韓利峰 陳永忠 周大勇 尹聰聰 郭 冰 黃國慶 張福春

（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

HTS熔鹽實驗回路分布式控制系統(tǒng)設計

韓利峰 陳永忠 周大勇 尹聰聰 郭 冰 黃國慶 張福春

（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

實驗物理和工業(yè)控制系統(tǒng)(EPICS)是大型物理實驗裝置常用的分布式控制系統(tǒng)軟件。本文將EPICS引入到反應堆相關過程工藝控制領域，詳細分析了釷基熔鹽堆專項(TMSR)——硝酸鹽熔(HTS)實驗回路控制系統(tǒng)的基本設計思想和結構特點，通過HTS實驗回路實現(xiàn)EPICS控制系統(tǒng)的操作。完成S7 PLC硬件驅動程序規(guī)范格式的改造，使其滿足對Autosave、devIocState等插件的支持；完成ASYN和StreamDevice軟件包在DTI-1000參考數(shù)字溫度指示器串口設備通訊中的應用；完成EDM界面程序修改和熔鹽流動、風機和熔鹽泵轉動等的Dynamic Symbols 動態(tài)控件的構建等。經工程實踐證明，EPICS控制系統(tǒng)可以滿足以加熱控制、變頻控制以及溫度、流量、壓力等測量為主熔鹽回路的控制要求，能夠準確、美觀地顯示過程量的變化，在整個系統(tǒng)的可靠性分析和測試方面還需作進一步工作。

硝酸鹽熔(HTS)實驗回路，EPICS，PLC，控制系統(tǒng)

EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)是用于大型科學裝置控制系統(tǒng)軟件開發(fā)和運行的軟件工具集?；诳梢浦残院透叻€(wěn)定性(基于EPICS的客戶端/服務器模式分布式網絡控制系統(tǒng))，在諸如LANL、ANL、CERN、DESY、SLAC[1?4]、合肥光源[5]、中國科學院高能物理研究所BEPCII、上海第三代同步輻射光源[6]等100多個大型科研項目的控制系統(tǒng)的研制中被廣泛采用。

中國科學院上海應用物理研究所承擔的釷基熔鹽堆專項(TMSR)計劃在五年內建設四個大型熔鹽試驗回路，通過研究熔鹽的熱工水力特性、掌握熔鹽回路的設計和運行，最終完成釷基熔鹽堆的設計、建設任務。

TMSR戰(zhàn)略性先導科技專項的第一個熔鹽試驗回路——硝酸鹽(HTS)熔鹽熱工試驗回路，是一個具有完整的預熱與加料、加熱、循環(huán)和散熱功能的系統(tǒng)，在這個過程工藝控制為特點的熔鹽堆項目上，應用EPICS分布式控制系統(tǒng)軟件，將為TMSR項目控制系統(tǒng)的搭建積累建設經驗。

1 HTS熔鹽回路控制系統(tǒng)簡介

HTS熔鹽回路控制系統(tǒng)需要控制熔鹽儲罐、熔鹽管道電伴加熱，保證熔鹽熔化；啟動加料泵將熔鹽注入上端循環(huán)回路；啟動循環(huán)泵驅動熔鹽在循環(huán)回路循環(huán)流動，并且控制主加熱器加熱模擬堆芯不斷為熔鹽提供熱量；調節(jié)散熱器風機轉速，模擬換熱過程。并在此過程中持續(xù)監(jiān)測各設備溫度、循環(huán)回路流量、壓差以及罐體液位等數(shù)據(jù)。HTS熔鹽熱工實驗回路系統(tǒng)組成如圖1所示。

根據(jù)HTS熔鹽熱工實驗回路結構，可以把控制系統(tǒng)分為：儲罐加熱控制；主加熱器加熱控制；試驗段加熱控制；管路電伴加熱控制；循環(huán)泵加熱控制；加料泵和循環(huán)泵運轉控制；溫度、流量、液位監(jiān)測；散熱器風機控制和連鎖保護等子系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)如下功能：

