核電廠模擬控制系統(tǒng)參數(shù)轉(zhuǎn)換仿真驗(yàn)證研究

張 強(qiáng)，許金泉，徐 穎，于 航

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

某核電廠模擬量控制系統(tǒng)采用4系列插件式組裝儀表控制平臺(tái)，已運(yùn)行多年。其基于模擬技術(shù)的主要儀控系統(tǒng)在設(shè)備故障、設(shè)備老化、備件供應(yīng)及維修成本等方面面臨越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，甚至影響到了核電廠的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1]。另外，基于模擬技術(shù)的儀控系統(tǒng)也限制了進(jìn)一步提高儀控系統(tǒng)性能和提升電廠自動(dòng)化水平[2-4]的空間。與模擬控制技術(shù)相比，數(shù)字化技術(shù)具有明顯的先進(jìn)性和優(yōu)勢，控制系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用將有利于改善核電廠的安全狀況及穩(wěn)定運(yùn)行水平[5]。

在執(zhí)行數(shù)字化分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)改造項(xiàng)目過程中，面臨著工期短、限制條件多、實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)大等諸多不利因素。模擬系統(tǒng)與DCS之間的控制參數(shù)轉(zhuǎn)換是數(shù)字化改造的重要環(huán)節(jié)。一旦調(diào)節(jié)控制參數(shù)不匹配，重新調(diào)整參數(shù)勢必占用大量的大修工期并投入額外的人力，帶來較大的經(jīng)濟(jì)影響?，F(xiàn)場大范圍調(diào)整控制參數(shù)會(huì)改變工藝系統(tǒng)狀態(tài)，不利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，無論從經(jīng)濟(jì)性還是安全性角度，都有必要對(duì)調(diào)節(jié)控制參數(shù)提前論證[6]。通過選取某核電廠工藝系統(tǒng)典型控制回路，以SpeedHold-N型數(shù)字化DCS平臺(tái)為例，分析模擬板件與DCS在運(yùn)算原理上的差異性，通過計(jì)算得出參數(shù)理論轉(zhuǎn)換關(guān)系。設(shè)計(jì)搭建一套仿真驗(yàn)證平臺(tái)，模擬現(xiàn)場實(shí)際工況驗(yàn)證轉(zhuǎn)換后的參數(shù)，確保模擬控制系統(tǒng)被DCS更新替代后，參數(shù)能夠適用于實(shí)際的現(xiàn)場工藝環(huán)境。通過典型控制回路參數(shù)的理論計(jì)算與仿真驗(yàn)證，達(dá)到了模擬板件解析、DCS組態(tài)驗(yàn)證、更新后系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定的目的，節(jié)約了機(jī)組大修實(shí)施改造時(shí)的現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間，降低了運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

1 參數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型

通過對(duì)模擬板件與系統(tǒng)SH-N系統(tǒng)的運(yùn)算過程解析，結(jié)合模擬板件的電氣特性與SH-N系統(tǒng)的工藝過程參數(shù)，采用百分比法統(tǒng)一量綱，建立2個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型。

1.1 模擬板件解析

在某核電廠4系列模擬控制平臺(tái)中，所有調(diào)節(jié)控制回路均由各種類型的模擬板件搭建而成。其中，比例積分(proportional integral,PI)控制器模擬板件型號(hào)為B5013。該板件面板上有3個(gè)設(shè)置旋鈕，分別設(shè)置比例帶(Pb)、積分作用時(shí)間參數(shù)(Ti)及被控量設(shè)定值(Sv)。Sv和測量值(mv)的輸入、輸出信號(hào)均為0～5 V。

模擬板件PID算法原理如圖1所示。

圖1 模擬板件PID算法原理框圖Fig.1 Principle block diagram of PID algorithm for analog plate

(1)

式中:e為偏差;u為輸出。

當(dāng)輸入一個(gè)10%(0.5 V)的固定偏差時(shí)，分別取0.1 V/s、0.2 V/s、0.5 V/s的固定輸出變化速率。

模擬板件參數(shù)電氣特性如圖2所示。

圖2 模擬板件參數(shù)電氣特性Fig.2 Electrical characteristics of analog plate parameters

1.2 SH-N系統(tǒng)控制器解析及選型

數(shù)字化DCS系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)功能由軟件實(shí)現(xiàn)。在SH-N平臺(tái)中，有2種比例積分微分(proportional integral differential,PID)控制組態(tài)算法模塊，分別為增量式(即PID)與位置式(PID_P)。無論是PID還是PID_P，其PI調(diào)節(jié)過程的離散化傳遞函數(shù)的表達(dá)式均為：

