張寧 郭冰 韓立欣 周大勇

?

TMSR硝酸鹽自然循環(huán)回路控制系統(tǒng)設計

張寧1,2郭冰1,2韓立欣1,2周大勇1,2

1（中國科學院上海應用物理研究所嘉定園區(qū) 上海201800）;2（中國科學院核輻射與核能技術重點實驗室 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)及設備的運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測及遠程控制，設計并實現(xiàn)了具有分布式結構的控制系統(tǒng)，并根據(jù)工程實際對其軟件模塊進行了改進。主要包括對過程控制軟件包進行結構優(yōu)化，以提高多通道模式下數(shù)據(jù)傳輸效率；使用PostgreSQL關系型數(shù)據(jù)庫取代本地數(shù)據(jù)存儲方式進行數(shù)據(jù)存檔管理和和查詢；在操作員計算機中更新人機界面軟件以獲得更好的界面效果，配置MATLAB在線驅動接口用于數(shù)據(jù)在線處理。經(jīng)過運行測試表明，此系統(tǒng)可長期有效地支持回路的調試運行，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)定運行等各個方面的性能指標以及未來設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)生的驅動壓頭來驅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)回路的運行原理與結構及實驗相關要求，將系統(tǒng)控制任務劃分為兩部分：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動熔鹽在回路中的循環(huán)運動。具體包括調流量控制器、調壓閥、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機轉速來實現(xiàn)熔鹽溫度冷卻，達到散熱目的。

(3) 用于系統(tǒng)安全運行的聯(lián)鎖保護控制。

(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、雷達液位計以及壓力變送器等。

為便于實驗數(shù)據(jù)的進一步分析研究以及對回路實驗結果評估，控制系統(tǒng)需要提供歷史數(shù)據(jù)的存檔及調用功能，以及數(shù)學分析軟件與實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的接口。

1 NNCL控制系統(tǒng)結構設計

根據(jù)NNCL回路對控制系統(tǒng)的工程實際需求以及相關技術積累，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設備均配置為Linux操作系統(tǒng)。根據(jù)EPICS的系統(tǒng)結構以及參考DCS (Distributed Control System)系統(tǒng)通常的設備功能結構劃分，設計了回路系統(tǒng)設備的三層結構。分別為現(xiàn)場設備層、過程控制層和監(jiān)控管理層。各層間軟件構架及接口圖如圖1所示。

圖1 NNCL 控制系統(tǒng)軟件結構圖

Fig.1 Software diagram of NNCL control system.

最底層為現(xiàn)場設備層，是控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設備的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，分別負責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內存數(shù)據(jù)進行I/O交換，內存數(shù)據(jù)可通過PLC內置服務器被上位機訪問。

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)場設備層PLC內存數(shù)據(jù)的實時I/O操作及發(fā)布管理。為對歷史數(shù)據(jù)進行更安全有效的調用和維護，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關系型數(shù)據(jù)庫模式，并將數(shù)據(jù)庫以服務器形式獨立存放在過程控制層。IOC與PostgreSQL數(shù)據(jù)庫分別運行在兩臺DELL PowerEdge R520機架式服務器中。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)的結構頂層，是操作員與系統(tǒng)的人機操作接口。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)計算機中的人機界面基于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。

基于計算機與設備間通訊連接的可靠性和可擴展性以及設備實際硬件接口配置，系統(tǒng)中各層間通信均采用網(wǎng)絡傳輸方式。計算機和PLC通過DELL PowerConnect 6248交換機接入到局域網(wǎng)中，局域網(wǎng)與外部物理隔離?？刂葡到y(tǒng)設備形成了以交換機為核心的星型網(wǎng)絡拓撲結構。其結構圖如圖2所示。

圖2 NNCL控制系統(tǒng)硬件結構圖

2 NNCL控制系統(tǒng)服務器軟件開發(fā)

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

2.1 IOC軟件設計

IOC軟件實現(xiàn)主要包括橫河PLC的I/O通信驅動開發(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)品通信的驅動包netDev，其中yew目錄內包含了EPICS多種記錄支持(Record Support)模塊，common目錄包含設備支持(Device Support)模塊及驅動。一般情況下，只要通過IOC標準模塊創(chuàng)建soft IOC，然后對netDev源碼編譯并調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運行機制中，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入被EPICS內核實時掃描的記錄隊列中。考慮到多通道連接下IOC驅動執(zhí)行效率，如果使用單線程驅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。在軟件設計中，對IOC的支持模塊結構進行重新設計，主要通過雙線程驅動分別對兩組隊列記錄并行掃描處理，經(jīng)過重新設計后的IOC驅動結構如圖3所示。

圖3 采用雙線程并行處理IOC驅動結構圖

圖4 雙線程與單線程驅動處理多個PV效率對比圖

為驗證經(jīng)過重新設計的IOC支持模塊中驅動程序執(zhí)行效率，分別對IOC驅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類型記錄后驅動執(zhí)行速度，記錄掃描頻率為1 Hz。由圖4可得，當記錄數(shù)量大于300時，驅動程序執(zhí)行效率明顯降低。與單隊列模式相比，經(jīng)過優(yōu)化設計的雙隊列并行處理模式驅動執(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驅動結構可以穩(wěn)定運行。

