HTS熔盐实验回路分布式控制系统设计

韩利峰 陈永忠 周大勇 尹聪聪 郭 冰 黄国庆 张福春

（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

HTS熔盐实验回路分布式控制系统设计

韩利峰 陈永忠 周大勇 尹聪聪 郭 冰 黄国庆 张福春

（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

实验物理和工业控制系统(EPICS)是大型物理实验装置常用的分布式控制系统软件。本文将EPICS引入到反应堆相关过程工艺控制领域，详细分析了钍基熔盐堆专项(TMSR)——硝酸盐熔(HTS)实验回路控制系统的基本设计思想和结构特点，通过HTS实验回路实现EPICS控制系统的操作。完成S7 PLC硬件驱动程序规范格式的改造，使其满足对Autosave、devIocState等插件的支持；完成ASYN和StreamDevice软件包在DTI-1000参考数字温度指示器串口设备通讯中的应用；完成EDM界面程序修改和熔盐流动、风机和熔盐泵转动等的Dynamic Symbols 动态控件的构建等。经工程实践证明，EPICS控制系统可以满足以加热控制、变频控制以及温度、流量、压力等测量为主熔盐回路的控制要求，能够准确、美观地显示过程量的变化，在整个系统的可靠性分析和测试方面还需作进一步工作。

硝酸盐熔(HTS)实验回路，EPICS，PLC，控制系统

EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)是用于大型科学装置控制系统软件开发和运行的软件工具集。基于可移植性和高稳定性(基于EPICS的客户端/服务器模式分布式网络控制系统)，在诸如LANL、ANL、CERN、DESY、SLAC[1−4]、合肥光源[5]、中国科学院高能物理研究所BEPCII、上海第三代同步辐射光源[6]等100多个大型科研项目的控制系统的研制中被广泛采用。

中国科学院上海应用物理研究所承担的钍基熔盐堆专项(TMSR)计划在五年内建设四个大型熔盐试验回路，通过研究熔盐的热工水力特性、掌握熔盐回路的设计和运行，最终完成钍基熔盐堆的设计、建设任务。

TMSR战略性先导科技专项的第一个熔盐试验回路——硝酸盐(HTS)熔盐热工试验回路，是一个具有完整的预热与加料、加热、循环和散热功能的系统，在这个过程工艺控制为特点的熔盐堆项目上，应用EPICS分布式控制系统软件，将为TMSR项目控制系统的搭建积累建设经验。

1 HTS熔盐回路控制系统简介

HTS熔盐回路控制系统需要控制熔盐储罐、熔盐管道电伴加热，保证熔盐熔化；启动加料泵将熔盐注入上端循环回路；启动循环泵驱动熔盐在循环回路循环流动，并且控制主加热器加热模拟堆芯不断为熔盐提供热量；调节散热器风机转速，模拟换热过程。并在此过程中持续监测各设备温度、循环回路流量、压差以及罐体液位等数据。HTS熔盐热工实验回路系统组成如图1所示。

根据HTS熔盐热工实验回路结构，可以把控制系统分为：储罐加热控制；主加热器加热控制；试验段加热控制；管路电伴加热控制；循环泵加热控制；加料泵和循环泵运转控制；温度、流量、液位监测；散热器风机控制和连锁保护等子系统。

控制系统需要实现如下功能：

(1) 与加热控制机柜的西门子S7300 PLC通信，实现储罐、主加热器、循环罐和所有熔盐管道的预热和保温控制。包括回路设备预热温度、熔盐制备温度控制。控制系统向DCS系统发出的启动、停止、控制等操作命令，接受(DCS)加热器处于运行、停止、超温、互锁状态等信号。

(2) 与运行数据控制机柜横河(PLC)通信，实现相连热电偶、熔盐流量计、空气流量计、液位计、压力传感器等的数据采集。检测回路系统的温度、液位、流量、压力等，并监控系统故障。

(3) 客户端用户管理、时间同步、共享数据存储等功能，使控制室终端可使用相同用户登录，修改共享文件，以及同步机器时钟。

(4) 提供用户友好界面，系统分层清晰简洁，操作人员容易掌握，能动态显示热工实验流程。

(5) 提供加热系统、循环泵等的连锁界面，显示连锁状态，提供旁路和解锁功能。

图1 HTS熔盐热工实验回路系统组成Fig.1 HTS molten salt thermal experimental loop system structure.