(2)

式中：Kp為比例系數(shù)；u(n)為DCS控制器第n次采樣時(shí)輸出，n為采樣序號(hào)，n=0，1,…,m、n取決于函數(shù)度；e(n)為第n次采樣時(shí)的偏差值[7]；T為采樣周期。

由式(2)可知，增量式PID算法輸出是一個(gè)累積量。該算法只與當(dāng)前采樣時(shí)刻的前一、兩個(gè)時(shí)刻有關(guān)，如步進(jìn)電機(jī)。根據(jù)1.1節(jié)模擬板件的解析結(jié)果，輸出值與偏差的累積值有關(guān)。PID_P算法中包含了偏差的累加值，因此，在SH-N系統(tǒng)中應(yīng)選用位置式的PID_P算法。

1.3 算法轉(zhuǎn)換關(guān)系及量綱轉(zhuǎn)換

根據(jù)式(1)及式(2)可得，Kp與Pb的倒數(shù)為正比關(guān)系。在比例作用相同時(shí)，積分作用等效于模擬板件；但在參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算過程中，積分作用是基于同輸入、輸出量程范圍的前提條件。對(duì)于模擬板件系統(tǒng)，偏差均為電氣量，所有的輸入/輸出范圍均為0～5 V，而在SH-N系統(tǒng)中，輸入、輸出均為實(shí)際的物理量，其量程取決于工藝系統(tǒng)過程。

設(shè)某一工藝過程被控量量程為(a，b)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出量程為(c，d)；被控量的實(shí)測值為x、設(shè)定值為y；PID_P輸出為z；比例系數(shù)為Kp。為統(tǒng)一模擬板件的電氣量綱與SH-N系統(tǒng)的物理量綱，采用百分比轉(zhuǎn)換法，將物理量綱轉(zhuǎn)換為各自量程對(duì)應(yīng)的百分比。設(shè)(x，y，z)對(duì)應(yīng)的百分比為(x1，y1，z1)，得：

z=Kp(x-y)

(3)

(4)

對(duì)于模擬板件系統(tǒng)，設(shè)被控量實(shí)測電壓為vx、定值電壓為vy、PI控制器輸出電壓為vz。由于量程均為0～5 V，可得：

(5)

(6)

根據(jù)式(3)、式(4)、式(6)，推導(dǎo)得：

(7)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出下限一般為0。令c=0，將式(7)代入式(5)，得出Kp與Pb經(jīng)過量綱轉(zhuǎn)換的最終關(guān)系式：

(8)

以常規(guī)島低壓加熱器疏水系統(tǒng)液位控制回路為例，在原模擬板件系統(tǒng)中液位的量程為0.22～0.58 m，執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出量程為0%～100%，Pb=70%。采用DCS改造后，積分系數(shù)不變。

將以上參數(shù)代入式(8)，改造后參數(shù)應(yīng)設(shè)置為Kp=100×100÷[70×(0.58-0.22)]=397。

2 仿真驗(yàn)證平臺(tái)構(gòu)建方法及驗(yàn)證對(duì)象

2.1 仿真平臺(tái)架構(gòu)

仿真模型服務(wù)器來源于某核電廠全范圍模擬機(jī)，包含現(xiàn)場工藝模型及全部控制邏輯，可將驗(yàn)證對(duì)象的控制邏輯從仿真模型中分離出來。

仿真驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 仿真驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of simulation verification system

分離出的PID控制邏輯由模擬板件系統(tǒng)和SH-N系統(tǒng)分別替代，通過可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)與仿真模型服務(wù)器、模擬板件系統(tǒng)/SH-N系統(tǒng)進(jìn)行接口。PLC中設(shè)置一個(gè)切換開關(guān)，分別連接模擬板件系統(tǒng)與SH-N系統(tǒng)。

當(dāng)開關(guān)位于模擬板件系統(tǒng)位置時(shí)，PI控制功能由模擬板件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，輸入/輸出通過PLC與仿真模型進(jìn)行交互，工藝設(shè)備如閥門、液位變送器由工藝仿真模型進(jìn)行模擬[8]。當(dāng)開關(guān)切換到DCS時(shí)，PI控制功能由DCS實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)同一工藝控制回路進(jìn)行模擬板件系統(tǒng)與SH-N系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，即可得到在同一擾動(dòng)量下的不同平臺(tái)間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，進(jìn)而達(dá)到參數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)置驗(yàn)證的目的。

