何靖蕓，李 程，華志剛，單福昌

(中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司,湖北 武漢 430223)

核電廠使用的汽輪機控制系統(tǒng)在驗收時需要進行邏輯測試，但由于沒有實際信號接入，大部分信號只能依靠工程師站強制賦值，其余少部分包括汽輪機轉(zhuǎn)速等相關(guān)信號也是由儀表進行較為簡單的模擬，這種測試能涉及的控制部分內(nèi)容較少，且過多的強制量也降低了測試的可信度。鑒于此，通過模擬仿真的方式研究開發(fā)了一套“華龍一號”機組的汽輪機仿真系統(tǒng)，它包括了工藝系統(tǒng)模型、汽輪機控制邏輯模型、人機界面和IO通信接口。工藝系統(tǒng)模型與汽輪機控制邏輯構(gòu)成控制閉環(huán)，通過將工藝系統(tǒng)模型接入汽輪機控制邏輯，構(gòu)建的汽輪機仿真系統(tǒng)既能夠滿足儀控方面對汽輪機控制邏輯測試驗證的需求，也可以被用于操作人員培訓及故障再現(xiàn)分析等工作。

1 全模擬仿真系統(tǒng)建模

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

設(shè)計開發(fā)汽輪機模擬仿真系統(tǒng)的軟件均為國內(nèi)自主研發(fā)的軟件，這些軟件多次成功應(yīng)用于核電廠全范圍模擬機及其他仿真項目，軟件穩(wěn)定可靠，能滿足仿真建模的需求。

全模擬的汽輪機仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，其中汽輪機控制邏輯仿真模型與人機界面基于同一平臺開發(fā)，二者共用數(shù)據(jù)庫；系統(tǒng)工藝仿真模型采用SimES設(shè)計開發(fā)，其支撐軟件使用SimBase，是整個工藝系統(tǒng)的底層環(huán)境；教練員站所使用的軟件為SimIS，它具有復位IC、運行、暫停、回溯、插入故障等功能。工藝模型與汽機邏輯及二層界面通過接口通訊程序進行交互通訊，組成閉環(huán)的仿真汽輪機控制系統(tǒng)。

圖1 汽輪機仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the steam turbine simulation system

1.2 工藝模型系統(tǒng)設(shè)計

工藝模型開發(fā)是在rinsim 2.0仿真平臺上，以汽輪機相關(guān)系統(tǒng)為對象，通過ESD工程師站建立仿真模型。

1)首先在ESD中建立汽機相關(guān)仿真系統(tǒng)目錄樹，根據(jù)項目統(tǒng)一仿真系統(tǒng)命名方式，在ESD資源庫目錄下建立起相關(guān)仿真系統(tǒng)目錄樹。

2)在各個仿真系統(tǒng)中增加流程圖，主要是根據(jù)核電廠系統(tǒng)設(shè)計資料流程圖進行流網(wǎng)節(jié)點圖的劃分和建立，并對流程圖中每個部件、節(jié)點、管道輸入其提供的設(shè)計參數(shù)。

3)建模完成后，通過編譯、鏈接、導入IC和調(diào)試，并與其他仿真系統(tǒng)進行聯(lián)合調(diào)試，最終生成一套完整的汽輪機仿真系統(tǒng)。

4)建立對點表，把汽輪機模型與控制系統(tǒng)連接起來，用以實現(xiàn)兩部分的實時通訊，以滿足各個工況的響應(yīng)。

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

對汽輪機一層控制邏輯進行仿真建模的具體仿真方法如下：

在某軟件中建立“華龍一號”機組仿真項目。在仿真項目下根據(jù)汽輪機廠控制系統(tǒng)劃分仿真系統(tǒng)，具體包括保護系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、汽輪機輔助控制系統(tǒng)、MSR控制系統(tǒng)及發(fā)電機控制系統(tǒng)，其中保護系統(tǒng)分為故障安全和非故障安全兩部分，共6個站。

