中國(guó)核電工程有限公司電氣儀控所 顧燕春，廖圣勇，王蘭蘭

DCS自問(wèn)世以來(lái)，其可靠性、適用性不斷提高，功能也日益增強(qiáng)，已廣泛應(yīng)用于電力、石化，冶金等行業(yè)，但核電站中DCS系統(tǒng)的應(yīng)用歷史并不太長(zhǎng)。PID控制器具有原理簡(jiǎn)單，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。本文以海南昌江核電站1、2號(hào)機(jī)組采用的INVENSYS公司IA DCS系統(tǒng)為背景，對(duì)核電站中典型的單回路PID控制和串級(jí)PID控制的控制原理和數(shù)字化實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述；針對(duì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的手/自動(dòng)切換擾動(dòng)和PID控制器的正反作用問(wèn)題給出了解決方案。對(duì)PID控制器在核電站中的應(yīng)用推廣有重要意義。

1 PID控制原理

PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)，它根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例積分微分控制計(jì)算出控制量進(jìn)行控制，目前核電站中常用的有P、PI，PID控制。其典型控制框圖如下圖，從圖1上看是一種典型負(fù)反饋控制，其根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值之間的偏差，輸出控制量調(diào)節(jié)被控對(duì)象，直到實(shí)際輸出值等于給定值或偏差達(dá)到允許范圍之內(nèi)。

圖1 典型PID控制器控制框圖

PID控制器的傳遞函數(shù)為：

核電站中除了上述單回路的PID控制，還有少部分的串級(jí)控制系統(tǒng)，其典型控制框圖如下圖2。串級(jí)控制系統(tǒng)的引入主要針對(duì)復(fù)雜的控制對(duì)象，在核電站中用于控制穩(wěn)壓器水位，其容量滯后大，干擾變化劇烈，頻繁，控制要求高。

圖2 串級(jí)PID控制器控制框圖

從圖中看，該控制系統(tǒng)為包括兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)，副調(diào)節(jié)器位于內(nèi)環(huán)，起到粗調(diào)的作用；主調(diào)節(jié)器位于外環(huán)，起到精調(diào)的作用。主調(diào)節(jié)器的設(shè)定值由外部給定，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值。經(jīng)過(guò)兩級(jí)調(diào)節(jié)，可以提高復(fù)雜被控對(duì)象的控制精度。

2 單回路PID控制在核電站中的應(yīng)用

2.1 核電站典型的單回路PID控制要求

核電站典型的單回路PID控制，如圖3，是海南昌江核電廠1、2號(hào)機(jī)組容積控制箱（RCV002BA）液位的單回路PID調(diào)節(jié)，其目的是控制RCV002BA的液位在一個(gè)穩(wěn)定的值，以維持反應(yīng)堆一回路的水裝量。容積控制箱的液位通過(guò)RCV011MN監(jiān)測(cè)，當(dāng)在容積控制箱水位高于給定值時(shí)，通過(guò)氣動(dòng)三通閥（RCV 030 VP）調(diào)節(jié)，將流入容控箱的流量減小，同時(shí)排往硼回收系統(tǒng)（TEP）的流量加大；當(dāng)液位低于給定值時(shí)， 調(diào)節(jié)RCV 030 VP，將流入容控箱的流量增大。

圖3 容控箱液位控制模擬圖

圖中，RG401為P調(diào)節(jié)，其控制原理框圖如下圖

圖4 容積控制箱控制簡(jiǎn)化框圖

2.2 DCS平臺(tái)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)

海南昌江核電站的容控箱液位控制在INVENSYS公司的IA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 容控箱液位控制功能圖

其中，I/D是電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的輸入卡件；AINR（AOUTR）是冗余設(shè)置的模擬信號(hào)輸入（輸出）模塊；AIN（AOUT）是IA平臺(tái)軟硬件的輸入（輸出）接口模塊；401RG為IA平臺(tái)軟件的典型的PID調(diào)節(jié)模塊；<表示401RG輸出的上限；>表示401RG輸出的下限；T是手自動(dòng)切換的執(zhí)行模塊，自動(dòng)模式下，選擇INP1作為401RG的輸出，手動(dòng)時(shí)選擇INP2作為輸出；BCALC1/2是跟蹤手動(dòng)模式下的控制值，實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換；401RC為手自動(dòng)操作站。

RCV011MN I/D采集卡采集到IA系統(tǒng)，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送到計(jì)算機(jī)監(jiān)控畫(huà)面（KIC）上實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)AINR模塊獲取采集卡的信息并檢測(cè)信號(hào)有效性，送到PID調(diào)節(jié)模塊（401RG）的測(cè)量端，與KIC上送來(lái)的給定值比較后進(jìn)行比例運(yùn)算，在自動(dòng)控制模式下，通過(guò)AOUTR模塊輸出給RCV030 VP調(diào)節(jié)容控箱液位。若AINR和AOUTR模塊檢測(cè)到信號(hào)無(wú)效，則主控室的手自動(dòng)操作站（401RC）報(bào)警，提醒操作員處理。

