CPR1000核电站三废处理控制系统仿真测试技术应用

北京广利核系统工程有限公司 康炤旭

CPR1000核电站三废处理控制系统仿真测试技术应用

北京广利核系统工程有限公司 康炤旭

为实现工厂测试期间，能够最大限度地模拟核电厂三废系统的工艺设备，对三废控制系统（DCS）的组态逻辑正确性进行验证，通过结构化文本语言编写仿真测试程序，对现场的工艺设备的运行状态进行仿真模拟。同时选取对核电站硼回收系统（TEP）的1号除汽器的仿真测试，验证仿真测试程序的可行性，提出了一种低成本，高效率的测试方法。

结构化文本；DCS；仿真；测试；顺序控制

1 CPR1000核电站三废系统简介

三废系统主要功能是控制、收集、处理、输送、监测、贮存和排放核电站正常运行工况和预期运行条件下产生的各种气、液、固放射性废物；确保核电站的放射性排放量低于国家标准GB6249-86“核电厂环境辐射防护规定”所规定的限值，使对公众所造成的辐射照射遵循“合理可行尽量低”的原则[1]。三废处理系统(KSN)主要包括以下几个子系统：

• 硼回收系统（TEP）

• 放射性废液处理系统（TEU）

• 放射性固体废物处理系统（TES）

• 放射性废气排放系统（TEG）

• 核辅助厂房通风系统（DVN）

• 核岛排气和疏水系统（RPE）

• 硼加热系统（RRB）

• 辅助蒸汽分配系统（SVA）

2 CPR1000核电站三废控制系统概述

2.1 背景

三废系统工艺复杂，控制设备多，因此至岭澳二期开始，三废系统的控制系统已经开始采用DCS系统，替代了原来的继电器控制。同时三废系统在核电厂的整个生命周期内都需要可靠，稳定的运行，其DCS系统的准确，可靠运行则显得十分重要，为此需要在DCS系统出厂前，对整个DCS系统进行系统测试，确保DCS系统功能准确、可靠。

2.2 控制系统的组成

三废系统的DCS系统包括人机界面层、数据处理层和现场控制层。如图1所示，人机界面层包括操作员站、打印机、组态工程师站等，完成DCS系统的离线组态，实现整个DCS系统的人机交互功能，进行数据的成组显示、趋势显示、工艺流程图显示、报警规程显示等，从而对三废工艺系统的进行实时监视与控制。数据处理层包括交换机、服务器，是连接人机界面层与现场控制层的桥梁，并为人机界面层提供数据存储、查询、报警处理等功能；现场控制层包括控制器，现场信号采集模块，控制信号输出模块。现场控制层接收人机界面层的控制指令，采集工艺现场的物理信号，按照预先组态好的控制策略，对现场的工艺设备进行监测与控制。

图1 DCS系统网络结构图

2.3 控制功能测试方案选择

DCS系统集成完成后，需要对DCS系统的整体情况进行测试，测试范围包括DCS系统平台功能测试、DCS系统性能测试、DCS系统组态逻辑测试。其中DCS系统组态逻辑测试最为重要。所谓逻辑测试，即按照核电站三废处理系统的控制逻辑要求，对DCS系统运行后的真实控制输出进行验证，确保DCS系统在一定的输入条件下能够按照控制逻辑的要求完成控制指令的输出。为实现上述的测试目标，有如下几种方案：

方案一：1比1建立与实际核电厂三废处理系统设备相同的实物测试环境，并将DCS系统与测试环境通过硬接线连接。此方案可以真实的反映出现场设备的各种状态，测试结果也最真实，但是将耗费大量的设备费用、人工费用，成本十分高昂，此方案不可取。

方案二：采用计算机仿真技术，搭建三废系统所有控制设备的数学模型，并在单独的一台计算机柜中运行仿真模型，DCS系统与仿真模型进行数据交互，达到测试的目的。此方案较方案一节省成本，但是计算机柜的集成，现场设备数学模型的建立，DCS系统与仿真模型的信号连接都需要耗费大量的时间、费用，亦不可取。