在各個仿真控制站中，根據(jù)汽輪機廠提供的控制邏輯圖、接線點表等文件，通過從算法庫中拖曳部件至仿真圖并進行相應(yīng)部件接線，以及設(shè)置相關(guān)部件參數(shù)的方式，完成汽輪機控制邏輯的仿真建模。

建模完成后，通過編譯、生成各個控制站的任務(wù)，使整個項目能啟動運行。該仿真系統(tǒng)控制邏輯運行效果如圖2所示。

圖2 汽輪機仿真系統(tǒng)控制邏輯運行效果圖Fig.2 The operation effect of logic control of the stream turbine simulation system

1.4 仿真人機界面設(shè)計

仿真人機界面(Level 2)是以汽輪機廠實際二層畫面為仿真對象進行建模完成的。首先，需要對獲取的實際二層畫面中各個元素進行分類，包括閥門、泵、調(diào)閥、按鈕等不同的設(shè)備，頁面中的模擬量、報警、曲線等顯示元素，以及菜單欄的報警列表、前進后退等功能性元素，并將這些元素分別制作為部件模板。每張二層畫面圖對應(yīng)不同的圖形文件，建模時針對畫面中不同狀態(tài)的顯示變化和部分設(shè)備點擊時彈出的控制頁面為各個元素配置動態(tài)屬性參數(shù)或操作事件參數(shù)。

人機界面仿真運行軟件通過調(diào)用二層組態(tài)圖并實時從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)，能形象且實時的對二層界面進行模擬。仿真系統(tǒng)的二層人機界面運行效果如圖3所示。

圖3 汽輪機仿真系統(tǒng)人機界面運行效果圖Fig.3 The operation effect of HMI of the stream turbine simulation system

1.5 系統(tǒng)間接口

將各個系統(tǒng)進行集成，各系統(tǒng)之間接口如圖4所示。其中由于汽輪機二層人機界面與一層控制邏輯均使用同一平臺開發(fā)，二者共用一個數(shù)據(jù)庫，因此不另設(shè)接口。

圖4 汽輪機各仿真系統(tǒng)間接口Fig.4 Simulation of the steam turbine interface

汽輪機一層控制系統(tǒng)與工藝系統(tǒng)的接口主要包含工藝系統(tǒng)上行至DEH的傳感器信號和設(shè)備反饋信號，汽輪機一層控制系統(tǒng)的下行命令信號以及教控臺發(fā)出的操作指令信號。系統(tǒng)間接口通過通訊程序來實現(xiàn)，使用TCP/IP協(xié)議，由于工藝系統(tǒng)與汽輪機控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，在通訊中對數(shù)據(jù)類型進行了轉(zhuǎn)換。

2 汽輪機控制系統(tǒng)驗證

在汽輪機系統(tǒng)出廠前，為確保軟件方面控制功能的可行性，需進行邏輯測試。但是由于大量信號缺乏來源，依靠強制及簡單機器給值，造成測試范圍不夠全面，在現(xiàn)場仍需花費大量時間調(diào)試的情況。本文使用汽輪機仿真系統(tǒng)對汽機控制系統(tǒng)的邏輯功能進行驗證，可以提前完成大量現(xiàn)場調(diào)試工作，減輕現(xiàn)場負擔。下面將介紹控制系統(tǒng)的主要任務(wù)與邏輯驗證的過程與結(jié)果。

2.1 系統(tǒng)介紹

汽輪機組控制系統(tǒng)由汽機控制系統(tǒng)，保護系統(tǒng)，監(jiān)視系統(tǒng)，診斷系統(tǒng)及供油系統(tǒng)組成。其主要控制任務(wù)大致分為閉環(huán)控制，開環(huán)控制，監(jiān)視與保護汽機，具體內(nèi)容如下：

