核电站DCS系统中调节阀的控制研究及改进

摘要 目前我国核电事业正在高速发展，与此同时数字化技术也在飞速发展，鉴于DCS系统（分散控制系统）具有模拟量控制系统无法比拟的优越性，其在核电站中的应用越来越广泛。目前国内在建的百万千瓦级核电站仪控系统都是采用的全数字化DCS系统。而调节阀在DCS系统中属于比较复杂的控制对象，本文以中核集团承建的福清、方家山项目为背景，重点介绍了DCS中调节阀无扰切换的控制逻辑和人机接口方案，同时也提出了方案中存在的突出问题及其改进建议。

关键词 核电站； DCS 调节阀； 无扰切换

中图分类号TM623 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）112-0084-02

0 引言

福清一期和方家山项目是中核集团旗下的中国核电工程有限公司第一批总承包的项目，并且采用的是全数字化DCS系统。该项目中DCS平台是由英国INVENSYS公司的安全级TRICON系统、非安全级IA系统和法国ATOS公司的ADACS_N系统构成。

TRICON和IA构成了DCS的一层，即自动控制和保护层，负责电厂不同工艺监视系统的信号调制和处理。其中TRCON主要完成与安全相关的功能，如反应堆跳闸逻辑、专设安全设施驱动等；IA主要完成非安全相关的控制逻辑处理和信号传输；ADACS_N系统构成了DCS的二层，即操作和信息管理层. 使操作员能够操作电厂，并监督电厂状态。

1 POT对象

方福项目中DCS系统一层和二层是不同厂家的平台，这样就意味着需要建立两个平台间的数据链接机制，该项目中这两个平台的数据传输是基于FOXAPI协议。

基于FOXAPI通讯协议的一、二层数据传输是通过工程对象块（PROJECT OBJECT TYPE，简称POT）来完成的，在项目中有很多种POT类型，如开关量（Binary input）、模拟量（Analog input）、手动阀（Manual valve）、电动阀（Block valve）、执行器（BinaryActuator），调节阀（Loop control valve）、电磁阀（Solenoid valve）、切换器（Selector）、 多重命令块（Multi equipment commands）等几大类。每一类对象又可以根据具体的特性分为几种小类，各个类所需要的数据信息以及相应的操作命令是根据相应的系统逻辑图模拟图相关文件来配置定义的。一层送往二层的信息以及二层送往一层的命令都需要通过相应POT对象的配置来传输完成。

而调节阀在所有的过程对象中是比较复杂的控制对象。对于此类对象，一层往二层送的数据信息有调节器输出值、调节器设定值、控制模式、全开、全关等信息。二层发往一层的命令有开、关、输入设定值、增减、模式选择等操作。而对调节阀的控制操作中，各个调节模式之间的无扰切换是比较容易出问题的环节。

2 调节阀的控制分析

调节阀的调节模式分为自动模式（包括了内给定模式、外给定模式）和手动模式。本文不再详细介绍调节阀的基本控制原理，重点分析在方福项目中这几种模式的原切换控制方案中的问题和改进后的切换控制方案。

2.1自动模式切手动模式

1）原方案：原调节器的控制中，手动模式下的手动开度输入值无法自动跟踪调节器的输出值。自动模式切为手动模式时，由于手动输入值跟切换时调节器的输出值不一致，可能会出现扰动现象；

2）解决方案：为了能够达到无扰切换的目的，在调节器的输出侧增加了一个CALCA功能块，详见图1：

图1 改进后自动切手动功能图

从图中可以看出，RI01（调节器输出）和RI02（手动模式下操作员的输入）都送到该功能块中。在自动切到手动时，RO01（功能块的输出）一直等于RI01（调节器输出），所以阀门的控制信号没有变化，只有当一层检测到RI02手动模式下操作员的输入信号发生了改变，即操作员输入了新的手动开度输入值时，该功能块的输出由RI01变为RI02，整个过程实现了无扰切换。这里需要说明的是由于此方案的无扰切换是在一层完成，对二层没有任何修改。