方案三：利用DCS系统本身的特性，在现场控制层的控制器中运行仿真程序，仿真程序对现场设备进行模拟，从而对控制逻辑进行验证。此方案最大的优点是测试期间，DCS系统不再需要与任何的实物进行连接即可进行控制逻辑的验证，无需增加任何费用。虽然真实性不如前两种方案，但是单从逻辑验证角度来说，可以满足要求。综上，采取方案三。

3 CPR1000核电站硼回收系统仿真测试方案实施

为实现上述的仿真测试方案，需要从以下几个方面入手：

• 仿真程序的编写；

• 仿真程序与DCS逻辑控制程序的结合；

• DCS控制逻辑的仿真测试。

3.1 仿真程序

3.1.1 仿真程序的需求

结合对三废处理系统控制逻辑的分析，核电厂三废处理系统中包含26个PID控制，5个顺序控制逻辑，分别为TEP系统1号除汽器的顺序控制、TEP系统2号除汽器的顺序控制、TEP系统1号蒸发器的顺序控制、TEP系统2号蒸发器的顺序控制和TEU系统1号蒸发器的顺序控制。顺序控制程序的特点决定了控制程序运行到任何一步都需要接收到现场设备的运行状态反馈，顺序控制程序才能继续运行下去。为此，仿真程序就需要在收到DCS系统的控制指令后模拟现场设备的动作，向DCS系统馈送反馈信号。顺序控制程序中作为转换条件的绝大部分都是设备的开关状态，仅有TEP系统除汽器控制中两个三通控制阀需要实现开度的控制，根据阀门开度的范围对阀门的开关状态进行设置。为此仿真程序需要完成以下功能：（1）接收DCS系统发出的控制输出信号，模拟现场设备的开关行程时间，收到信号延时一定的时间向DCS系统馈送该设备的动作到位反馈信号。（2）接收DCS系统发出的除汽器控制系统中的三通控制阀的开度模拟量控制信号，根据开度的范围自主判断三通控制阀的开关状态，并将开关反馈信号馈送到DCS系统。

3.1.2 仿真程序的编写

因为仿真程序运行在DCS系统的现场控器中，因此需要采用现场控制器可以识别的编程语言进行仿真程序的编写，现场控制器的逻辑组态采用德国科维公司的Multiprog，该软件支持IEC61131-3标准中的5种编程语言，指令语句表（IL），结构化文本（ST），功能块图（FBD），梯形图（LD），顺序功能图（SFC）[2]。其中ST是针对自动化系统的高级文本编程语言。简单的标准结构确保快速、高效的编程。ST使用了高级语言的许多传统特性，包括：变量、操作符和控制流程语句。ST还能与其它的PLC编程语言一起工作。那么什么是结构化文本呢？"结构"是指高水平的结构化编程能力，象一个"结构化的编程"；"文本"是指应用文本而不是梯形图和顺序函功能表的能力[3]。因此使用ST语言，在知道程序要求后，可以很方便地对程序要求进行翻译，进而完成程序的编写。

3.2 仿真程序的应用

3.2.1 仿真功能块

仿真程序用来模拟现场的设备，因此将仿真程序定义为一个功能块，在每个设备控制逻辑的方案页处添加该功能块，进行设备的仿真。

图2 仿真功能块

如图2所示，该仿真功能块有4个输入引脚，2个输出引脚。OP（开指令输入引脚）用于接收DCS系统的设备开启控制指令。CL（关指令输入引脚）用于接收DCS系统的设备关闭控制指令。T_SM3（设备开行程时间定义引脚）用于根据现场实际情况设定设备的开行程时间。T_SM5（设备关行程时间定义引脚）用于根据现场实际情况设定设备的关行程时间。SM3（开反馈输出引脚）用于向DCS系统馈送设备的开状态反馈信号。SM5(关反馈输出引脚)用于向DCS系统馈送设备的关状态反馈信号。同时需要对DCS系统的信号采集功能进行屏蔽，以仿真程序的运算结果代替真实的信号采集值。