(1) 與加熱控制機柜的西門子S7300 PLC通信，實現(xiàn)儲罐、主加熱器、循環(huán)罐和所有熔鹽管道的預熱和保溫控制。包括回路設備預熱溫度、熔鹽制備溫度控制。控制系統(tǒng)向DCS系統(tǒng)發(fā)出的啟動、停止、控制等操作命令，接受(DCS)加熱器處于運行、停止、超溫、互鎖狀態(tài)等信號。

(2) 與運行數(shù)據(jù)控制機柜橫河(PLC)通信，實現(xiàn)相連熱電偶、熔鹽流量計、空氣流量計、液位計、壓力傳感器等的數(shù)據(jù)采集。檢測回路系統(tǒng)的溫度、液位、流量、壓力等，并監(jiān)控系統(tǒng)故障。

(3) 客戶端用戶管理、時間同步、共享數(shù)據(jù)存儲等功能，使控制室終端可使用相同用戶登錄，修改共享文件，以及同步機器時鐘。

(4) 提供用戶友好界面，系統(tǒng)分層清晰簡潔，操作人員容易掌握，能動態(tài)顯示熱工實驗流程。

(5) 提供加熱系統(tǒng)、循環(huán)泵等的連鎖界面，顯示連鎖狀態(tài)，提供旁路和解鎖功能。

圖1 HTS熔鹽熱工實驗回路系統(tǒng)組成Fig.1 HTS molten salt thermal experimental loop system structure.

2 HTS熔鹽回路控制系統(tǒng)設計

EPICS IOC(Input Output Controller)核心是一個常駐內存的分布式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，每個數(shù)據(jù)通道作為數(shù)據(jù)庫的一個記錄存放在控制該通道的IOC中，每個記錄中的值可以來自硬件設備輸出、操作員命令或者其他記錄的輸出，所有的過程控制功能也基本上在動態(tài)數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)。

通過建立在TCP/IP協(xié)議上的Channel Access通道訪問機制實現(xiàn)了Channel Access客戶端(CAC)和Channel Access服務器(CAS)間的網絡數(shù)據(jù)通信(圖2)。

圖2 HTS熔鹽試驗回路的軟件結構Fig.2 Software structure of the HTS molten salt test loop.

CA客戶端包括HMI (Human Machine Interface)、ALH (Alarm Handler)和Archive Viewer。HMI是運行在客戶端的操作員接口界面程序，最常用的HMI程序是EDM，HTS試驗回路利用EDM作為用戶界面的創(chuàng)建和執(zhí)行引擎；ALH實現(xiàn)對異常報警的監(jiān)控以及對報警細節(jié)管理；Channel Archive及Viewer是共同實現(xiàn)EPICS IOC所有在線實時動態(tài)數(shù)據(jù)的存儲和查詢的程序。其他軟件工具包Error Log和AutoSave分別實現(xiàn)IOC故障狀態(tài)檢測和IOC控制參量存貯與自動恢復。

由圖3，硬件結構大致分為操作員界面(OPI)、運行數(shù)據(jù)庫、PLC控制機柜、現(xiàn)場設備。OPI層采用PC機(Centos 6 Linux)遠程監(jiān)測和控制設備狀態(tài)，PC機上運行EPICS EDM工具設計的用戶操作界面，并以大屏幕液晶電視屏作為擴展；控制終端的數(shù)據(jù)來自EPICS IOC運行數(shù)據(jù)庫層(DELL PowerEdge R410/Centos 6 linux)，EPICS IOC軟件包分別實現(xiàn)與西門子S7-300 PLC、橫河FA-M3型PLC及高精度熱電偶測溫儀DTI-1000聯(lián)接的串口服務器的通信；設備層通過西門子S7-300 PLC實現(xiàn)加熱控制，通過橫河FA-M3型PLC實現(xiàn)儀器儀表等標準電壓/電流信號監(jiān)控。

圖3 HTS控制系統(tǒng)硬件結構Fig.3 Structure of the HTS molten salt thermal test loop control system.

