張寧 郭冰 韓立欣 周大勇

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TMSR硝酸鹽自然循環(huán)回路控制系統(tǒng)設(shè)計

張寧1,2郭冰1,2韓立欣1,2周大勇1,2

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所嘉定園區(qū) 上海201800）;2（中國科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點實驗室 上海201800）

為了對硝酸鹽自然循環(huán)回路(Nitrate Natural Circulation Loop, NNCL)的各子系統(tǒng)及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測及遠(yuǎn)程控制，設(shè)計并實現(xiàn)了具有分布式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，并根據(jù)工程實際對其軟件模塊進(jìn)行了改進(jìn)。主要包括對過程控制軟件包進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提高多通道模式下數(shù)據(jù)傳輸效率；使用PostgreSQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫取代本地數(shù)據(jù)存儲方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存檔管理和和查詢；在操作員計算機(jī)中更新人機(jī)界面軟件以獲得更好的界面效果，配置MATLAB在線驅(qū)動接口用于數(shù)據(jù)在線處理。經(jīng)過運(yùn)行測試表明，此系統(tǒng)可長期有效地支持回路的調(diào)試運(yùn)行，并為實驗人員提供研究所需的實驗數(shù)據(jù)及控制途徑。

自然循環(huán)回路，EPICS，在線監(jiān)測，分布式控制系統(tǒng)

非能動衰變熱排出功能[1?3]是反應(yīng)堆非能動安全系統(tǒng)的重要組成部分，是確保事故條件下反應(yīng)堆停堆狀態(tài)堆芯失去主動冷卻后，溫度不超過限值的有效手段。中國科學(xué)院釷基熔鹽堆(Thorium-based Molten Salt Reactor, TMSR)[4]的NNCL實驗回路就是模擬反應(yīng)堆中用于非能動衰變熱排出的輔助冷卻系統(tǒng)(Direct Reactor Auxiliary Cooling System, DRACS)的運(yùn)行模式，通過分析系統(tǒng)流動、換熱等特性，來研究和解決非能動衰變熱排出系統(tǒng)在待命、啟動、啟動時間、穩(wěn)定運(yùn)行等各個方面的性能指標(biāo)以及未來設(shè)計中可能遇到的問題，并驗證安全分析和熱工水力計算方法在熔鹽上的適用性和準(zhǔn)確性。

NNCL實驗回路[5]主要由加熱器、熔鹽池、熔鹽儲罐、熱交換器(Draft Heat Exchanger, DHX and Natural Draft Heat Exchanger, NDHX)、空冷塔、膨脹罐和連接管道等組成。其主要原理是通過熱流段和冷流段的流體密度差產(chǎn)生的驅(qū)動壓頭來驅(qū)動回路中熔鹽的自然循環(huán)，從而將熱量通過循環(huán)系統(tǒng)帶到空冷塔中，再由空氣自然對流排入大氣。根據(jù)回路的運(yùn)行原理與結(jié)構(gòu)及實驗相關(guān)要求，將系統(tǒng)控制任務(wù)劃分為兩部分：加熱控制和中央控制。

加熱控制主要實現(xiàn)回路中熔鹽的溫度控制，為模擬將熔鹽熱量通過回路循環(huán)帶入空冷塔冷卻的整個實驗過程提供全程溫度在線監(jiān)測與控制。具體包括儲罐加熱、加熱器加熱、試驗段加熱、管路伴加熱、循環(huán)泵加熱以及對回路中各部分溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集。

中央控制是除加熱控制以外其他各項控制的統(tǒng)稱，主要包括以下部分：

(1) 熔鹽循環(huán)控制：主要是在氣路中，通過控制氣體流速和壓力來驅(qū)動熔鹽在回路中的循環(huán)運(yùn)動。具體包括調(diào)流量控制器、調(diào)壓閥、氣動閥控制以及壓力傳感器數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。

(2) 模擬散熱控制：主要在空冷塔中通過控制散熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)熔鹽溫度冷卻，達(dá)到散熱目的。