2 HTS熔盐回路控制系统设计

EPICS IOC(Input Output Controller)核心是一个常驻内存的分布式实时数据库系统，每个数据通道作为数据库的一个记录存放在控制该通道的IOC中，每个记录中的值可以来自硬件设备输出、操作员命令或者其他记录的输出，所有的过程控制功能也基本上在动态数据库中实现。

通过建立在TCP/IP协议上的Channel Access通道访问机制实现了Channel Access客户端(CAC)和Channel Access服务器(CAS)间的网络数据通信(图2)。

图2 HTS熔盐试验回路的软件结构Fig.2 Software structure of the HTS molten salt test loop.

CA客户端包括HMI (Human Machine Interface)、ALH (Alarm Handler)和Archive Viewer。HMI是运行在客户端的操作员接口界面程序，最常用的HMI程序是EDM，HTS试验回路利用EDM作为用户界面的创建和执行引擎；ALH实现对异常报警的监控以及对报警细节管理；Channel Archive及Viewer是共同实现EPICS IOC所有在线实时动态数据的存储和查询的程序。其他软件工具包Error Log和AutoSave分别实现IOC故障状态检测和IOC控制参量存贮与自动恢复。

由图3，硬件结构大致分为操作员界面(OPI)、运行数据库、PLC控制机柜、现场设备。OPI层采用PC机(Centos 6 Linux)远程监测和控制设备状态，PC机上运行EPICS EDM工具设计的用户操作界面，并以大屏幕液晶电视屏作为扩展；控制终端的数据来自EPICS IOC运行数据库层(DELL PowerEdge R410/Centos 6 linux)，EPICS IOC软件包分别实现与西门子S7-300 PLC、横河FA-M3型PLC及高精度热电偶测温仪DTI-1000联接的串口服务器的通信；设备层通过西门子S7-300 PLC实现加热控制，通过横河FA-M3型PLC实现仪器仪表等标准电压/电流信号监控。

图3 HTS控制系统硬件结构Fig.3 Structure of the HTS molten salt thermal test loop control system.

3 EPICS IOC硬件驱动

HTS实验回路控制系统拥有控制量约480个，其中bi(bit input)和ai(analog input)占约60%，bo(bit output)和ao(analog output)占约30%，其他计算所得中间变量占约10%(表1)。数据来源主要是西门子PLC和横河PLC的通讯模块，少量数据来自高精度热电偶测温仪DTI-1000相连的串口服务器NPort5410(图4，控制系统记录的储罐第一次升温过程高精度热电偶温度数据和加热器电流数据)。软件方面的任务主要集中在数据库文件的编写、接口驱动的实现以及用户操作界面的编写，下面主要就EPICS与PLC及串口服务器的通讯实现进行介绍。

图4 HTS回路储罐升温温度和加热器电流Fig.4 Monitoring temperature and the current data of the molten salt tank.

表1 运行数据库数据类型及来源点数分布Table1 The points distribution of data types and sources.

