今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道 摘要：PID控制器具有原理簡單，穩定性強，魯棒性好，使用方便的優點而被廣泛應用。傳統核電站的儀控系統采用模擬調節儀表，隨著數字化儀控系統（DCS）技術的逐漸成熟，其在核電站的運行和維護中扮演的角色也越來越重要。本文以海南昌江核電站1、2號機組采用的INVENSYS公司IA DCS系統為背景，對單回路PID控制和串級PID控制的數字化實現過程進行闡述；針對實現過程中的手/自動切換擾動和PID控制器的正反作用問題給出了解決方案；這對核電站數字儀控系統中PID控制器的研究具有十分重要的意義。
關鍵詞：PID控制器； 串級控制； 無擾切換； 正反作用
Abstract: PID controller has been widely used, because of its simple theory，high stability and robustness, along with its convenient operations.Analog control system was used in conventional Nuclear Power Plant(NPP),but Distributed control system(DCS) is playing more and more important role in operation and maintenance of NNP,with the development of DCS .On the basis of Changjiang NPP of Hainan, this paper briefly introduces a single loop and series-wound PID controller implemented on the INVENSYS’IA system. It also proposes a solution to the no-disturbance switch and the direct/reverse action of PID controller faced in the implementation. The research is significant to the reliability of PID controller in the Digital Instrument&Control System of NPP.
Key words: PID controller; Series-wound control; No-Disturbance switch; Direct or reverse acting
DCS自問世以來，其可靠性、適用性不斷提高，功能也日益增強，已廣泛應用于電力、石化，冶金等行業，但核電站中DCS系統的應用歷史并不太長。PID控制器具有原理簡單，使用方便，適應性強，魯棒性好的優點而被廣泛應用。本文以海南昌江核電站1、2號機組采用的INVENSYS公司IA DCS系統為背景，對核電站中典型的單回路PID控制和串級PID控制的控制原理和數字化實現進行闡述；針對實現過程中的手/自動切換擾動和PID控制器的正反作用問題給出了解決方案。對PID控制器在核電站中的應用推廣有重要意義。
1 PID控制原理
PID控制，又稱PID調節，它根據系統的誤差，利用比例積分微分控制計算出控制量進行控制，目前核電站中常用的有P、PI，PID控制。其典型控制框圖如下圖，從圖1上看是一種典型負反饋控制，其根據給定值與實際輸出值之間的偏差，輸出控制量調節被控對象，直到實際輸出值等于給定值或偏差達到允許范圍之內。
圖1 典型PID控制器控制框圖
PID控制器的傳遞函數為：
其中， 為比例常數； 為積分常數； 為微分常數。
核電站中除了上述單回路的PID控制，還有少部分的串級控制系統，其典型控制框圖如下圖2。串級控制系統的引入主要針對復雜的控制對象，在核電站中用于控制穩壓器水位，其容量滯后大，干擾變化劇烈，頻繁，控制要求高。
圖2 串級PID控制器控制框圖
