软件仿真核电站堆芯核测量系统的设计与实现

杜晓光 张 君 关济实

（中科华核电技术研究院有限公司 北京分公司 北京 100086）

在核电站运行过程中需监测反应堆的热功率，以判断电站的工作状态是否与预设状态一致。反应堆热功率与中子注量率成正比，因此测量反应堆堆芯中子通量分布的堆芯核测量系统是重要的监测系统。目前我国大多数在役核电站使用的移动式微型裂变室堆芯核测量系统[1–3]，集机械、电气和核测量于一体，通过机电配合完成中子通量测量。其机械系统的重要部件须从国外进口，生产批量少，采购周期长。在系统设计制造阶段，其制约控制软件的调试工作，影响软件质量；在测量系统的制造和调试过程中，控制部分须反复调试才能得到某些参数的最佳值。使用过程中的机械磨损使部件使用寿命降低。

鉴此，我们用Rockwell公司的自动化组态软件RSView32与工业通信软件 RSLinx，构成基于RSView32的仿真堆芯中子注量率测量系统，在堆芯核测量系统的设计和调试中的仿真测量，其电气和机械功能的实现和性能修改方便，调试灵活。调试过程中不涉及机械磨损，提高了机械设备的使用寿命。

1 测量系统组成及工作原理

堆芯核测量系统主要包括主机柜、通道柜、分配柜和机械设备。主机柜中运行人机交互(Human-Machine Interface, HMI)工控机，控制整个测量系统。通道柜和分配柜分别放置于控制室和测量现场，内部安装一套分布式PLC系统和成套电气设备。

3×105kW核电站堆芯核测量系统由 1台主机柜、3台通道柜、1台分配柜和3套机械设备组成。每套机械设备包括1台驱动装置、3台选择器和10根测量管路。测量系统有3个测量通道，每个测量通道可测量10个管路。系统工作时，操作员在主机柜发送测量指令，3台通道柜分别控制对应通道的测量工作。通道柜将发送控制指令通过分配柜控制机械设备，机械设备驱动中子探测器完成1个管路的测量工作[2,3]。仿真测量系统与真实的测量系统相比，结构更加简单。仿真测量系统由分布式PLC系统和2台工控机组成。工控机中分别安装了控制测量系统的人机交互软件和仿真测量系统的仿真软件。两个系统组成对比如表1所示。

RSLinx将PLC与自动化软件无缝连接，并提供OPC(OLE for Process Control)和DDE(Dynamic Data Exchange)通讯方式，为控制器与组态软件建立通讯链接。在仿真测量系统中，RSLinx软件作为OPC服务器，负责PLC控制器与RSView32软件间的数据交换[4]。

RSView32通过RSLinx与PLC控制器建立通讯连接，可采集数据，监视和记录自动化生产过程，也可创建和修改数据，实现对生产过程的自动化控制。通过在RSView32中设计的HMI，可完成数据采集、处理、显示、存储，以及生产控制等[5]。用RSView32设计系统仿真软件，在工业和研究中应用非常普遍[6–9]。在该仿真测量系统中，工业级PC机中安装了一块ControlNet网络通讯卡，PLC系统的 CNB通讯模块由同轴电缆与通讯卡连接。PLC控制器通过此连接向RSLinx软件接收和发送数据。RSLinx和RSView32软件安装在同一台计算机中，通过OPC协议进行数据交换，RSLinx软件相当于连接PLC控制器和RSView32软件的桥梁。

操作员从该堆芯中子注量率测量系统工控机的HMI发出的控制命令，由 ControlNet网络传递给PLC控制器，从而触发相应的执行程序。如需控制机械设备，PLC控制器将数据发送到输出模块，再传递给电气设备控制机械设备执行相应的动作。运行过程中，PLC控制器通过输入模块监视电气和机械设备的状态数据，并执行相应的程序。PLC的控制数据均由输出模块传递给电气和机械设备，即控制器仅根据输入/输出模块端子的信号执行程序。

表1 真实和仿真测量系统结构组成Table 1 The measurement system structure (Real vs Simulative).

在 PLC系统中，控制器与输入/输出模块的数据交换通过标签(Tag)进行。在控制器内部，输入/输出模块的每个I/O端口都有对应的标签。控制器读写输入/输出模块端子值实际上是读写与端子对应的标签值(图1a)。

该仿真测量系统用 RSLinx通讯软件和RSView32组态软件代替了真实测量系统中的输入/输出模块、电气和机械设备。在RSView32中有一个标签数据库，可创建各种数据类型的标签。通过RSLinx通讯软件提供OPC服务器，RSView32中的标签可与PLC控制器中的标签建立对应关系，相关联标签间可共享数据(图1b)。

当 PLC控制器发出控制指令时，将修改 PLC控制器中某一标签值，RSView32程序中对应的标签值将同时发生相应改变。RSView32程序将响应标签值的改变，仿真机械设备做出相应的动作，同时修改与动作相关的标签。最后修改的标签值通过RSLinx中的OPC服务器传递给PLC控制器，供PLC控制器执行控制程序。

图1 真实和仿真测量系统控制结构图Fig.1 Schematics of the measurement control systems.

