核电厂数字化仪表控制系统仿真测试平台开发

c 冷却剂平均温度随时间的变化
d 稳压器水位随时间的变化
图 3 阶跃降负荷时主要参数随时间的变化 Fig. 3 Variation of Main Parameters with Time at Step Load Down
a 主蒸汽流量
b 核功率
c 冷却剂平均温度
d 稳压器水位
图 4 线性甩负荷时主要参数分析 Fig. 4 Analysis of Main Parameters at Linear Load Rejection
正后送到加法器参与控制。综合误差信号 TE (s) 送 至棒速程序控制单元产生棒速和棒向信号。
稳压器压力控制中较复杂的压力比例积分 （PID）调节器的传递函数为：
G(s)
=
K21⎜⎜⎝⎛1 +
1 τ 21s
⎟⎟⎠⎞
K21τ22 (s)
⎜⎛1 + ⎝
1 λ
τ
22
s
⎟⎞ ⎠
（2）
式中， K21 为比例系数； τ21 与 τ22 分别为积分和 微分时间常数； λ 也为常数。该 PID 调节器将压
功能上，该仿真测试平台应既能满足单独控 制回路的一对一的分步功能测试要求，又能满足 若干控制系统联合运行测试的要求（如：“堆跟机” 模式下，各控制系统关联运行时的动态参数响应 或变化），这就要求该仿真测试系统具备热工对象 的同时也具备仿真逻辑组态，控制单个回路时仿 真测试平台可以在 DCS 系统和仿真控制逻辑间 切换。技术上，测试平台可以基于图形化编程环 境，设计方便友好的 LabVIEW 测试操作和数据 分析用户界面，与测试控制回路一一对应，以便 进行对过程参数趋势曲线观察和动态数据分析； 应该进行一定的输入/输出（I/O）接口数据转化和 处理，根据测试任务进行 I/O 扩展。这样能符合 开放、扩展灵活的特点，方便用户实施二次开发。
3 仿真测试平台开发
3.1 结构设计 LabVIEW 构建的仿真测试平台将核电厂的
DCS 与仿真系统（含控制对象和仿真 I&C）相连 （ 图 1 ）。 仿 真 模 型 中 的 控 制 对 象 程 序 （CRETHAC）参考 RELAP5 程序的核电厂主回 路热工模型和点堆中子动力学模型开发，包括反 应堆、稳压器、蒸汽发生器及相应管道等主要设 备[3]；仿真控制程序（SIM）是标准建模工具中的 MATLAB/SIMULINK 构建的控制策略逻辑组态； 仿真测试平台由虚拟仪器中基于图形化编程语言
1 τ31s
⎟⎟⎠⎞
1 + τ 36 (s)
(1 + 0.1τ36s)
（5）
G( s)
=
K31⎜⎜⎝⎛1 +
1 τ33s
⎟⎟⎠⎞
主给水泵的 PID 传递函数为：
（6）
G(s)
=
K32 ⎜⎜⎝⎛1 +
1 τ 40 s
⎟⎟⎠⎞
（7）
蒸汽发生器液位控制、给水泵转速控制与稳
压器压力和液位控制系统中均含有 PID 调节器，
汽轮机负荷、核功率及一回路平均温度设定 值的变化，使得一回路平均温度随之变化。从图 3 可见，在降负荷时初期一回路平均温度略为上 升，最终稳定在新的设定值上（图 3c）；稳压器 水位的变化基本跟随一回路平均温度的变化，水 位出现一个峰值随后向目标值稳定（图 3d）。测 试平台记录的平均温度曲线与稳压器压力变化与 核电厂试验曲线变化趋势及达到稳态的时间基本 一致。
⎜⎜⎝⎛
P1(s)
−
P2
(1 +
(s) τ6s)
⎟⎟⎠⎞
（1）
式中， Tref (s) 为冷却剂平均温度； TAM (s) 为冷却 剂平均温度测量通道中 3 个环路中的最大平均温
朱立志等：核电厂数字化仪表控制系统仿真测试平台开发
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度；P1 为核功率；P2 是汽轮机负荷和最终功率设
定值的最大值；τ3 、τ 4 是超前/滞后的时间常数；
力偏差进行运算后控制喷淋阀和电加热器的
开度。
水位控制系统中的水位调节器与上充流量调
节器分别为：
G( s)
=
K22 ⎜⎜⎝⎛1 +
1 τ 23 s
⎟⎟⎠⎞
（3）
G( s)
=
K23⎜⎜⎝⎛1 +
1 τ 24 s
⎟⎟⎠⎞
（4）
蒸汽发生器液位控制系统中的水位与给水流
量 PID 传递函数为：
G(s)