3.1与可编程逻辑控制器PLC通信

EPICS IOC与西门子S7系列PLC通讯使用SLS开发的驱动程序，该驱动是基于TCP/IP服务器/客户端模式的通讯协议。在使用过程中，对IOC驱动程序结构进行了调整，使其目录结构符合EPICS标准应用模板的格式。标准化后的IOC不仅能方便数据库文件的管理、驱动程序的版本维护、相关开发人员的阅读，还能实现EPICS工具包插件的加载(如Autosave和devIocState：Autosave实现IOC重启过程中控制量保存和再加载，devIocState实现EPICS IOC状态的远程监控)[7]。

建立标准格式的IOC，首先通过makeBaseApp.pl生成一个IOC实例的应用目录和IOC启动目录，有*App、configure、iocBoot和Makefile等[8,9]。Makefile包含了所有的规则和目标，因源文件编译规则较多，故每个目录中都有自己的Makefile文件，主Makefile逐级调用下层Makefile。IOC实例中最主要的为*App应用目录(本例中为s7plcAPP)，其包含源文件目录src和数据库db目录。src目录由设备支持(device support)和设备驱动(device drivers)等程序文件组成。db目录主要包含IOC实例各记录的定义。src目录中Makefile首先建立s7plcSupport库文件，s7plcSupport动态库由s7plc的设备支持程序、设备驱动程序和EPICS_BASE_IOC库生成。然后建立s7plc IOC应用，s7plc_registerRecordDeviceDriver.cpp主要实现记录支持程序、设备支持程序和驱动支持程序之间的接口，它由s7plc IOC总的数据库定义文件s7plc.dbd生成。总的数据库定义文件由base.dbd、s7plcBase.dbd、s7plcCalcout.dbd、s7plcReg.dbd、sSupport.dbd等构成[10,11]。

在IOC的启动脚本中，s7plc驱动的配置函数为s7plcConfigure (PLCname, IPaddr, port, inSize, outSize, bigEndian, recvTimeout, sendIntervall)。

例如：s7plcConfigure ("HTS_STATION:0", "192.168.0.10", 3, 1024, 32, 1, 500, 100)。

运行数据库纪录实例为：

record(bi, "HTS:MH:120Status") {

field(DTYP, "S7plc")

field(DESC, "STA_YY120_RUN")

field(INP, "@HTS_Station:0/1 B=9 T=WORD")

field(SCAN, "I/O Intr")

field(ONAM, "ON")

field(ZNAM, "OFF")

}

图5显示了运行经由驱动读到的数据块与数据库纪录之间的数位匹配关系。

3.2 EPICS与串口通信

StreamDevice是一个通用的"字节流"接口设备的EPICS设备支持。设备通过发送和接收的字符串来控制。这种类型的通信接口如串行线(RS-232，RS-485，...)、IEEE-488(也称GPIB或HP-IB)和telnet的TCP/IP[12,13]。

图5 EPICS记录与PLC数据块的数位对应关系Fig.5 Correspondence between the EPICS records and the PLC data blocks

如图6所示，HTS熔盐试验回路现场使用两台JOFRA DTI-1000参考数字温度指示器和四个JOFRA STS高精度温度探头，作为其他热电偶的温度校正。其中DTI-1000采用串口通讯，现场使用串口服务器MOXA NP4510把两台温度指示器连接到EPICS IOC服务器，并使用MOXA npreal驱动将其影射为本地TTY串口。EPICS IOC与本地影射串口间通信使用StreamDevice驱动包实现。DTI串口命令为ASCII码‘b’，返回数据九个字节，包括通讯命令’b’、浮点数温度值一、值二。

图6 DTI-1000参考温度指示器与EPICS通讯结构Fig.6 Communication realization between DTI-1000 reference temperature indicator and EPICS

StreamDevice通讯协议文件为：

MaxInput = 9; ＃读取的字节数

ReadT{

out "$1"; in "b%R%($2)R";

}

数据记录定义文件为：

record (ai, "Temp1")

{

field (DESC, "HPTemp1")

field (DTYP, "stream")

field (INP, "@devexample.proto

ReadT(b,Temp2) $(BUS)")

}

record (ai, "Temp2")

{

field (DESC, "HPTemp2") field (DTYP, "stream")

}

按照通讯协议，驱动输入'b'与串口DTI设备进行通讯，将第一个大端(Big Endian)浮点数温度数据传递给Temp1，将第二个大端(Big Endian)浮点数温度数据传递给Temp2。

4 用户操作界面

根据HTS熔盐试验回路以温度、压力、流量、液位等工艺参数作为被控变量的过程控制特点，利用EDM界面设计程序“Auto make symbol”功能(图7)，制作流动、风机转动、泵运转等动态控件(Dynamic Symbols)。并通过修改EDM程序，使动态控件帧播放速度受PV变量控制。通过简单直观的图形动画的形式，增强了人机界面的显示效果。

图7 HTS 试验回路的控制系统EDM主界面Fig.7 Main control system EDM operator interface of the HTS test loop.

