李勤偉

（三門核電有限公司，浙江 臺(tái)州 317112）

某核電一期工程共建設(shè)兩臺(tái)單機(jī)容量為1250MW的先進(jìn)三代壓水堆核電機(jī)組，電站的控制系統(tǒng)采用全數(shù)字化的Ovation儀控系統(tǒng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)，Ovation系統(tǒng)在組態(tài)過(guò)程中采用了眾多的默認(rèn)配置，如時(shí)序控制和跟蹤配置等。通常情況下，這些默認(rèn)配置既方便了組態(tài)人員的組態(tài)工作，又簡(jiǎn)化了邏輯的復(fù)雜度，讓電廠的儀控工作者讀起來(lái)更加通俗易懂[1]。但對(duì)于一些復(fù)雜的控制邏輯，即使組態(tài)人員已經(jīng)引起足夠的重視，難免還是會(huì)存在某些潛在的風(fēng)險(xiǎn)不被發(fā)現(xiàn)，對(duì)數(shù)字化核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。本文將對(duì)Ovation控制系統(tǒng)中的跟蹤及無(wú)擾切換問(wèn)題進(jìn)行深入研究。

1 跟蹤功能介紹

智能跟蹤功能是Ovation系統(tǒng)中特有的一項(xiàng)先進(jìn)控制特點(diǎn)。跟蹤過(guò)程可定義為：對(duì)控制系統(tǒng)中不受控部分與控制系統(tǒng)中的受控部分的協(xié)調(diào)排列。Ovation系統(tǒng)中的跟蹤功能是通過(guò)在算法之間發(fā)送跟蹤信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。這些信號(hào)告訴上行算法是否處于跟蹤模式以及下行算法需要什么值才可實(shí)現(xiàn)當(dāng)前輸出[2]。

圖1 閥位偏置控制簡(jiǎn)圖Fig.1 Valve position bias control diagram

圖2 閥位指令未實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換歷史趨勢(shì)Fig.2 Valve position instruction does not achieve the historical trend of undisturbed switching

Ovation系統(tǒng)在組態(tài)時(shí)采用系統(tǒng)默認(rèn)配置的形式對(duì)跟蹤進(jìn)行配置，例如當(dāng)使用PID控制器時(shí)，PID下游的信號(hào)線將同時(shí)被配置成包含上行信號(hào)流信號(hào)線，組態(tài)人員可以對(duì)跟蹤信號(hào)進(jìn)行手動(dòng)配置。信號(hào)通過(guò)算法塊時(shí)，跟蹤值通過(guò)正常算法功能的逆運(yùn)算生成。Ovation系統(tǒng)的模擬量信號(hào)一般是實(shí)線的形式，如果配置了跟蹤，將會(huì)顯示成虛線形式[3]。

2 Ovation系統(tǒng)的跟蹤方案問(wèn)題分析

2.1 典型實(shí)例

為了防止汽輪機(jī)低壓缸葉片腐蝕和提高電廠效率，汽水分離再熱器（MSR）通過(guò)自身的分離器對(duì)汽輪機(jī)高壓缸排汽進(jìn)行除濕，然后又通過(guò)自身的加熱器對(duì)除濕后的蒸汽進(jìn)行加熱，通過(guò)兩級(jí)再熱后其出口蒸汽成為過(guò)熱蒸汽，再去往汽輪機(jī)低壓缸做功。為了提高加熱效率，MSR設(shè)計(jì)了一級(jí)再熱器和二級(jí)再熱器的兩級(jí)結(jié)構(gòu)，二級(jí)再熱器的加熱蒸汽來(lái)自主蒸汽，并通過(guò)溫度調(diào)節(jié)閥及其旁路閥進(jìn)行控制。本文所探討的跟蹤問(wèn)題，主要以此二級(jí)加熱蒸汽的溫控閥的控制為實(shí)例。

在汽機(jī)負(fù)荷≥10%，且已進(jìn)入PI自動(dòng)控制時(shí)，當(dāng)MSR出口的再熱蒸汽溫度或低壓缸入口蒸汽溫度瞬時(shí)變化幅度超過(guò)28℃（時(shí)間窗口150s）或變化速率超過(guò)設(shè)定值56℃/h（時(shí)間窗口為300s）時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生閥門偏置信號(hào)，此時(shí)閥門開度信號(hào)被保持，并在此基礎(chǔ)上增加閥門偏置信號(hào)。出現(xiàn)閥位偏置之后的控制簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中，RLIM1和RLIM2模塊為用戶自定義速率限制器模塊，PI模塊為比例積分控制模塊。