3 串級(jí)PID控制在核電站中的應(yīng)用

串級(jí)控制相比單回路控制多了一個(gè)副回路，其抗干擾能力等都優(yōu)于單回路控制，但是串級(jí)控制所需的儀表多，系統(tǒng)復(fù)雜，一般情況下，單回路控制能解決的問(wèn)題，一般不采用串級(jí)控制，因此，核電站中的串級(jí)控制的使用也非常有限，下面以核電站復(fù)雜的串級(jí)PID控制（穩(wěn)壓器水位的串級(jí)控制）為例闡述核電站中串級(jí)控制的實(shí)現(xiàn)。

3.1 核電站復(fù)雜串級(jí)PID控制介紹

如圖6是穩(wěn)壓器水位的串級(jí)控制模擬圖。

圖6 穩(wěn)壓器液位控制模擬圖

該串級(jí)控制包含：

（1）主調(diào)節(jié)器——穩(wěn)壓器水位調(diào)節(jié)器（RCP403RG）

穩(wěn)壓器水位的整定值為反應(yīng)堆冷卻劑溫度的函數(shù)，由冷卻劑的平均溫度和參考溫度（由汽機(jī)壓力得到）計(jì)算而來(lái)。測(cè)量值由RCP007、008和011MN三個(gè)穩(wěn)壓器水位變送器測(cè)量值，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)VT403處理后得到的有效平均值。整定值與測(cè)量值比較后取偏差作為RCP403RG的輸入。RCP403RG為PI型控制器，積分環(huán)節(jié)的作用是消除穩(wěn)態(tài)工況下實(shí)際水位與整定值間的穩(wěn)態(tài)誤差。

RCP403RG的輸出信號(hào)通過(guò)ZO433加上容控箱的下泄流量，得到上充流量的整定值，作為副調(diào)節(jié)器的輸入。該信號(hào)有兩個(gè)可調(diào)的限值，由函數(shù)發(fā)生器GD413實(shí)現(xiàn)：

最小流量限值，以保證再生熱交換器內(nèi)冷卻下泄流的最小上充流量，為的是防止下泄孔板下游出現(xiàn)冷卻劑汽化現(xiàn)象；

最大流量限值，保證運(yùn)行中的上充泵的出口壓力足以能維持反應(yīng)堆冷卻劑泵軸密封流量在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)。

（2）副調(diào)節(jié)器——上充流量調(diào)節(jié)器（RCV404RG）

主調(diào)節(jié)器輸出給定的上充流量，由帶1s滯后的PI控制器RCV404RG調(diào)節(jié)上充流量調(diào)節(jié)閥RCV046VP，達(dá)到調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器水位的目的。其控制原理框圖如圖7。

圖7 穩(wěn)壓器液位控制簡(jiǎn)化框圖

3.2 DCS平臺(tái)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)

穩(wěn)壓器的液位控制也是在INVENSYS公司開(kāi)發(fā)的IA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，如圖8。

圖8 穩(wěn)壓器液位控制功能圖

RCP007/008/009MN水位測(cè)量信號(hào)采集到IA系統(tǒng)，通過(guò)軟件中的開(kāi)發(fā)的選擇模塊AVERGE VOTER實(shí)現(xiàn)三個(gè)值的平均，送水位主調(diào)節(jié)回路作為測(cè)量值，整定值通過(guò)一回路溫度通過(guò)固定的函數(shù)曲線生成，兩者的偏差經(jīng)過(guò)PI運(yùn)算送到副調(diào)節(jié)回路，最終控制穩(wěn)壓器水位。

4 無(wú)擾切換實(shí)現(xiàn)和正反作用設(shè)定

4.1 無(wú)擾切換實(shí)現(xiàn)

這里介紹的無(wú)擾切換主要是手自動(dòng)的無(wú)擾切換，包括手自動(dòng)切換中最終的輸出信號(hào)無(wú)擾動(dòng)以及KIC上設(shè)定值的無(wú)擾動(dòng)切換。

4.1.1 手自動(dòng)切換時(shí)輸出無(wú)擾

以上圖5 RCV401RG為例，自動(dòng)模式下控制器輸出值為INP1，手動(dòng)模式下輸出值為INP2。當(dāng)自動(dòng)模式切換到手動(dòng)模式時(shí)，如果INP1和INP2不等，會(huì)造成PID控制器的輸出跳變，導(dǎo)致執(zhí)行器出現(xiàn)擾動(dòng)現(xiàn)象。