(3) 用于系統(tǒng)安全運(yùn)行的聯(lián)鎖保護(hù)控制。

(4) 其它反映回路各部分狀態(tài)的信息監(jiān)測，如超聲波流量計、雷達(dá)液位計以及壓力變送器等。

為便于實驗數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析研究以及對回路實驗結(jié)果評估，控制系統(tǒng)需要提供歷史數(shù)據(jù)的存檔及調(diào)用功能，以及數(shù)學(xué)分析軟件與實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的接口。

1 NNCL控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)NNCL回路對控制系統(tǒng)的工程實際需求以及相關(guān)技術(shù)積累，功能實現(xiàn)主要基于EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System)[6]分布式控制系統(tǒng)來完成。系統(tǒng)中所有PC設(shè)備均配置為Linux操作系統(tǒng)。根據(jù)EPICS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及參考DCS (Distributed Control System)系統(tǒng)通常的設(shè)備功能結(jié)構(gòu)劃分，設(shè)計了回路系統(tǒng)設(shè)備的三層結(jié)構(gòu)。分別為現(xiàn)場設(shè)備層、過程控制層和監(jiān)控管理層。各層間軟件構(gòu)架及接口圖如圖1所示。

圖1 NNCL 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Software diagram of NNCL control system.

最底層為現(xiàn)場設(shè)備層，是控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備的I/O接口，主要為兩組橫河(YOGOGAWA)AF-3M型可編程邏輯控制器(Program Logic Controller, PLC)組件，分別負(fù)責(zé)加熱控制與中央控制I/O?；芈分懈鞣N傳感器及控制器根據(jù)類型不同與對應(yīng)PLC卡件模塊相連接并將實時數(shù)據(jù)存儲在模塊寄存器中，CPU模塊以統(tǒng)一時鐘將卡件寄存器數(shù)據(jù)與CPU內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行I/O交換，內(nèi)存數(shù)據(jù)可通過PLC內(nèi)置服務(wù)器被上位機(jī)訪問。

過程控制層是整個分布式控制系統(tǒng)中間層及核心，主要作用是通過IOC (Input/Output Controller)實現(xiàn)與現(xiàn)場設(shè)備層PLC內(nèi)存數(shù)據(jù)的實時I/O操作及發(fā)布管理。為對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行更安全有效的調(diào)用和維護(hù)，將數(shù)據(jù)存檔方式從channel archiver[7]的本地文件存檔模式升級為PostgreSQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫模式，并將數(shù)據(jù)庫以服務(wù)器形式獨(dú)立存放在過程控制層。IOC與PostgreSQL數(shù)據(jù)庫分別運(yùn)行在兩臺DELL PowerEdge R520機(jī)架式服務(wù)器中。PostgreSQL數(shù)據(jù)庫通過ArchiveEngine數(shù)據(jù)庫引擎將IOC發(fā)布的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史存檔，并通過指定的模式對外部提供歷史數(shù)據(jù)訪問。

監(jiān)控管理層作為EPICS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)頂層，是操作員與系統(tǒng)的人機(jī)操作接口。由于CSS(Control System Studio)軟件包與之前回路[8]中使用的EDM (Extensible Display Manager)面板相比，具有更豐富的插件功能及對歷史數(shù)據(jù)庫的接口支持，因此在OPI (Operator Interface)計算機(jī)中的人機(jī)界面基于CSS實現(xiàn)。主要包括實時數(shù)據(jù)監(jiān)控界面、控制命令發(fā)布界面以及歷史數(shù)據(jù)讀取界面開發(fā)。針對回路實驗人員對于數(shù)據(jù)處理的需求，在監(jiān)控管理層還需實現(xiàn)MATLAB在線獲取實時及存檔數(shù)據(jù)的途徑。