具體試驗(yàn)過(guò)程如下：

1）將閥位指令調(diào)節(jié)到50%閥位。

2）模擬SV等于PV，PI控制器處于自動(dòng)控制模式。

3）模擬低壓缸入口蒸汽溫度從常溫到145℃。

4）此時(shí)偏置值信號(hào)OV出現(xiàn)非0值，開關(guān)量偏置信號(hào)OVC被置為1。

5）正如上文所述，此時(shí)PI控制器切手動(dòng)，跟蹤加法器后的DMD值，RLIM1處于HOLD模式，RLIM1出口閥位信號(hào)保持，RLIM2投自動(dòng)，將偏置值從0～OV值以0.1%/s的速率變化，與RLIM1出口閥位信號(hào)相加作為閥位指令DMD。

6）正常情況下當(dāng)經(jīng)過(guò)300s后，偏置值OV變?yōu)?，開關(guān)量偏置信號(hào)OVC被置為0，此時(shí)PI控制器切自動(dòng)其輸出依然為所跟蹤的值，HOLD信號(hào)消失，RLIM1的輸出由PI模塊的T信號(hào)實(shí)現(xiàn)跟蹤等于上一時(shí)刻的閥位指令DMD，RLIM2的AUTO信號(hào)消失，RLIM2的輸出值等于T值等于0。

7）因此，最終的閥位指令DMD保持不變，實(shí)現(xiàn)溫控閥從偏置模式到PI自動(dòng)控制模式的無(wú)擾切換。

但實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，閥位指令并未實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換，而是直接從當(dāng)前值切換到RLIM1的HOLD模式時(shí)所保持的值，即50%閥位（歷史趨勢(shì)如圖2所示）。若汽水分離再熱器在正常的工況過(guò)程中，閥位如此快速地切換，將會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果。

2.2 問(wèn)題分析

為保證從閥門的偏置控制模式切換到PI自動(dòng)控制模式的順滑，已對(duì)PI控制器配置了跟蹤功能，即出現(xiàn)偏置指令OVC時(shí)，PI控制器一直跟蹤閥位指令DMD。但為什么OVC指令消失時(shí)，跟蹤功能反而消失了，且變成速率限制器RLIM1的HOLD的值。可以推斷問(wèn)題很有可能是出在速率限制器RLIM1上。速率限制器RLIM模塊為用戶自定義宏模塊，其詳細(xì)邏輯圖如圖3所示。

2.2.1 宏模塊RLIM解析

宏模塊RLIM內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。下面對(duì)該模塊內(nèi)的算法模塊及功能進(jìn)行介紹：

1）D DOWN RATE LIMIT，速率限制器的變化率低設(shè)定值。

2）U UPPER RATE LIMIT，速率限制器的變化率高設(shè)定值。

3）S input SIGNAL，輸入信號(hào)。

4）T TRACKING SIGNAL，AUTO信號(hào)切換時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換。

5）A auto mode，自動(dòng)控制模式。

圖3 一代RLIM宏模塊內(nèi)部詳細(xì)邏輯圖Fig.3 Generation RLIM Macro module internal detailed logic diagram

圖4 二代改進(jìn)RLIM宏模塊內(nèi)部詳細(xì)邏輯圖Fig.4 2 Generation improved RLIM Macro module internal detailed logic diagram

6）Y 速率限制器RLIM宏模塊的最終輸出值。

7）H hold模式，‘A’=1且‘H’=1時(shí)，Y=Yold。

8）RALM模塊（Rate Limit），OVATION自帶的速率限制器模塊，這個(gè)模塊無(wú)手自動(dòng)和HOLD模式切換功能。

9）第一切換模塊T1，在AUTO信號(hào)切換過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換。

10）第二切換模塊T2，當(dāng)HOLD信號(hào)為1時(shí)，實(shí)現(xiàn)保持功能。

2.2.2 故障分析

AUTO和HOLD模塊切換過(guò)程中的過(guò)程分析如下：

1）AUTO信號(hào)為0、且HOLD信號(hào)為0或?yàn)?時(shí)，切換模塊T1和T2的切換條件均為0，輸出信號(hào)Y=T，RALM模塊自動(dòng)跟蹤T信號(hào)。

2）AUTO信號(hào)為1，且HOLD信號(hào)為1時(shí)，切換模塊T1和T2的切換條件均為1，輸出信號(hào)Y保持在HOLD信號(hào)由0變1時(shí)刻的Y值，T1和RALM模塊自動(dòng)實(shí)現(xiàn)跟蹤。

3）AUTO信號(hào)為1，且HOLD信號(hào)為0時(shí)，切換模塊T1切換條件為1、切換模塊T2切換條件為0，Y=RALM模塊輸出。

4）本文實(shí)例AUTO信號(hào)為常數(shù)1，HOLD信號(hào)為1時(shí)，根據(jù)2）小節(jié)的分析，RALM模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤并保持在HOLD信號(hào)由0變1時(shí)刻的值Y0，當(dāng)HOLD切換為0時(shí)，RALM繼續(xù)輸出Y0。