2 仿真测量系统软件设计

RSView32需仿真的设备主要包括驱动机箱、测量机箱和电源机箱等电气设备，以及驱动装置、选择器、电动阀和泄漏探测器等机械设备。仿真系统需实现的硬件类型较多，功能各不相同，不同硬件间不存在数据交换，因此采用模块化的设计方法，每个模块实现一个硬件功能。

真实测量系统中电动阀的操作过程为开某管路的电动阀并测量该管路，PLC控制器通过数字量输出模块发出“打开阀门”指令，电气设备将电动阀加上48 V直流电压，电动阀旋转阀门到打开状态后停止，并由电气设备返回一个信号，表示为“阀门已打开”，PLC控制器接收到该信号后，确定电动阀已打开(图2a)。

图2 真实和仿真测量系统中电动阀的动作Fig.2 Action of motor-driven valves.

该管路测量结束，PLC控制器通过数字量输出模块发出“关闭阀门”指令，电气设备将电动阀加上48 V直流电压，阀门旋转到关闭状态后停止，并由电气设备返回一个信号，表示为“阀门已关闭”，PLC控制器接收到该信号后，确定电动阀已关闭。

由对电动阀工作的描述，确定一个电动阀所需得两个输入和输出信号见表2(以1#电动阀为例)。表2的信号类型系对 PLC控制器而言，标签建立在PLC控制器中。该电动阀所需控制标签确定后，就可在RSView32中建立相应标签，通过OPC服务器将RSView32软件中的标签与PLC控制器中的标签建立连接。

表2 操作电动阀的信号和标签Table 2 The signals and tags of action of the motorized valve.

通过RSView32软件的事件功能，可实现仿真电动阀。需打开电动阀时，PLC控制器将标签(SetValve1Open)置为1。标签值通过RSLinx软件提供的OPC服务器传递给RSView32，RSView32接收到该标签值将触发RSView32中的“打开电动阀”事件。由于实际的电动阀中的阀门旋转有一个持续时间，所以事件触发后，会等待 1 s后将标签(GetValve1Open)置为 1。标签(GetValve1Open)将通过OPC服务器传递给PLC控制器(图2b)。

仿真测量系统可实现各种机械动作，还可显示机械设备的当前状态。例如：可在电动阀的监控画面中显示电动阀的开关状态，这由衍生标签功能实现。为显示电动阀的当前状态，创建了标签Valve1Status，通过衍生标签将标签Valve1Status与标签 GetValve1Open建立关系。Valve1Status标签值会随 GetValve1Open标签值发生改变，通过Valve1Status标签值可以监测到电动阀的当前状态，并显示在画面中。仿真测量系统软件在后台实现各种机械动作，在软件界面中提供操作测量系统的画面，并显示机械设备的状态。软件的结构见图3。

图3 仿真测量系统软件结构图Fig.3 Program diagram to simulate the in-core neutron flux measurement.

仿真监控画面显示整个测量系统，通过控制画面可切换到不同用途的控制界面中。测量控制画面用于启动和停止各种测量模式，修改测量参数等；控制台画面用于仿真实际的控制台；电动阀画面用于显示和控制所有的电动阀；泄漏监测画面用于显示泄漏探测器的状态。

3 结语

堆芯核测量系统采用直流有刷电机作为驱动电机。直流电机的电刷在工作过程中，受机械摩擦和电蚀的影响，会逐渐磨损[10]。减少电机的使用次数，会提高电机的使用寿命。仿真软件的使用，使系统前期调试过程中无需使用电机，从而减少了电刷的磨损。

利用组态软件RSView32的衍生标签和事件功能，通过OPC技术，建立了软件与PLC控制器之间的实时通信，实现堆芯中子注量率测量系统仿真。

仿真测量系统与真实测量系统的 PLC控制程序的联调试验证实，仿真测量系统不仅仿真实现了真实测量系统的各种机械动作，对PLC程序的各种控制指令做出正确响应，且可以仿真各种机械设备的故障，验证了控制软件的错误诊断程序。

仿真测量系统无需电气和机械设备的支持，使工作人员在项目早期就可以调试系统控制软件。从而及时发现控制软件中的控制逻辑和设计缺陷。仿真测量系统对各种故障的模拟，使得对控制软件中故障诊断和处理模块的验证更加方便。加快了控制软件开发进度，提高了软件质量。仿真测量系统为项目的实施提供了有力的保障。

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