1)開環(huán)控制：供油控制，疏水控制，抽氣控制，盤車控制，MSR疏水系統(tǒng)，再熱器疏水系統(tǒng)；

2)閉環(huán)控制：轉(zhuǎn)速、負荷控制，閥門自動實驗，甩負荷控制，MSR暖機控制，軸封蒸汽控制；

3)監(jiān)視：熱應(yīng)力，振動位移，轉(zhuǎn)速負荷，溫度的監(jiān)視；

4)保護：超速保護，電子保護以及汽機遮斷系統(tǒng)。

汽輪機需要在安全，合適的時間啟動，以滿足核電廠可能的最短啟動時間與高可用性的經(jīng)濟要求。汽輪機控制系統(tǒng)的任務(wù)就是使汽輪機和所有需要啟動的輔助系統(tǒng)安全、可靠地完成停機狀態(tài)與發(fā)電運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，即汽輪機的啟動與停止。

整體汽輪機控制涉及13個系統(tǒng)，300多臺設(shè)備，由于需要監(jiān)視的測點過多、啟停步驟復雜，為了提高機組的啟停機速率、規(guī)避人因失誤風險，“華龍一號”機組的汽輪機控制系統(tǒng)引入了順控邏輯。在滿足一步的狀態(tài)后自動觸發(fā)下一步相應(yīng)動作指令，檢測是否獲得合適的反饋并判定何時進行下一步操作，其中僅需要操作員進行部分確認操作，大大簡化了操作的步驟流程。順控邏輯包含汽輪機啟動停止，閥門實驗，油泵實驗，MSR疏水系統(tǒng)啟停等十多個自動控制邏輯。

2.2 邏輯驗證

控制系統(tǒng)的邏輯驗證是從單系統(tǒng)到多系統(tǒng)，從閥門、按鈕的可操作性到整體系統(tǒng)功能，從小規(guī)模順控到汽輪機啟停的大順控依次進行的，其流程如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)邏輯驗證流程Fig.5 Logic verification process of control system

首先利用開發(fā)的通訊程序?qū)⒎抡婀に囅到y(tǒng)的模型信號接入控制系統(tǒng)，其中包含部分汽機外系統(tǒng)的參數(shù)。在進行單系統(tǒng)測試時會將待測系統(tǒng)以外的工藝系統(tǒng)凍結(jié)，僅測試單系統(tǒng)中設(shè)備及控制邏輯；測試完成后進行多系統(tǒng)測試，驗證中系統(tǒng)功能的測試根據(jù)汽輪機相關(guān)測試需求完成。由于順控需要整體系統(tǒng)有比較完備的狀態(tài)，所以在系統(tǒng)控制部分測試完成后，會使用汽機甩負荷等特殊工況驗證當前的汽輪機仿真模型狀態(tài)與真實汽輪機系統(tǒng)相符合程度，確認模型能滿足核電廠調(diào)試與邏輯驗證的需求，最后再進行順控測試。在后續(xù)的順控測試中，以汽輪機廠提供的相關(guān)順控資料為依據(jù)進行測試。

在多系統(tǒng)的功能測試中，以操作員測試規(guī)程為依據(jù)，分系統(tǒng)進行。對系統(tǒng)中進行操作后未獲得應(yīng)有反應(yīng)、反應(yīng)時間異常、出現(xiàn)報警過多或報警出現(xiàn)未有對應(yīng)反應(yīng)等異常情況，從二層界面向下查找對應(yīng)邏輯，在具體定位問題后進行調(diào)整。

下面以汽輪機啟動的大順控為例，介紹對順控邏輯的驗證過程。該邏輯首先進行各個閥門狀態(tài)、氫冷、油泵、汽輪機輔助系統(tǒng)等各系統(tǒng)檢查，檢查無誤后由操作員確認蒸汽品質(zhì)，汽機開始從盤車狀態(tài)進行沖轉(zhuǎn)，至390 r/min時需經(jīng)操作員進行機組摩擦檢查，隨后繼續(xù)沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速1515 r/min，此后經(jīng)過并網(wǎng)操作，汽輪機帶上50 MW初負荷，啟動順控結(jié)束。驗證中關(guān)注汽輪機能否利用順控一鍵啟機，中途是否有文件中未列出但需操作員操作的步驟，邏輯的搭建與銜接能否完成所需功能等。