3.2.2 功能块的特殊处理

对于现场的电磁阀类设备，DCS系统送出的控制指令只有一个输出信号，因此需要将该信号取非后接至另一引脚，如图3所示，实现仿真功能块的正常运算。

图3 功能块的特殊处理

3.3 仿真测试方案实施

3.3.1 现场采集信号的屏蔽处理

DCS系统的所有物理点在系统中为方便测试都设置了一个强制状态位[4]，当该强制状态位为真时，物理点将不再进行物理信号的采集运算，物理点的当前值等于强制值。因此在设置了所有物理信号的强制状态位后，仿真程序的输出只要给物理信号的强制值赋值，物理信号的当前值即发生相应的变化。实现设备运行状态的仿真。

3.3.2 仿真功能块的添加

在DCS系统1号除汽器的控制逻辑方案页中，在每个设备的控制逻辑后面增加仿真功能块参见图4。

①：操作员手动控制指令处理：该部分用来检测DCS系统人机界面的控制指令，并根据设备控制逻辑的要求将人机界面的控制指令转变为电平信号或是脉冲信号，参与到设备的控制逻辑中，实现设备的手动开关控制。

②：设备手自动切换处理：该部分用来检测DCS系统人机界面的设备控制状态切换指令，实现现场设备手动控制状态，自动运行状态的切换。

③：设备开关控制逻辑：该部分实现设备的实际控制逻辑。

④：设备驱动控制算法：该部分为设备的驱动控制算法，用以接收控制逻辑的运算结果，完成实际控制指令的输出，现场设备运行状态反馈信号的接收，并根据输入输出的信号，自动判断当前设备的运行状态，如命令超时，设备状态偏差，开关反馈同时存在报警等，并将这些信息上传给人机界面层，实现对现场设备的控制与监视。

⑤：仿真功能块：实现现场设备的动作仿真。

图4 添加设备仿真功能块

⑥：设备状态反馈信号处理：该部分实现物理信号强制值的赋值，由仿真功能块的运算结果对物理点的强制值进行赋值，实现物理信号当前值随仿真功能块运算结果的变化而变化。

3.3.3 添加三通控制阀开关判断程序

三通控制阀的开关判断逻辑依旧采用ST语言进行编程。该三通控制阀控制着除汽器液体的流动方向，根据工艺控制要求，当三通控制阀的开度小于5%时，即认为三通控制阀处于关闭状态。当三通控制阀的开度大于95%时，即认为三通控制阀处于打开状态。当开度位于5%和95%之间时，维持当前的开关状态。结合上述要求，实现程序如下：

（1）程序使用变量的声明。该判断程序中需要使用如下3个变量：三通控制阀开度控制输出信号，PY3TEP033VPCO；三通控制阀开状态反馈信号：PY3TEP033VPSM3；三通控制阀关状态反馈信号：PY3TEP033VPSM5。

变量声明

（2）ST语言代码体编写。

IFPY3TEP033VPCO.AV>=REAL#0.0ANDPY3TEP033VPCO. AV<=REAL#5.0THEN

PY3TEP033VPSM5.FDI:=TRUE;

PY3TEP033VPSM3.FDI:=FALSE;

ELSIFPY3TEP033VPCO.AV>REAL#95.0ANDPY3TEP033VPCO. AV<=REAL#100.0THEN

PY3TEP033VPSM3.FDI:=TRUE;

PY3TEP033VPSM5.FDI:=FALSE;

END_IF;

程序中同样是对该三通控制阀的状态物理量的强制值进行赋值，通过强制值来改变物理信号的当前值。

（3）程序测试

程序编写完成后，还需要对程序的正确性进行简单的测试，可以将程序下装到控制器中实际运行，检验程序的正确性。也可以借助软件本身强大的离线仿真功能进行仿真测试。

• 选择仿真器

• 将程序下装到仿真器中

• 打开调试模式

将PY3TEP033VPCO添加到监视窗口中，置位该点的强制状态位，然后依次将PY3TEP033VPCO的值强制为4，50，98，75，3。然后查看PY3TEP033VPSM3，PY3TEP033VPSM5强制值的变化情况，由此来验证仿真程序的正确性，参见图5的离线仿真测试。

图5 离线仿真测试

3.3.4 TEP系统1号除汽器顺序控制逻辑验证

除汽器的顺序控制分为10个运行状态的控制。分别为状态0到状态9，各个状态的功能如下：

①状态0：除气器序列完全停运和隔离，它又分为热态0和冷态0，热态0是除气器序列检修或停运前转换至状态0冷态的一个临时中间状态，在此状态时所有蒸汽供汽阀隔离，除气器序列可以自然冷却；