5 结语

EPICS没有应用于核能项目的经验，国际热核聚变实验反应堆项目确定以 EPICS作为分布式控制系统的软件基础，我们希望在过程工艺控制为特点的熔盐堆项目上应用EPICS分布式控制系统软件。在设计过程中，对软件结构进行了规划，完成了包括网络配置、服务器配置、硬件接口通信、报警、历史数据记录、操作界面设计等。通过HTS熔盐回路控制系统的调试和运行，证明基于EPICS的软件设计能实现熔盐试验一回路完整的预热与加料、加热、循环和散热功能，完成熔盐介质在不同工况下的热工水力参数的测定。在这个过程中我们对驱动程序进行了标准化，一方面是实现对autosave等标准插件的支持，另一方面也为IOC冗余配置作准备，我们希望在软件安全可靠性方面作进一步的研究。同时也实现了串行接口设备与EPICS的数据交换，并通过图形动画控件的设计增强了用户操作界面的显示效果。

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7 Kraimer M R, Anderson J B, Johnson A N, et al. EPICS Application Developer’s Guide[DB/OL]. February 2010, http://www.aps.anl.gov/epics

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ZOU Yi, ZHUANG Jian, YANG Xueping, et al. PLC control system based on EPICS for BFEL[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2008, 28(1): 9−12

11 EPICS Stream Device[DB/OL]. 2011, http://epics.web. psi.ch/software/streamdevice/doc/

12 刘波, 孔祥成. EPICS下串口通信驱动程序的开发[J].中国科学院研究生院学报, 2005, 22(6): 690−694

LIU Bo, KONG Xiangcheng. Development of serial port device driver under EPICS[J]. Journal of the Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, 2005, 22(6): 690−694

CLCTL362+.5

Design of the distributed control system for HTS molten salt test loop

HAN Lifeng CHEN Yongzhong ZHOU Dayong YIN Congcong GUO Bing HUANG Guoqing ZHANG Fuchun

(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)

Background:Experimental Physics and Industrial Control System (EPICS) is the distributed control system software which is commonly used in large-scale experimental physics facilities. Purpose: We wish to apply it into the field of molten salt reactor relevant process control, e.g. HTS 1sttest loop of thorium-based molten salt reactor (TMSR), which is characterized by heating, circulation, cooling and other process control. Methods: During the development of EPICS based control system, the Simense S7-300 PLC and Yokogawa FA-M3 PLC hardware drivers specification format transformation has been done, to support the Autosave and devIocState plug, and ASYN serial communication between the DTI-1000 reference digital temperature indicator and the EPICS IOC has been developed with the StreamDevice packages, also EDM interface program was modified to support PV control of the“molten salt flow”, “fans”, “molten salt pump rotation”, etc. by dynamic symbols. Results: EPICS based control system achieved the standardized communication of three hardwares with different types, the monitoring and storage of nearly 500 process variables, and the dynamic monitoring of control process. Conclusions: The EPICS-based control system can achieve the molten salt heating, feeding, cooling and other process control of the molten salt test loop. Safety analysis and research of control system requires further efforts to implement.

HTS test loop, EPICS, PLC, Control system

TL362+.5

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.090603

韩利峰，男，1981年出生，2009年于中国科学院上海应用物理研究所获博士学位，反应堆控制系统

陈永忠，E-mail: chenyongzhong@sinap.ac.cn

2013-07-22，

2013-08-10