從圖中看，該控制系統為包括兩級控制結構，副調節器位于內環，起到粗調的作用；主調節器位于外環，起到精調的作用。主調節器的設定值由外部給定，主調節器的輸出作為副調節器的設定值。經過兩級調節，可以提高復雜被控對象的控制精度。
2 單回路PID控制在核電站中的應用
2.1 核電站典型的單回路PID控制要求
核電站典型的單回路PID控制，如圖3，是海南昌江核電廠1、2號機組容積控制箱（RCV002BA）液位的單回路PID調節，其目的是控制RCV002BA的液位在一個穩定的值，以維持反應堆一回路的水裝量。容積控制箱的液位通過RCV011MN監測，當在容積控制箱水位高于給定值時，通過氣動三通閥（RCV 030 VP）調節，將流入容控箱的流量減小，同時排往硼回收系統（TEP）的流量加大；當液位低于給定值時， 調節RCV 030 VP，將流入容控箱的流量增大。
圖3 容控箱液位控制模擬圖
圖中，RG401為P調節，其控制原理框圖如下圖
圖4 容積控制箱控制簡化框圖
2.2 DCS平臺數字化實現
海南昌江核電站的容控箱液位控制在INVENSYS公司的IA平臺上實現，如圖5所示。
圖5 容控箱液位控制功能圖
其中，I/D是電流信號轉換成數字信號的輸入卡件；AINR（AOUTR）是冗余設置的模擬信號輸入（輸出）模塊；AIN（AOUT）是IA平臺軟硬件的輸入（輸出）接口模塊；401RG為IA平臺軟件的典型的PID調節模塊；<表示401RG輸出的上限；>表示401RG輸出的下限；T是手自動切換的執行模塊，自動模式下，選擇INP1作為401RG的輸出，手動時選擇INP2作為輸出；BCALC1/2是跟蹤手動模式下的控制值，實現無擾動切換；401RC為手自動操作站。
RCV011MN I/D采集卡采集到IA系統，再通過網絡送到計算機監控畫面（KIC）上實時顯示，通過AINR模塊獲取采集卡的信息并檢測信號有效性，送到PID調節模塊（401RG）的測量端，與KIC上送來的給定值比較后進行比例運算，在自動控制模式下，通過AOUTR模塊輸出給RCV030 VP調節容控箱液位。若AINR和AOUTR模塊檢測到信號無效，則主控室的手自動操作站（401RC）報警，提醒操作員處理。
3 串級PID控制在核電站中的應用
串級控制相比單回路控制多了一個副回路，其抗干擾能力等都優于單回路控制，但是串級控制所需的儀表多，系統復雜，一般情況下，單回路控制能解決的問題，一般不采用串級控制，因此，核電站中的串級控制的使用也非常有限，下面以核電站復雜的串級PID控制（穩壓器水位的串級控制）為例闡述核電站中串級控制的實現。
3.1 核電站復雜串級PID控制介紹
如圖6是穩壓器水位的串級控制模擬圖。
圖6 穩壓器液位控制模擬圖
該串級控制包含：
（1）主調節器——穩壓器水位調節器（RCP403RG）
穩壓器水位的整定值為反應堆冷卻劑溫度的函數，由冷卻劑的平均溫度和參考溫度（由汽機壓力得到）計算而來。測量值由RCP007、008和011MN三個穩壓器水位變送器測量值，數據經過VT403處理后得到的有效平均值。整定值與測量值比較后取偏差作為RCP403RG的輸入。RCP403RG為PI型控制器，積分環節的作用是消除穩態工況下實際水位與整定值間的穩態誤差。
RCP403RG的輸出信號通過ZO433加上容控箱的下泄流量，得到上充流量的整定值，作為副調節器的輸入。該信號有兩個可調的限值，由函數發生器GD413實現：
最小流量限值，以保證再生熱交換器內冷卻下泄流的最小上充流量，為的是防止下泄孔板下游出現冷卻劑汽化現象；
最大流量限值，保證運行中的上充泵的出口壓力足以能維持反應堆冷卻劑泵軸密封流量在一個可接受的范圍內。
（2）副調節器——上充流量調節器（RCV404RG）
主調節器輸出給定的上充流量，由帶1s滯后的PI控制器RCV404RG調節上充流量調節閥RCV046VP，達到調節穩壓器水位的目的。其控制原理框圖如圖7。
圖7 穩壓器液位控制簡化框圖
3.2 DCS平臺數字化實現
穩壓器的液位控制也是在INVENSYS公司開發的IA平臺上實現，如圖8。
圖8 穩壓器液位控制功能圖
RCP007/008/009MN水位測量信號采集到IA系統，通過軟件中的開發的選擇模塊AVERGE VOTER實現三個值的平均，送水位主調節回路作為測量值，整定值通過一回路溫度通過固定的函數曲線生成，兩者的偏差經過PI運算送到副調節回路，最終控制穩壓器水位。
4 無擾切換實現和正反作用設定