基于計算機(jī)與設(shè)備間通訊連接的可靠性和可擴(kuò)展性以及設(shè)備實際硬件接口配置，系統(tǒng)中各層間通信均采用網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。計算機(jī)和PLC通過DELL PowerConnect 6248交換機(jī)接入到局域網(wǎng)中，局域網(wǎng)與外部物理隔離。控制系統(tǒng)設(shè)備形成了以交換機(jī)為核心的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 NNCL控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 NNCL控制系統(tǒng)服務(wù)器軟件開發(fā)

NNCL控制系統(tǒng)軟件開發(fā)任務(wù)主要是實現(xiàn)Linux開發(fā)環(huán)境下EPICS系統(tǒng)的服務(wù)器級應(yīng)用程序及設(shè)備軟件間的I/O通信接口。包括IOC底層驅(qū)動與實時數(shù)據(jù)庫、PostgreSQL歷史數(shù)據(jù)庫及其與IOC接口引擎ArchiveEngine。

2.1 IOC軟件設(shè)計

IOC軟件實現(xiàn)主要包括橫河PLC的I/O通信驅(qū)動開發(fā)以及實時數(shù)據(jù)庫的配置。橫河提供了EPICS環(huán)境下與其PLC產(chǎn)品通信的驅(qū)動包netDev，其中yew目錄內(nèi)包含了EPICS多種記錄支持(Record Support)模塊，common目錄包含設(shè)備支持(Device Support)模塊及驅(qū)動。一般情況下，只要通過IOC標(biāo)準(zhǔn)模塊創(chuàng)建soft IOC，然后對netDev源碼編譯并調(diào)用其生成的描述文件yew.dbd和common.dbd即可實現(xiàn)與PLC的I/O通訊。

在回路系統(tǒng)中，I/O通訊的變量共計630個，主要為AI/AO類型，如表1所示。根據(jù)工程實際要求，進(jìn)行周期掃描數(shù)據(jù)更新的頻率為1 Hz。

表1 傳感器及控制變量

在EPICS運(yùn)行機(jī)制中，所有聲明的實時數(shù)據(jù)庫記錄在初始化時都會被注冊而進(jìn)入被EPICS內(nèi)核實時掃描的記錄隊列中?？紤]到多通道連接下IOC驅(qū)動執(zhí)行效率，如果使用單線程驅(qū)動掃描所有記錄的隊列，將會降低IOC與PLC數(shù)據(jù)傳輸效率，甚至可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)延遲或丟失。因此，在實時數(shù)據(jù)庫配置中，將I/O變量對應(yīng)的記錄按照不同PLC的數(shù)據(jù)來源劃分為兩組隊列，分別在兩個substitution記錄文件中聲明。在軟件設(shè)計中，對IOC的支持模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，主要通過雙線程驅(qū)動分別對兩組隊列記錄并行掃描處理，經(jīng)過重新設(shè)計后的IOC驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 采用雙線程并行處理IOC驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖

圖4 雙線程與單線程驅(qū)動處理多個PV效率對比圖

為驗證經(jīng)過重新設(shè)計的IOC支持模塊中驅(qū)動程序執(zhí)行效率，分別對IOC驅(qū)動在單隊列記錄處理模式與經(jīng)過優(yōu)化后的雙線程并行處理模式進(jìn)行不同PV數(shù)量情況下的I/O變量在每個掃描周期讀取速度測試。測試結(jié)果如圖4所示。

圖4中橫軸表示PV數(shù)量，縱軸表示每次掃描ai類型記錄后驅(qū)動執(zhí)行速度，記錄掃描頻率為1 Hz。由圖4可得，當(dāng)記錄數(shù)量大于300時，驅(qū)動程序執(zhí)行效率明顯降低。與單隊列模式相比，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的雙隊列并行處理模式驅(qū)動執(zhí)行效率明顯提高。經(jīng)過連續(xù)測試表明，采用雙隊列并行處理的IOC驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 PostgreSQL及IOC接口引擎開發(fā)