2.3 驗證結(jié)果

在前期的功能性測試中發(fā)現(xiàn)了以下幾類問題：

1)邏輯取反錯誤。因為汽輪機廠的邏輯測試中大部分信號由對應(yīng)頁面中工程師站強制賦值得到，存在一些開關(guān)輸入量因頁面跳轉(zhuǎn)中多次取反，最終獲得錯誤狀態(tài)的問題。

2)閥門或泵設(shè)備的反饋與行程時間問題。由于沒有實際或模擬設(shè)備的接入，汽輪機廠為測試方便直接將控制模塊的開關(guān)命令接入設(shè)備的反饋，導致設(shè)備行程時間的缺失，狀態(tài)改變時出現(xiàn)開關(guān)反饋同時存在的報警。

3)邏輯連線錯誤。部分控制邏輯連線缺失或與頁面說明不符合，致使無法出現(xiàn)預(yù)期響應(yīng)。

4)參數(shù)有誤?？刂茍D中給定參數(shù)與定制手冊中不符合或參數(shù)設(shè)置不合理，如邏輯圖中限值與設(shè)備資料不匹配的情況。

功能性測試完成后，進行典型工況測試。圖6是汽輪機甩負荷至廠用電的工況，該工況顯示控制系統(tǒng)對功率與轉(zhuǎn)速的控制與設(shè)計數(shù)據(jù)相符合，說明該汽輪機仿真系統(tǒng)，能滿足核電廠調(diào)試與邏輯驗證的需求，有比較好的狀態(tài)，可以進行后續(xù)順控邏輯的驗證。

圖6 汽輪機甩負荷工況Fig.6 Load rejection condition of the steam turbine

在順控功能的測試中主要發(fā)現(xiàn)了以下幾類問題：

1)缺乏小型順控資料。在汽輪機廠給出的資料中，缺乏一些小規(guī)模順控的具體說明，當這部分順控出現(xiàn)問題時操作員無法進行合適的響應(yīng)。

2)部分需要操作員手動進行的操作未寫入資料。對比資料與邏輯圖發(fā)現(xiàn)一些邏輯圖中顯示需要手動進行的操作未寫入資料中，致使順控無法進行。

3)邏輯錯誤。在查找順控中出現(xiàn)的異常問題中，發(fā)現(xiàn)部分過程邏輯前后存在矛盾，或連接有誤，或錯用了“與”和“或”等部件，造成順控結(jié)束后未達到需求效果或順控卡在后續(xù)對結(jié)果的檢查步驟。

利用汽輪機仿真模擬系統(tǒng)，對驗證過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行了及時的反饋與修正，完成了整體汽輪機功能與順控功能的調(diào)試，這說明了該系統(tǒng)具備對汽輪機邏輯功能驗證的能力，體現(xiàn)了驗證工作的必要性。

3 總結(jié)

本文采用全模擬方式建立了“華龍一號”機組汽輪機的仿真系統(tǒng)并利用該系統(tǒng)對汽輪機廠的控制邏輯進行了驗證，汽輪機控制模型依據(jù)汽機設(shè)計資料建模，在仿真系統(tǒng)中完成了所有分系統(tǒng)功能與順控的調(diào)試，調(diào)試后的系統(tǒng)已經(jīng)可以完成全部順控功能。通過邏輯驗證，將發(fā)現(xiàn)的問題反饋給汽輪機廠，使其可以提前進行控制邏輯的調(diào)整與修改，減輕現(xiàn)場調(diào)試的負擔。

本文對整體仿真系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)方法與驗證流程做了簡要闡述，該方法可以在實際設(shè)備未到位時提前對控制邏輯進行驗證，大大減少了現(xiàn)場調(diào)試的時間及困難，尤其適合有復雜控制邏輯的系統(tǒng)。不僅如此，該仿真系統(tǒng)還可以用于人員運行、維護的培訓，以及工程分析及驗證等方面，有推廣應(yīng)用的價值。