3 EPICS IOC硬件驅動

HTS實驗回路控制系統(tǒng)擁有控制量約480個，其中bi(bit input)和ai(analog input)占約60%，bo(bit output)和ao(analog output)占約30%，其他計算所得中間變量占約10%(表1)。數(shù)據(jù)來源主要是西門子PLC和橫河PLC的通訊模塊，少量數(shù)據(jù)來自高精度熱電偶測溫儀DTI-1000相連的串口服務器NPort5410(圖4，控制系統(tǒng)記錄的儲罐第一次升溫過程高精度熱電偶溫度數(shù)據(jù)和加熱器電流數(shù)據(jù))。軟件方面的任務主要集中在數(shù)據(jù)庫文件的編寫、接口驅動的實現(xiàn)以及用戶操作界面的編寫，下面主要就EPICS與PLC及串口服務器的通訊實現(xiàn)進行介紹。

圖4 HTS回路儲罐升溫溫度和加熱器電流Fig.4 Monitoring temperature and the current data of the molten salt tank.

表1 運行數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)類型及來源點數(shù)分布Table1 The points distribution of data types and sources.

3.1與可編程邏輯控制器PLC通信

EPICS IOC與西門子S7系列PLC通訊使用SLS開發(fā)的驅動程序，該驅動是基于TCP/IP服務器/客戶端模式的通訊協(xié)議。在使用過程中，對IOC驅動程序結構進行了調整，使其目錄結構符合EPICS標準應用模板的格式。標準化后的IOC不僅能方便數(shù)據(jù)庫文件的管理、驅動程序的版本維護、相關開發(fā)人員的閱讀，還能實現(xiàn)EPICS工具包插件的加載(如Autosave和devIocState：Autosave實現(xiàn)IOC重啟過程中控制量保存和再加載，devIocState實現(xiàn)EPICS IOC狀態(tài)的遠程監(jiān)控)[7]。

建立標準格式的IOC，首先通過makeBaseApp.pl生成一個IOC實例的應用目錄和IOC啟動目錄，有*App、configure、iocBoot和Makefile等[8,9]。Makefile包含了所有的規(guī)則和目標，因源文件編譯規(guī)則較多，故每個目錄中都有自己的Makefile文件，主Makefile逐級調用下層Makefile。IOC實例中最主要的為*App應用目錄(本例中為s7plcAPP)，其包含源文件目錄src和數(shù)據(jù)庫db目錄。src目錄由設備支持(device support)和設備驅動(device drivers)等程序文件組成。db目錄主要包含IOC實例各記錄的定義。src目錄中Makefile首先建立s7plcSupport庫文件，s7plcSupport動態(tài)庫由s7plc的設備支持程序、設備驅動程序和EPICS_BASE_IOC庫生成。然后建立s7plc IOC應用，s7plc_registerRecordDeviceDriver.cpp主要實現(xiàn)記錄支持程序、設備支持程序和驅動支持程序之間的接口，它由s7plc IOC總的數(shù)據(jù)庫定義文件s7plc.dbd生成?？偟臄?shù)據(jù)庫定義文件由base.dbd、s7plcBase.dbd、s7plcCalcout.dbd、s7plcReg.dbd、sSupport.dbd等構成[10,11]。

在IOC的啟動腳本中，s7plc驅動的配置函數(shù)為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)。

運行數(shù)據(jù)庫紀錄實例為：

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")