②状态1：升温，冷凝器内废气向TEG含氧分系统排气，当除气器顶部蒸汽出口温度达到95℃时状态1结束，持续约50min，水含氧量降到1mg/l；

③状态2：除氧，冷凝器内废气向废气处理系统（下称TEG）含氧分系统排放，1小时后水含氧量将降到0.02mg/l；

④状态3：氮气吹扫冷凝器除氧，持续约15min，冷凝器内废气向TEG含氧分系统排放，水含氧量降到0.007mg/l,冷凝器内废气向TEG系统含氧管线排放；

⑤状态4：升压，除气器顶部压力由1.08bar(a)升到1.47bar(a)，冷凝器内废气向TEG含氧分系统排放；

⑥状态5：生产，前置暂存箱的N3液位信号使除气器序列投产，除气后的废液被输送到中间贮存箱贮存，冷凝器内废气向TEG含氢管线排放；

⑦状态6：热备用，前置暂存箱的N2液位信号触发除气器序列由状态5转到热备用，废液输送泵停运，装置隔离，除气器压力保持1.30bar(a)至1.44bar(a)之间；

⑧状态7：强制冷却，除气器序列内的液体用设备冷却水冷却到一定温度，从而达到冷停运；

⑨状态8：氮气吹扫冷凝器，冷凝器内废气向TEG含氢管线排放，装置由生产状态5到状态6可经状态8；

⑩状态9：氮气强制吹扫，用氮气对除气器和排气冷凝器进行吹扫以便维修，冷凝器内废气向TEG含氢管线排放。

各状态之间的转换关系如图6所示：

图6 除汽器运行状态转换图

结合TEP系统除汽器的操作规程，开启除汽器的顺序控制流程，依次进入除汽器的各个状态，对于各个状态中涉及到的液位信号、流量信号、压力信号等变化情况需要手动进行强制值的设置，不宜添加到仿真程序中，因这些模拟量信号往往是状态变换的条件，如果采用仿真程序进行强制值的给定，很可能出现状态改变过快，不宜进行程序运行状态的记录。

在测试过程中，遇到状态运行与预期不一致的情况，需要对照控制逻辑逐一检查该状态下各个设备的状态，各个中间变量的状态，找出与预期不一致的地方，进行分析，查找出状态不一致的触发原因并进行更正，直至整个顺序控制流程全部执行完成。

4 结论

本文通过对核电厂硼回收系统中1号除汽器顺序控制逻辑仿真测试的研究，验证了仿真程序在逻辑验证中的可行性，提出了一种低成本，高效率的测试方法。仿真程序采用简单、高效的结构化文本语言进行编制，移植性强，易于推广到其他领域。

[1] 李睿. 岭澳二期核岛三废处理控制系统 (KSN) 设计[J]. 自动化博览, 2011, 04. [2] 袁海峰, 黄凯杰. KW-SoftwareMULTIPROG平台通过赫优讯cifX板卡实现集成PROFIBUS-DP主站的软PLC控制器[J]. 自动化博览, 2012 (S1) .

[3] 蔚庭, 伯特·杉布. IEC61131-3的编程语言 (一) : 文本化语言 (续二) [J]. 机电一体化技术, 2001, 03.

[4] 饶宛, 郑欢, 陈信仁. HOLLiASMACSV6应用实例及问题分析[J]. 自动化技术与应用, 2011, 12.

The Application of Simulation Testing Technology in CPR1000 Nuclear Power Plant KSN

To maximizesimulatenuclear power planttri-wastesystem during the factory test, we verify the correctness of the configutation logic of tri-waste control(DCS), and write the simulation testing program by structured text(ST) to simulate thelive process equipment. Meanwhile, we select NO.1 deaerator-gas stripper of Unit 1 boron recovery systemfor nuclear power plants (TEP) to verify the feasibility of the simulation testing program,as well as propose a low-cost, high-efficiency testing method.

Structured text；DCS;Simulation;Testing;Control in sequence

1984-），男，辽宁沈阳人，本科，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电站数字化仪控系统设计工作。