2.2手动模式切自动模式

2.2.1 手动模式切外给定模式

1）原方案：原调节器的控制中，虽然原功能图中由BCALCI/BCALCO引脚实现了跟踪功能。但是由于手动切为自动模式时（ATOS设计中手动模式下外设定值不能进行修改），外设定值还得需要操作员手动输入进行修改，这样就会造成模式切换瞬间，调节器先向原设定值进行调节，在操作员输入目标值后又向目标值调节，可能会存在扰动现象。

2） 解决方案：为了达到无扰切换，在调节器输入侧增加了一个CALCA功能块，详见图2：

图2 改进后手动切外给定功能图

此功能块完成的功能是在手动模式下，外设定值跟踪测量值，调节器的设定值同时送到二层进行显示。这样由于设定值和测量值是相等的，当从手动切换到自动模式时，切换瞬间调节器理论上会保持在原位，之后操作员可以手动输入目标设定值，完成调节器的无扰切换。此方案也是在一层完成，对二层没有任何修改。

2.2.2手动模式切内给定模式

对于从手动模式到内给定模式的切换，目标值是不变的，这就意味着目标值在每次切换前就已经设置好了，加上图中的BCALCI/BCALCO引脚能够完成跟踪功能，从手动切到内给定模式可以完成无扰切换。

3问题及改进方法

虽然经过改进后的方案能完成各个模式之间的无扰切换，基本满足了运行的要求，但还存在一些问题。

当对调节阀进行手动/自动模式或自动/手动模式切换时，需要在操作画面上进行相应的SETPOINT或OUTPUT设定操作，而这种操作可以用两种方式来实现。

一种是在相应的画面输入框中直接输入需要设定的值。根据上一章内容的分析可以看出采用这种方式没有任何问题，不会带来扰动问题；

另一种方式是不直接在画面输入框中输入新值，而是通过直接点击操作面板上的增减按钮对相应的值进行调整。而在Atos的二层对应的调节阀控制界面中，SETPOINT（自动调节的设定值）输入框和OUTPUT（手动调节的输出设定）输入框的值在目前在切换过程中并没有实时跟踪调节器的测量值以及调节器的输出。采用此种方式时，由于二层没有跟踪一层的相应值，二层的值还维持在原先的值，此时直接进行增减调整的话是以二层原先的值为基础进行增减，这样一层接受的值就是以二层原值基础上的增减变化的值，也就可能带来扰动甚至超调现象的情况。

为了避免这种情况发生，需要二层也能实时跟踪调节器的值。即SETPOINT（自动调节的设定值）输入框和OUTPUT（手动调节的输出设定值）输入框在非激活的情况下能够作为一个readout来显示跟踪的调节器的相应值，这样在调节器进行手动/自动模式或自动/手动模式切换时，在操作画面上无论进行哪儿种操作方法，都能较好的完成无扰切换。但此种方法是否会增加该对象的通讯负担，影响实时性以及增加测试负责性等还待进一步研究。

4 结论

随着方家山、福清项目的进展，在提出问题和解决问题的过程，DCS中包括调节阀在内的各个控制功能也在一步一步的完善，大大增加了系统运行的可靠性和经济性。在后续新项目实施过程中，可以借鉴方福项目在调节阀等控制中遇到的问题的解决办法，以及本文中提到的改进建议。

参考文献

[1]王常力，罗安.集散型控制系统选型与应用.北京：清华大学，1996.

[2]张建民.压水堆核电厂全数字化控制系统.西安：西安交通大学，2005.

[3]范新举.DCS系统在核电站中的应用[J].机电信息，2010(24).

[4]何林，陈远伦.基于通用DCS平台的核电站计算机系统的实现[J].自动化博览，2005，22(6).