive Control[C]//London Proceedings of Conference on Boiler Dynamics and Control in Nuclear Power Stations, 1980, 309-329.

[12] Díaz M, Garrido D, Troya J M. Development of distributed real-time simulators based on CORBA[J]. Simulation Modelling Practice & Theory, 2007, 15(6):716-733.

[13] Liu M L. 顧鐵成，等譯. 分布式計算原理與應用[M]. 北京：清華大學出版社, 2004.

[14] 高叔開, 胡建宏, 李利平, 等. 中間件技術及在DCS仿真中的應用[J]. 華北電力大學學報，2001, 28(4): 105-108.

[15] 劉衛國. Matlab程序設計教程[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2010.

[16] 肖成勇. LabVIEW基礎教程[M]. 北京：中國鐵道出版社, 2010.

·名人名言·

大學的榮譽,不在它的校舍與人數;而在于它一代一代人的質量。

——柯南特

Distributed Simulation for Water Level Control of Steam Generation Using LabVIEW and Simulink

HAOZu-long，ZHUHui-ping

(Beijing Key Laboratory of Passive Safety Technology for Nuclear Energy, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

As the steam generator (SG) takes a key component of pressurized water reactor, it is important to study its dynamic characteristic in various operating conditions for the security evaluation and the control system design of nuclear power plant. Most of the related works focus on model developing or simulation method, while real-time interaction problem is not considered. A novel simulation method on water level control of SG is presented by using LabVIEW and Simulink. Firstly, a Matlab/Simulink model of SG water level control system is built. Secondly, the human-machine interface (HMI) of water level control is developed using LabVIEW. Thirdly, the Simulink model and the HMI are connected to realize clientserver mode based on OPC technique. Simulation results show the presented simulation method has advantages such as high accuracy, friendly interface and high extendibility, and it can be used for distributed simulation of other control systems of nuclear reactor.

nuclear power station; steam generator; water level control; distributed simulation

2016-03-31

中央高?；究蒲袠I務費專項資金(2016MS61)

郝祖龍(1980-)，男，河南焦作人，博士，講師，主要從事核反應堆控制、先進熱工測量技術等方面的研究。

Tel.:010-61773173；E-mail:haozulong@163.com

TP 391.9

A

1006-7167(2017)01-0084-04