2.2 PostgreSQL及IOC接口引擎開發(fā)

從存檔數(shù)據(jù)可靠性和風險分散性原則考慮，在控制系統(tǒng)結構設計中將PostgreSQL數(shù)據(jù)庫從操作員計算機中獨立出來，單獨配置于過程控制層中具有更高可靠性的機架式服務器中，上層應用程序通過網(wǎng)絡接口對數(shù)據(jù)庫進行讀寫操作。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數(shù)據(jù)表以及表之間的鏈路關系。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)表結構與鏈路關系如圖5所示。

圖5 PostgreSQL中數(shù)據(jù)表關系結構圖

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)庫運行的存檔服務器中配置運行RDB ChannelArchiver[9]軟件包，由于此軟件包是以OPI計算機中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)軟件結構如圖6所示。

在圖6存檔系統(tǒng)中，ArchiveConfigTool通過setting.ini和Config.xml文件分別設置與CA server和數(shù)據(jù)庫連接的相關設置，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變量通過對應的連接通道映射進入數(shù)據(jù)庫中存檔。數(shù)據(jù)庫通過網(wǎng)絡服務模式，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)軟件結構

3 人機界面開發(fā)及系統(tǒng)測試

人機界面開發(fā)目標是在監(jiān)控管理層的OPI計算機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人機界面及MATLAB數(shù)據(jù)庫接口。并在此基礎之上利用此界面程序進行系統(tǒng)測試。

基于CSS的人機界面采用分層顯示的設計。主界面在NNCL總體結構圖中顯示主要傳感器數(shù)據(jù)及回路總體運行狀態(tài)。主界面中不同設備標識可鏈接到該設備二級控制界面。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)庫的驅動接口。斯坦福大學開發(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行EPICS環(huán)境下適用于MATLAB的相關配置及編譯安裝，之后導入軟件庫的路徑中即可調用從IOC中讀取實時數(shù)據(jù)的庫函數(shù)。PostgreSQL也提供了供外部應用程序訪問的JDBC接口驅動。將此驅動加載到MATLAB的驅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人機界面能否正確顯示在線數(shù)據(jù)和各部分運行狀態(tài)，以及通過歷史數(shù)據(jù)曲線查看系統(tǒng)長期運行的可靠性。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 結語

NNCL的控制系統(tǒng)采用分布式設計并結合EPICS系統(tǒng)構架，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驅動程序的優(yōu)化設計，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)運行產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫服務器中，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一步提高RDB ChannelArchiver的讀寫效率[11]。利用基于CSS的人機界面以及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實驗和研究提供了技術保障。

1 Qualls A L, Cetiner M S, Wilson Jr T L. Advanced high-temperature reactor dynamic system model development[G]. ORNL/TM-2012/174

2 Zhou T, Peng C H, Wang Z H,. Application of grey model on analyzing the passive natural circulation residual heat removal system of HTR-10[J]. Nuclear Science and Techniques, 2008, 19(5): 308?313

3 Wang X, Lyu Q, Sun X,. A modular design of a direct reactor auxiliary cooling system for AHTRs[J]. Transactions of the American Nuclear Society, 2011, 104: 1077?1080

4 江綿恒, 徐洪杰, 戴志敏. 未來先進核裂變能—TMSR核能系統(tǒng)[J]. 中國科學院院刊, 2012, 27(3): 366?374. DOI: 10.3969/j.issn.1000-3045.2012.03.016

JIANG Mianheng, XU Hongjie, DAI Zhimin. Advanced fission energy program-TMSR nuclear energy system[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2012, 27(3): 366?374. DOI: 10.3969/j.issn.1000-3045.2012.03.016

5 林超, 蔡創(chuàng)雄, 王凱, 等. 硝酸鹽自然循環(huán)回路空冷塔性能分析[J]. 核技術, 2014, 37(12): 120601. DOI: 10. 11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.120601

LIN Chao, CAI Chuangxiong, WANG Kai,. Performance analysis of the air cooling tower for nitrate natural circulation loop[J]. Nuclear Techniques, 2014, 37(12): 120601. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37. 120601

6 Kraimer M R, Anderson J B, Johnson A N,. EPICS application developer’s guide[DB/OL]. http://www.aps. anl.gov/epics, 2010

7 Kay K, Gabriele C. Control system studio guide[DB/OL]. http://cs-studio.sourceforge.net/docbook/index.html, 2015

8 韓利峰, 陳永忠, 周大勇, 等. HTS熔鹽實驗回路分布式控制系統(tǒng)設計[J]. 核技術, 2013, 36(9): 090603. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.090603

HAN Lifeng, CHEN Yongzhong, ZHOU Dayong,. Design of the distributed control system for HTS molten salt test loop[J]. Nuclear Techniques, 2013, 36(9): 090603. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.090603

9 Chen Y S, Kuo C H, Chen J,. Implementation of the EPICS data archive system for the TPS project[C]. Proceedings of IPAC2013, Shanghai, China, 2013

10 Marsching S, Huttel E, Klein M,. First experience with the MATLAB middle layer at anka[C]. Proceedings of ICALEPCS2011, Grenoble, France, 2011

11 Hu Z, Mi Q R, Zhen L F,. EPICS data archiver at SSRF beamlines[J]. Nuclear Science and Techniques, 2014, 25(2): 020103. DOI: 10.13538/j.1001-8042/nst.25. 020103

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

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

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

周大勇，E-mail: zhoudayong@sinap.ac.cn

2015-01-20，

2015-04-22