針對(duì)上述問(wèn)題，在功能圖中增加CALCA模塊，如圖9所示。RI01（調(diào)節(jié)器輸出）和RI02（手動(dòng)模式輸入值）都送到該模塊。自動(dòng)模式下，RO01（CALCA模塊的輸出）先跟蹤并記憶RI01的值，而RI01的值為控制器的自動(dòng)輸出INP1，當(dāng)切換到手動(dòng)模式時(shí)，INP2的值為RO01，等于INP1，所以切換是無(wú)擾動(dòng)。而手動(dòng)模式下，INP2的值送到AOUTR后經(jīng)過(guò)BCAL2和BCAL1反饋到401RG調(diào)節(jié)器，使INP1等于INP2，也實(shí)現(xiàn)了無(wú)擾動(dòng)切換。

圖9 自動(dòng)模式到手動(dòng)模式無(wú)擾切換的功能圖

4.1.2 手自動(dòng)切換時(shí)外設(shè)定值無(wú)擾動(dòng)切換

以上圖5 RCV401RG為例。自動(dòng)模式下，系統(tǒng)通過(guò)PID調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，給定值和測(cè)量值之間的偏差基本為0，所以自動(dòng)切手動(dòng)時(shí)，基本是無(wú)擾動(dòng)的。而手動(dòng)模式下，RCV401RG功能被屏蔽，外設(shè)定值無(wú)法修改保持不變，切換到自動(dòng)模式時(shí)，如果手動(dòng)調(diào)節(jié)后測(cè)量值變化較大，兩者之間的偏差將很大，導(dǎo)致擾動(dòng)，同時(shí)，調(diào)節(jié)器RCV404RG將向原設(shè)定值調(diào)節(jié)，操作員輸入目標(biāo)值后向目標(biāo)值調(diào)節(jié)的現(xiàn)象，導(dǎo)致控制量的跳變擾動(dòng)。

解決方法是在整定值輸入前增加CALCA模塊，如圖10所示。CALCA模塊檢測(cè)到手動(dòng)模式時(shí)，外設(shè)定值RO01跟蹤測(cè)量值RI02，在手動(dòng)控制狀態(tài)下，設(shè)定值跟蹤測(cè)量值，即此時(shí)的測(cè)量值RI02可認(rèn)為就是外設(shè)定值，把該值作為此時(shí)的外設(shè)定值，切換到自動(dòng)模式時(shí)不會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)現(xiàn)象。

4.2 PID控制正反作用設(shè)置

對(duì)于反饋系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只有負(fù)反饋才是穩(wěn)定的。負(fù)反饋的判斷依據(jù)是系統(tǒng)開(kāi)環(huán)方法倍數(shù)為負(fù)，即系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)的乘積為負(fù)。所以在控制系統(tǒng)投運(yùn)之前，必須根據(jù)調(diào)節(jié)閥、被控對(duì)象和變送器放大倍數(shù)的正負(fù)，設(shè)定PID控制的正反作用，確保系統(tǒng)為負(fù)反饋系統(tǒng)。正作用是指調(diào)節(jié)器的輸出隨被調(diào)量的增大而增大，調(diào)節(jié)器的增益為“+”，反作用是指調(diào)節(jié)器的輸出隨被調(diào)量的增大而減小，增益為“-”[1]。

參考圖4中容控箱液位控制系統(tǒng)，包含P控制器、三通換向閥、容控箱和液位變送器四個(gè)環(huán)節(jié)，其中

（1）氣動(dòng)三通換向閥（RCV 030 VP）在失氣狀態(tài)下，完全切換到RCV002BA側(cè)；供氣狀態(tài)下，根據(jù)容控箱液位高低在RCV和TEP之間切換；所以對(duì)容控箱來(lái)說(shuō)，等同于氣閉式閥門，為負(fù)作用；

（2）對(duì)于被控對(duì)象容控箱，輸入信號(hào)為RCV 030 VP去容控箱側(cè)的開(kāi)度，輸出信號(hào)為容控箱液位。當(dāng)開(kāi)度變大時(shí)，容控箱的液位升高，所以容控箱為正作用；

（3）液位變送器（RCV011MN）的輸出信號(hào)隨著液位的上升而增大，所以為正作用；

（4）根據(jù)上述3條，可以判斷P控制器RCV401RG為正作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合海南昌江核電站的工程實(shí)踐，對(duì)單回路PID控制器和串級(jí)PID控制器的控制原理和功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，闡述了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。隨著我國(guó)核電事業(yè)的發(fā)展，PID控制器必將在三代核電的開(kāi)發(fā)研究中得到廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)提高核電領(lǐng)域的自動(dòng)控制水平具有一定的推動(dòng)作用。

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