=
K30 ⎜⎜⎝⎛1 +
通过仿真测试平台对功率设定值进行设置， 使之维持在起始的稳定工况一段时间，然后阶跃 降负荷，使之稳定在新的功率水平。反应堆功率 控制采用“堆跟机”模式，核功率跟踪二回路汽 轮机负荷变化。主蒸汽流量如图 3a 所示；反应堆 功率变化示于图 3b 所示。虽然一期的试验工况只 提供 97%～87%阶跃降工况，仍然可以看出，仿 真测试平台的设计工况与电厂试验主蒸汽流量和 堆功率曲线的变化趋势、达到稳态所需时间基本 一致。
2 仿真测试需求分析
目前，国外核电厂的 DCS 系统已经取得显著 成绩[2]，而我国尚处在发展阶段。在自主化 DCS 系统调试过程中，有必要开发一套针对反应堆控 制系统和常规岛的仿真测试平台，通过与实际 DCS 系统相连，在其测试期间或现场调试早期， 就可对重要的核岛、常规岛模拟量控制系统实施 单步或关联运行初步功能测试、逻辑预演和定性 分析。
关键词：数字化仪表控制系统；仿真调试；数据采集；LabVIEW 中图分类号：TL362 文献标识码：A
wenku.baidu.com1引言
岭澳核电站由传统的模拟仪表控制向全数字 化仪表控制系统（DCS）及先进控制室系统的技 术跨越，是我国“二代加”百万千瓦级压水堆核 电站的主要技术创新之一[1]。在将 DCS 设备和控 制逻辑应用于现场联机调试前，对主要 DCS 系统 进行可靠的仿真调试是现场联机调试前非常有效 的测试手段，可大大提高 DCS 系统调试的效率， 节约成本、降低风险。本文在经过验证的热工对 象（模型）和仿真控制逻辑的基础上，采用虚拟 仪器中的标准数据采集软件（LabVIEW）工具搭 建仿真测试平台。通过工控机和数据采集卡以及 软件环境，可实现 DCS 与经过验证的热工水力模 型之间的信号通讯、DCS 与仿真控制逻辑之间的 控制切换，达到对核电厂各控制系统逻辑组态和 控制器参数设定值的闭环验证的目的。
朱立志等：核电厂数字化仪表控制系统仿真测试平台开发
图 2 多通道数据采集与单个信号通道控制 Fig. 2 Multi-Channel Data Acquisition and Single-Channel Control
制功能，在对其测试验证时需要对单个控制系统
逐一测试，而虚拟电厂的正常运行需要有完整的
控制系统作用才能正常运行。具体实现为：当需
要测试 DCS 的某一控制系统时，仿真 I&C 中对
只是不同控制系统的比例系数 K 值、微分与积分
的时间常数 τ值各不相同。目前参照岭澳核电站一
期的设计手册搭建控制模型。随着岭澳核电站二
期 DCS 系统调试工程的推进，K 与 τ的设定值会
不断地修正与完善。 3.3 用户界面
通过测试平台的用户界面，工程人员可以根 据测试需要对每个控制系统选择 DCS 系统控制 或者仿真 I&C 控制，配置 DCS 系统信号通道， 观察测试结果、记录测试数据、手动控制信号状 态等。
应控制系统需要隔离，其余仿真 I&C 控制系统投
入使用，同时接入待测试的 DCS 控制系统发送的
控制指令；指令切换信号由仿真测试平台的
LabVIEW 界面程序发出。
3.2.4 控制系统建模 测试平台中仿真 I&C 包
含的控制系统[4]与 CRETHAC 的对象模型相对
应，主要包括：功率控制系统、冷却剂平均温度
τ 2 、 τ5 、 τ6 为滤波器时间常数； τ7 为微分时间
常数。 τ3 必须大于 τ4 才能起到超前的作用，滤波
器1/(1 + τ4s) 主要滤掉热噪声，程序定值通道中的 两个滤波器 1/(1 + τ2s) 和 1/(1 + τ6s) 用于消除微小
且急剧的负荷扰动；功率失配通道中的功率偏差
( P1 − P2 )经偏差微分单元产生不完全微分信号， 在经过非线性增益 K1 与可变增益 K2 进行增益校
（2）第二组比照对象为：①仿真测试平台 100%FP 功率水平按 5%线性甩负荷至 15%FP 瞬 态工况；②岭澳核电站二期 100%FP 功率水平按 5%线性甩负荷至 15%FP 现场调试瞬态工况；
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核动力工程
Vol.31. No.5. 2010