從存檔數(shù)據(jù)可靠性和風(fēng)險分散性原則考慮，在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中將PostgreSQL數(shù)據(jù)庫從操作員計算機(jī)中獨(dú)立出來，單獨(dú)配置于過程控制層中具有更高可靠性的機(jī)架式服務(wù)器中，上層應(yīng)用程序通過網(wǎng)絡(luò)接口對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫操作。為了與IOC實時數(shù)據(jù)庫的PV變量存儲格式兼容，在數(shù)據(jù)庫中建立了EPICS記錄中各種域的對應(yīng)數(shù)據(jù)表以及表之間的鏈路關(guān)系。主要包括采樣引擎、采樣模式、狀態(tài)定義、通道、通道組別、通道信息、采樣數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)數(shù)組、通道狀態(tài)、報警等級以及保留信息等，其數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)與鏈路關(guān)系如圖5所示。

圖5 PostgreSQL中數(shù)據(jù)表關(guān)系結(jié)構(gòu)圖

為建立IOC中CA server與PostgreSQL之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，需要在數(shù)據(jù)庫運(yùn)行的存檔服務(wù)器中配置運(yùn)行RDB ChannelArchiver[9]軟件包，由于此軟件包是以O(shè)PI計算機(jī)中CSS插件形式存在，因此需要將其源代碼從CSS源碼包中提取，在存檔服務(wù)器的Eclipse IDE開發(fā)工具中配置JDK (Java Development Kit)環(huán)境，并在此環(huán)境中對RDB ChannelArchiver的java源碼包進(jìn)行編譯，分別生成用于通道連接的引擎程序ArchiveEngine與通道配置工具ArchiveConfigTool?；诖艘鎸崿F(xiàn)的PV數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

在圖6存檔系統(tǒng)中，ArchiveConfigTool通過setting.ini和Config.xml文件分別設(shè)置與CA server和數(shù)據(jù)庫連接的相關(guān)設(shè)置，以及把PV變量映射為數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)的連接通道及通道數(shù)據(jù)刷新模式。對于AI與AO類型PV變量，需要詳細(xì)記錄其變化過程，因此數(shù)據(jù)存檔采用1 Hz頻率的周期性掃描方式，即sample模式；而BO與BI則只在數(shù)值發(fā)生變化時存檔，即monitor模式。ArchiveEngine在啟動后將IOC發(fā)布的PV變量通過對應(yīng)的連接通道映射進(jìn)入數(shù)據(jù)庫中存檔。數(shù)據(jù)庫通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式，可將數(shù)據(jù)發(fā)布到上層CSS中的Data Browser插件或MATLAB中。

圖6 NNCL數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3 人機(jī)界面開發(fā)及系統(tǒng)測試

人機(jī)界面開發(fā)目標(biāo)是在監(jiān)控管理層的OPI計算機(jī)中為操作員提供界面友好、功能全面的數(shù)據(jù)顯示及命令發(fā)布操作界面。主要包括實現(xiàn)CSS人機(jī)界面及MATLAB數(shù)據(jù)庫接口。并在此基礎(chǔ)之上利用此界面程序進(jìn)行系統(tǒng)測試。

基于CSS的人機(jī)界面采用分層顯示的設(shè)計。主界面在NNCL總體結(jié)構(gòu)圖中顯示主要傳感器數(shù)據(jù)及回路總體運(yùn)行狀態(tài)。主界面中不同設(shè)備標(biāo)識可鏈接到該設(shè)備二級控制界面。各二級界面主要包括熔鹽池、膨脹罐、儲罐、管路、空冷塔、中控連鎖、NDHX、氣罐以及各部分加熱控制界面等幾部分。此外人機(jī)界面還包括基于Data Browser插件的歷史數(shù)據(jù)庫瀏覽界面。主界面及儲罐控制二級界面見圖7和8。