}

圖5顯示了運行經由驅動讀到的數(shù)據(jù)塊與數(shù)據(jù)庫紀錄之間的數(shù)位匹配關系。

3.2 EPICS與串口通信

StreamDevice是一個通用的"字節(jié)流"接口設備的EPICS設備支持。設備通過發(fā)送和接收的字符串來控制。這種類型的通信接口如串行線(RS-232，RS-485，...)、IEEE-488(也稱GPIB或HP-IB)和telnet的TCP/IP[12,13]。

圖5 EPICS記錄與PLC數(shù)據(jù)塊的數(shù)位對應關系Fig.5 Correspondence between the EPICS records and the PLC data blocks

如圖6所示，HTS熔鹽試驗回路現(xiàn)場使用兩臺JOFRA DTI-1000參考數(shù)字溫度指示器和四個JOFRA STS高精度溫度探頭，作為其他熱電偶的溫度校正。其中DTI-1000采用串口通訊，現(xiàn)場使用串口服務器MOXA NP4510把兩臺溫度指示器連接到EPICS IOC服務器，并使用MOXA npreal驅動將其影射為本地TTY串口。EPICS IOC與本地影射串口間通信使用StreamDevice驅動包實現(xiàn)。DTI串口命令為ASCII碼‘b’，返回數(shù)據(jù)九個字節(jié)，包括通訊命令’b’、浮點數(shù)溫度值一、值二。

圖6 DTI-1000參考溫度指示器與EPICS通訊結構Fig.6 Communication realization between DTI-1000 reference temperature indicator and EPICS

StreamDevice通訊協(xié)議文件為：

MaxInput = 9; ＃讀取的字節(jié)數(shù)

ReadT{

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

}

數(shù)據(jù)記錄定義文件為：

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")

}

按照通訊協(xié)議，驅動輸入'b'與串口DTI設備進行通訊，將第一個大端(Big Endian)浮點數(shù)溫度數(shù)據(jù)傳遞給Temp1，將第二個大端(Big Endian)浮點數(shù)溫度數(shù)據(jù)傳遞給Temp2。

4 用戶操作界面

根據(jù)HTS熔鹽試驗回路以溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)作為被控變量的過程控制特點，利用EDM界面設計程序“Auto make symbol”功能(圖7)，制作流動、風機轉動、泵運轉等動態(tài)控件(Dynamic Symbols)。并通過修改EDM程序，使動態(tài)控件幀播放速度受PV變量控制。通過簡單直觀的圖形動畫的形式，增強了人機界面的顯示效果。

圖7 HTS 試驗回路的控制系統(tǒng)EDM主界面Fig.7 Main control system EDM operator interface of the HTS test loop.

5 結語

EPICS沒有應用于核能項目的經驗，國際熱核聚變實驗反應堆項目確定以 EPICS作為分布式控制系統(tǒng)的軟件基礎，我們希望在過程工藝控制為特點的熔鹽堆項目上應用EPICS分布式控制系統(tǒng)軟件。在設計過程中，對軟件結構進行了規(guī)劃，完成了包括網絡配置、服務器配置、硬件接口通信、報警、歷史數(shù)據(jù)記錄、操作界面設計等。通過HTS熔鹽回路控制系統(tǒng)的調試和運行，證明基于EPICS的軟件設計能實現(xiàn)熔鹽試驗一回路完整的預熱與加料、加熱、循環(huán)和散熱功能，完成熔鹽介質在不同工況下的熱工水力參數(shù)的測定。在這個過程中我們對驅動程序進行了標準化，一方面是實現(xiàn)對autosave等標準插件的支持，另一方面也為IOC冗余配置作準備，我們希望在軟件安全可靠性方面作進一步的研究。同時也實現(xiàn)了串行接口設備與EPICS的數(shù)據(jù)交換，并通過圖形動畫控件的設計增強了用戶操作界面的顯示效果。

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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

韓利峰，男，1981年出生，2009年于中國科學院上海應用物理研究所獲博士學位，反應堆控制系統(tǒng)

陳永忠，E-mail: chenyongzhong@sinap.ac.cn

2013-07-22，

2013-08-10