2.2 基于典型控制回路的驗(yàn)證對(duì)象

選取典型調(diào)節(jié)控制回路-低壓加熱器疏水控制(ACO001RG)為驗(yàn)證對(duì)象。其控制原理為:水位變送器(ACO001MN)的水位實(shí)測值與水位設(shè)定值(0.4 m、50%)通過DCS進(jìn)行比較運(yùn)算產(chǎn)生4～20 mA的調(diào)節(jié)信號(hào)。在該信號(hào)的作用下，調(diào)節(jié)疏水出口閥(ACO107VL)和再循環(huán)閥(ACO108VL)的動(dòng)作[9]。

閥門調(diào)節(jié)特性如圖4所示。

圖4 閥門調(diào)節(jié)特性示意圖Fig.4 Valve regulation characteristics

該控制回路在低功率平臺(tái)ACO107VL開度較低，擾動(dòng)過程將存在ACO108VL的耦合情況。在高功率平臺(tái)，由于疏水量大，ACO107VL開度較高，在一定偏差下不會(huì)耦合ACO108VL的控制。因此，可通過該控制回路驗(yàn)證不同工況、閥門耦合情況下的響應(yīng)情況。

3 模擬仿真驗(yàn)證過程分析及結(jié)論

將仿真模型初始工況設(shè)定為75%的滿功率(full power,FP)運(yùn)行。仿真驗(yàn)證過程中，控制回路中閥門開度指令信號(hào)與閥門開度反饋信號(hào)使用同一信號(hào)，而在實(shí)際中指令和反饋會(huì)有一定的遲滯。但其對(duì)于模擬板件系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)的影響是相同的。

因此，在仿真試驗(yàn)中，為簡化試驗(yàn)過程，ACO107VLC/ACO108VLC既是閥門的開度指令，又是閥門的位置反饋。

初始狀態(tài)參數(shù)如表1所示。

表1 初始狀態(tài)參數(shù)

3.1 模擬板件平臺(tái)仿真驗(yàn)證

將模擬仿真裝置開關(guān)切換至“模擬系統(tǒng)”位置，在B5013板件上設(shè)置Sv=50%、Pb=185%、Ti=3 s，并將整個(gè)回路置于手動(dòng)控制。該參數(shù)設(shè)置與機(jī)組現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行參數(shù)一致，通過模擬板件手操器調(diào)節(jié)ACO107VLC的輸出，使ACO107VLC≈69%，防止與仿真模型連接時(shí)出現(xiàn)擾動(dòng)。啟動(dòng)模擬機(jī)仿真模型與PLC系統(tǒng)通信連接，裝置啟動(dòng)，觀察仿真裝置連接模擬板件系統(tǒng)后的擾動(dòng)情況。系統(tǒng)平穩(wěn)后，執(zhí)行±10%偏差擾動(dòng)試驗(yàn)。操作過程的要點(diǎn)是在手、自動(dòng)切換過程中要實(shí)現(xiàn)無擾切換。在B5013操作面板上，使Sv=60%(0.436 m)。由于回路處于手動(dòng)控制，閥門輸出指令不變，系統(tǒng)仍然穩(wěn)定。操作手操器使回路投自動(dòng)。由于液位偏差的作用，PI控制器輸出使ACO107VL關(guān)小，液位上升，液位逐漸穩(wěn)定在0.436 m左右。待整個(gè)回路處于穩(wěn)定狀態(tài)后，先將回路切至手動(dòng)控制，再將Sv調(diào)回50%，并切至自動(dòng)控制，完成-10%擾動(dòng)試驗(yàn)。重復(fù)上述過程，設(shè)Pb=70%、Ti=3 s，執(zhí)行±10%偏差擾動(dòng)試驗(yàn)。

模擬板件±10%擾動(dòng)曲線如圖5所示。

圖5 模擬板件±10%擾動(dòng)曲線Fig.5 ±10% disturbance curves of analog plate

由圖5可知，在Pb=70%時(shí)，擾動(dòng)仿真試驗(yàn)結(jié)果各項(xiàng)參數(shù)更好，響應(yīng)速度更快。ACO107VL雖然動(dòng)作更大，但由于ACO108VL的耦合作用，液位超調(diào)反而更低。因此，在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中采用的也是Pb=70%的參數(shù)。

3.2 SH-N平臺(tái)仿真驗(yàn)證

將模擬仿真裝置開關(guān)切換至“SH-N系統(tǒng)”位置。根據(jù)1.3節(jié)的式(8):當(dāng)Pb=185%、Ti=3 s時(shí)，計(jì)算得Kp=150、Ti=3 s；當(dāng)Pb=70%、Ti=3 s時(shí)，計(jì)算得Kp=397、Ti=3 s。