圖7 NNCL控制系統(tǒng)CSS OPI主界面

圖8 NNCL控制系統(tǒng)CSS儲罐界面

開發(fā)MATLAB數(shù)學(xué)分析軟件在線數(shù)據(jù)處理功能，主要是實現(xiàn)與IOC實時數(shù)據(jù)庫及PostgreSQL歷史數(shù)據(jù)庫的驅(qū)動接口。斯坦福大學(xué)開發(fā)了MATLAB及SCILAB與IOC的接口函數(shù)庫LabCA[10]，對該庫的配置文件進(jìn)行EPICS環(huán)境下適用于MATLAB的相關(guān)配置及編譯安裝，之后導(dǎo)入軟件庫的路徑中即可調(diào)用從IOC中讀取實時數(shù)據(jù)的庫函數(shù)。PostgreSQL也提供了供外部應(yīng)用程序訪問的JDBC接口驅(qū)動。將此驅(qū)動加載到MATLAB的驅(qū)動接口列表及路徑中，可實現(xiàn)在MATLAB中使用命令行對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的連接及數(shù)據(jù)讀取功能。

系統(tǒng)測試主要是通過觀察CSS人機(jī)界面能否正確顯示在線數(shù)據(jù)和各部分運(yùn)行狀態(tài)，以及通過歷史數(shù)據(jù)曲線查看系統(tǒng)長期運(yùn)行的可靠性。圖9顯示了利用Data Browser獲取到空冷塔加熱功率及溫度變化的歷史數(shù)據(jù)，圖9中曲線從上到下依次為熱交換器加熱效率設(shè)定、實測功率及兩組實測溫度，圖10顯示MATLAB獲取空冷塔三個不同位置測量的傳感器溫度曲線。

圖9 空冷塔加熱功率及溫度變化

圖10 在空冷塔不同位置測量的溫度變化曲線

4 結(jié)語

NNCL的控制系統(tǒng)采用分布式設(shè)計并結(jié)合EPICS系統(tǒng)構(gòu)架，建立起對整個回路在線監(jiān)測與命令發(fā)布的統(tǒng)一管理平臺。經(jīng)過對IOC驅(qū)動程序的優(yōu)化設(shè)計，提高了I/O通訊的傳輸效率；通過RDB ChannelArchiver數(shù)據(jù)庫接口，將系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，采用雙寫入線程并增加“上傳線程”以“乒乓”切換方式控制兩個寫入線程可以進(jìn)一步提高RDB ChannelArchiver的讀寫效率[11]。利用基于CSS的人機(jī)界面以及MATLAB軟件很好地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在線監(jiān)測、查詢及分析功能。這為回路后續(xù)的非能動衰變熱排出的相關(guān)實驗和研究提供了技術(shù)保障。

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Design of nitrate natural circulation loop control system in TMSR

ZHANG Ning1,2GUO Bing1,2HAN Lixin1,2ZHOU Dayong1,2

1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China);2(Key Laboratory of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China)

Background: Nitrate natural circulation loop (NNCL) is one of experimental platform in thorium-based molten salt reactor (TMSR), which was designed to study the heat transfer behavior and corrosion behavior of direct reactor auxiliary cooling system (DRACS). Purpose: This study aims to implement a distributed control system (DCS) with functionalities of system control, online state monitor and experimental data acquisition in NNCL. Methods: An experimental physics and industrial control system (EPICS) based distributed control system was designed for this project. An optimized support module structure was designed for I/O operation with low-level PLCs to improve the performance of input/output controller (IOC) runtime database, and a PostgreSQL database was employed for data archive by RDB ChannelArchiver. A control system studio (CSS) interface and MATLAB was implemented in operator interface (OPI) computers, for visual operation and experimental data calculation. Results: Testing for online operation and history data acquisition in OPI interface proved that the control system satisfied all requirements of NNCL control and state monitor with long-term effective. Conclusion:The system could provide efficient and reliable routine for online operation and would well support advanced study of DRACS on this NNCL platform.

NNCL, EPICS, On-line monitoring, DCS

TL99，TL362+.5

TL99, TL362+.5

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.070401

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(No.XDA02050100)資助

張寧，男，1980年出生，2012年于中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所獲博士學(xué)位，研究領(lǐng)域為反應(yīng)堆儀控系統(tǒng)和加速器束流診斷

周大勇，E-mail: zhoudayong@sinap.ac.cn

2015-01-20，

2015-04-22