a 主蒸汽流量随时间的变化
b 核功率随时间的变化
收稿日期：2009-04-29；修回日期：2010-05-10
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核动力工程
Vol.31. No.5. 2010
图 1 测试平台结构示意图 Fig. 1 Schematic Diagram of Test Platform
的 LabVIEW 搭建。热工模型与控制系统模型组 合，构成了较完备的虚拟核电厂模型，通过测试 平台可将其与实际核电厂的 DCS 系统完成数据 交互和仿真调试，实现对 DCS 系统硬件以及控制 程序和监控程序的初步验证，提高 DCS 系统现场 调试的安全性，节约现场调试成本。 3.2 仿真测试平台的实现 3.2.1 功能分配 测试平台的构建过程中，充分 考虑“模块化”原则，编写了功能不同的子程序。 主要有信号列表界面（DCS.vi）子程序、与仿真 系统进行数据传递的函数（Main.vi）、人-机界面 （GUI.vi）、历史数据回放窗口（History.vi），以 及配合完成上述功能的各子程序。 3.2.2 与 DCS 系统的数据通讯 仿真测试平台 与 DCS 系统的数据通讯的关键是以电信号的形 式 送 出 和 接 收 来 自 现 场 DCS 机 柜 的 数 据 。 LabVIEW 中的 DAQmx 函数可读写硬件数据采集 卡上的电信号：LabVIEW 工具的数据采集函数 DAQmx 可实现多通道数据采集，通过仿真测试 平台中的全局数组传递给数据服务器，进而更新 仿真系统中的热工模型及仿真 I&C。
4 初步测试与平台验证
岭澳核电站二期目前只有现场 DCS 系统调 试数据，因此，仿真测试平台的在验证除了与二 期调试数据比照外，同时借鉴了一期现场 DCS 系 统的运行数据，在不同工况下比照控制系统中主 要参数的变化。
（1）第一组比照对象 ①仿真测试平台功率水平由 100% FP 阶跃变
化 至 90%FP 瞬 态 工 况 ； ② 岭 澳 核 电 站 二 期 100%FP 功率水平阶跃变化至 90%FP 现场调试瞬 态工况；③岭澳核电站一期原始试验报告 97%FP 功率水平阶跃变化至 87%FP 瞬态工况。
（1. 上海交通大学核科学与工程学院，上海，200240；2. 中广核工程有限公司，广东深圳，518048）
摘要：以经过验证的热工对象（模型）与仿真控制逻辑为基础，基于虚拟仪器中的 LabVIEW 软件和数 据采集卡搭建仿真功能测试平台，建立仿真系统与核电厂数字化仪表控制系统之间的数据通讯，成功开发了 针对岭澳核电站二期的全数字化仪表控制系统（DCS）的仿真测试平台，实现了对核电厂自主化 DCS 系统现 场联调前的仿真调试。
第 31 卷 第 5 期 2 0 1 0 年 10 月
文章编号：0258-0926(2010)05-0113-05
核动力工程
Nuclear Power Engineering
Vol.31. No.5 Oct. 2 0 1 0
核电厂数字化仪表控制系统仿真测试平台开发
朱立志 1，林 萌 1，杨宗伟 2，刘鹏飞 1，杨燕华 1
控制系统、稳压器压力和液位控制系统、蒸汽发
生器液位控制系统、蒸汽排放控制系统以及给水
泵转速控制系统等。
功率调节系统棒速程序通道的综合误差信号
传递函数为：
TE
(s)
=
Tref (s) (1 + τ2s)
−
(1 + τ3s)TAM (s) (1 + τ4s)(1 + τ5s)
−
(1
τ7s + τ7
s)
K1K 2
数据按照卡件槽位号和通道号顺序缓存在全 局数组中，通过软件实现单个信号通道控制操作， 可以解决多通道采集带来的单个信号物理通道控 制和显示难的问题；利用 LabVIEW 中可视化的 簇函数、数组函数和循环框，开发单个信号的通 道分配、电信号与物理量的对应、信号测量与强 制值的切换等功能以及界面友好、可读性强、可 扩展性好的用户界面。设计流程如图 2 所示。 3.2.3 DCS 系统与仿真 I&C 的切换 DCS 系统 的仿真调试的主要目的是验证 DCS 系统的控制 逻辑的组态和系统各参数的设置是否正确。DCS 系统的控制逻辑包括了核电站所有系统设备的控