在SH-N平臺(tái)PID_P模塊中，按理論計(jì)算參數(shù)設(shè)置后，手動(dòng)調(diào)節(jié)ACO107VLC≈69%，啟動(dòng)模擬機(jī)與PLC通信連接，系統(tǒng)穩(wěn)定。根據(jù)計(jì)算得出的2套不同參數(shù)分別執(zhí)行±10%擾動(dòng)試驗(yàn)，操作過程同3.1節(jié)。操作時(shí)，同樣要注意保證手、自動(dòng)的無擾切換。

SH-N系統(tǒng)±10%擾動(dòng)曲線如圖6所示。

圖6 SH-N系統(tǒng)±10%擾動(dòng)曲線Fig.6 ±10% disturbance curves of SH-N system

3.3 分析與結(jié)論

根據(jù)模擬板件及SH-N系統(tǒng)±10%擾動(dòng)獲得的仿真數(shù)據(jù)，仿真過程參數(shù)對(duì)比如表2所示。由表2可知：在Pb=185%、Kp=150的情況下，其調(diào)節(jié)過程各項(xiàng)參數(shù)較為接近；在Pb=70%、Kp=397的情況下，調(diào)節(jié)過程差異變大。除了2個(gè)平臺(tái)間的物理固有特性差異外，主要原因是調(diào)節(jié)過程耦合了再循環(huán)閥的作用。這與再循環(huán)閥的流量特性有關(guān)。再循環(huán)閥的開度越大，對(duì)整個(gè)調(diào)節(jié)過程的影響越大。從前面的仿真驗(yàn)證結(jié)果可知，SH-N系統(tǒng)調(diào)節(jié)響應(yīng)略快，但由于耦合了再循環(huán)閥的更大的開度，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中可根據(jù)仿真結(jié)果略微調(diào)低Kp值。

表2 仿真過程參數(shù)對(duì)比

為了消除耦合影響，在仿真驗(yàn)證模型中提升ACO107VL的初始開度，同時(shí)降低積分影響，并增加擾動(dòng)幅度。預(yù)設(shè)仿真驗(yàn)證模型工況為100%FP。在模擬板件系統(tǒng)中設(shè)Pb=185%、Ti=20 s，在SH-N系統(tǒng)中設(shè)Kp=150、Ti=20 s。

不同系統(tǒng)不同擾動(dòng)量仿真驗(yàn)證曲線如圖7所示。

圖7 不同系統(tǒng)不同擾動(dòng)量仿真驗(yàn)證曲線Fig.7 Simulation verification curves of different disturbancesin different systems

由圖7可知，弱化積分作用后，SH-N系統(tǒng)響應(yīng)仍略快于模擬板件系統(tǒng)。這與前面的仿真驗(yàn)證結(jié)果一致。在消除了再循環(huán)閥的耦合影響后，在10%及20%擾動(dòng)的情況下，調(diào)節(jié)曲線趨勢基本一致。通過不同參數(shù)設(shè)置、不同擾動(dòng)量及不同的模擬工況比對(duì)驗(yàn)證后可知，模擬板件與SH-N平臺(tái)的參數(shù)理論轉(zhuǎn)換關(guān)系是成立的。理論計(jì)算與仿真驗(yàn)證的過程相互獨(dú)立，結(jié)果密切關(guān)聯(lián)。計(jì)算得到的參數(shù)經(jīng)設(shè)計(jì)后，對(duì)于單一控制對(duì)象及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的回路，其理論計(jì)算參數(shù)可直接使用。對(duì)于存在耦合情況的非單一控制對(duì)象及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制回路，其偏差可根據(jù)耦合執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性，通過仿真驗(yàn)證的手段進(jìn)一步調(diào)整，得到可應(yīng)用于現(xiàn)場實(shí)施的最終參數(shù)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

通過理論計(jì)算與仿真驗(yàn)證相結(jié)合的方法，得到并驗(yàn)證了模擬板件系統(tǒng)與數(shù)字化DCS之間的參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，為核電廠控制系統(tǒng)升級(jí)改造詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程組態(tài)設(shè)計(jì)提供了必要輸入。該方法將調(diào)試驗(yàn)證過程從機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)前移到離線測試，有效縮短了機(jī)組改造的大修實(shí)施驗(yàn)證工期、減少了人力需求、降低了運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。隨著中國在運(yùn)核電機(jī)組數(shù)量的增加，越來越多的控制系統(tǒng)面臨著改造[10-11]。該方法不但適用于模擬控制系統(tǒng)數(shù)字化DCS改造，而且為數(shù)字化DCS的升級(jí)換代提供了重要反饋。