綜上所述，RLIM宏模塊是在原Ovation速率限制器模塊RALM的功能上增加了手自動(dòng)切換及跟蹤功能、HOLD保持功能、上下速率限制器選擇功能等。為實(shí)現(xiàn)在跟蹤模式時(shí)RALM模塊切換過(guò)程中的無(wú)擾功能，對(duì)第一切換模塊T1進(jìn)行了虛線跟蹤配置；為在HOLD模式時(shí)RALM能跟蹤HOLD模式輸出值，第二切換模塊T2也配置了虛線跟蹤。

從圖1可知，閥位偏置控制系統(tǒng)中的RLIM1模塊主要用到了該速率限制器的HLOD保持功能，并未對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行速率限制。結(jié)合圖3，當(dāng)HOLD信號(hào)為1時(shí)，第二切換模塊T2實(shí)現(xiàn)當(dāng)前值的自保持，此時(shí)RALM模塊自動(dòng)跟蹤了下游HOLD模式所保持的值。此時(shí)即使給S輸入信號(hào)配置了跟蹤信號(hào)（將最終閥位DMD信號(hào)賦值給此信號(hào)），但當(dāng)HOLD信號(hào)消失后，RALM模塊直接跟蹤下游HOLD模式所保持的值，導(dǎo)致RLIM1宏模塊外部配置的跟蹤信號(hào)無(wú)效，并最終導(dǎo)致模式切換時(shí)閥門開度大幅度跳變。

2.2.3 分析總結(jié)

從上述分析可得出以下3點(diǎn)結(jié)論：

1）本實(shí)例的跟蹤問(wèn)題邏輯缺陷的根本原因?yàn)樗俾氏拗破髂KRLIM1內(nèi)部已經(jīng)配置了默認(rèn)跟蹤，且默認(rèn)跟蹤的優(yōu)先級(jí)比外部帶信號(hào)線的跟蹤優(yōu)先級(jí)高。

2）圖3中Ovation自帶的RALM速率限制器模塊由于其模塊特性，若存在模式切換時(shí)，必須配合Ovation自帶的默認(rèn)跟蹤算法使用，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換功能。

3 解決方案

在OVATION組態(tài)過(guò)程中，為避免出現(xiàn)跟蹤邏輯切換過(guò)程中的沖突，最常見的手段就是刪除OVATION自帶的默認(rèn)跟蹤方案，采用拉實(shí)線的跟蹤方案。且一代用戶自定義宏模塊RLIM中的RALM模塊默認(rèn)使用OVATION自帶的默認(rèn)跟蹤功能。因此，無(wú)法再使用該模塊作為基礎(chǔ)模塊來(lái)搭建RLIM宏模塊。面對(duì)這種切換條件眾多的情況，OVATION中有一個(gè)矩陣功能塊，該模塊既能簡(jiǎn)化上述RLIM宏模塊的復(fù)雜的模式切換功能，又能通過(guò)拉實(shí)線的跟蹤方案，避免出現(xiàn)上述跟蹤功能的沖突。詳細(xì)方案如圖4所示，二代RLIM宏模塊內(nèi)部詳細(xì)邏輯圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前數(shù)字化儀控在國(guó)內(nèi)在建核電站和將要批準(zhǔn)的核電站的應(yīng)用已是大勢(shì)所趨。而從傳統(tǒng)模擬電路的邏輯設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成數(shù)字化控制邏輯的過(guò)程中不可避免會(huì)出現(xiàn)眾多因?yàn)檗D(zhuǎn)化接口定義不清晰而出現(xiàn)的問(wèn)題。本文以傳統(tǒng)模擬量電路邏輯轉(zhuǎn)化到數(shù)字化OVATION控制平臺(tái)的邏輯時(shí)出現(xiàn)的跟蹤邏輯組態(tài)策略探討為契機(jī)，詳細(xì)分析出現(xiàn)故障的根本原因，并提出解決方案，為后續(xù)傳統(tǒng)模擬量控制核電廠的數(shù)字化控制升級(jí)和新建核電廠的數(shù)字化控制系統(tǒng)的調(diào)試提供借鑒。此外還有以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：

1）改用數(shù)字化系統(tǒng)后，增加了組態(tài)的靈活性，但也讓控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，增加了組態(tài)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。特別是存在調(diào)用宏模塊的組態(tài)時(shí)，需要多關(guān)注宏模塊里隱形的一些信息，如自動(dòng)跟蹤信號(hào)等。

2）對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的邏輯，建議多使用傳統(tǒng)邏輯圖里的搭線的跟蹤方式，避免出現(xiàn)跟蹤邏輯沖突的情況。