4.1 無擾切換實現
這里介紹的無擾切換主要是手自動的無擾切換，包括手自動切換中最終的輸出信號無擾動以及KIC上設定值的無擾動切換。
4.1.1 手自動切換時輸出無擾
以上圖5 RCV401RG為例，自動模式下控制器輸出值為INP1，手動模式下輸出值為INP2。當自動模式切換到手動模式時，如果INP1和INP2不等，會造成PID控制器的輸出跳變，導致執行器出現擾動現象。
針對上述問題，在功能圖中增加CALCA模塊，如圖9所示。RI01（調節器輸出）和RI02（手動模式輸入值）都送到該模塊。自動模式下，RO01（CALCA模塊的輸出）先跟蹤并記憶RI01的值，而RI01的值為控制器的自動輸出INP1，當切換到手動模式時，INP2的值為RO01，等于INP1，所以切換是無擾動。而手動模式下，INP2的值送到AOUTR后經過BCAL2和BCAL1反饋到401RG調節器，使INP1等于INP2，也實現了無擾動切換。
圖9 自動模式到手動模式無擾切換的功能圖
4.1.2 手自動切換時外設定值無擾動切換
以上圖5 RCV401RG為例。自動模式下，系統通過PID調節穩定后，給定值和測量值之間的偏差基本為0，所以自動切手動時，基本是無擾動的。而手動模式下，RCV401RG功能被屏蔽，外設定值無法修改保持不變，切換到自動模式時，如果手動調節后測量值變化較大，兩者之間的偏差將很大，導致擾動，同時，調節器RCV404RG將向原設定值調節，操作員輸入目標值后向目標值調節的現象，導致控制量的跳變擾動。
解決方法是在整定值輸入前增加CALCA模塊，如圖10所示。CALCA模塊檢測到手動模式時，外設定值RO01跟蹤測量值RI02，在手動控制狀態下，設定值跟蹤測量值，即此時的測量值RI02可認為就是外設定值，把該值作為此時的外設定值，切換到自動模式時不會出現擾動現象。
圖10 手動模式到自動模式無擾切換的功能圖
4.2 PID控制正反作用設置
對于反饋系統來說，只有負反饋才是穩定的。負反饋的判斷依據是系統開環方法倍數為負，即系統中各個環節的放大倍數的乘積為負。所以在控制系統投運之前，必須根據調節閥、被控對象和變送器放大倍數的正負，設定PID控制的正反作用，確保系統為負反饋系統。正作用是指調節器的輸出隨被調量的增大而增大，調節器的增益為“+”，反作用是指調節器的輸出隨被調量的增大而減小，增益為“-”[1]。
參考圖4中容控箱液位控制系統，包含P控制器、三通換向閥、容控箱和液位變送器四個環節，其中
（1）氣動三通換向閥（RCV 030 VP）在失氣狀態下，完全切換到RCV002BA側；供氣狀態下，根據容控箱液位高低在RCV和TEP之間切換；所以對容控箱來說，等同于氣閉式閥門，為負作用；
（2）對于被控對象容控箱，輸入信號為RCV 030 VP去容控箱側的開度，輸出信號為容控箱液位。當開度變大時，容控箱的液位升高，所以容控箱為正作用；
（3）液位變送器（RCV011MN）的輸出信號隨著液位的上升而增大，所以為正作用；
（4）根據上述3條，可以判斷P控制器RCV401RG為正作用。
5 結束語
本文結合海南昌江核電站的工程實踐，對單回路PID控制器和串級PID控制器的控制原理和功能實現進行了詳細的介紹，闡述了相關關鍵技術的解決方案。隨著我國核電事業的發展，PID控制器必將在三代核電的開發研究中得到廣泛的應用。本文對提高核電領域的自動控制水平具有一定的推動作用。
參考文獻：
[1] 金以慧. 過程控制[M]. 北京: 清華大學出版社. 1993
[2] 翁維勤, 孫洪程. 過程控制系統及工程[M]. 北京: 化學工業出版社. 2002
[3] 上海福克斯波羅有限公司. I/A’s系統及應用[M].
[4] 王家勝. 核電站數字化儀控系統改造中幾種控制系統綜合應用分析[J]. 核科學與工程, 2005, 25 (3) : 231-238.
[5] 鄭明光, 沈增耀. 壓水堆核電廠儀表控制與計算機華的發展概況[J]. 核技術. 2000.
[6] 徐偉. 方家山核電站數字化儀控系統淺談[J]. 企業技術開發, 2011, 30 (14) : 87-88.
[7] 靳瑩瑞, 陳玉國. 基于DCS的雙容水箱液位串級控制[J]. 中原工學院學報. 2011.
[8] 俞金波. 核電站數字化儀控系統特點[J]. 山東核電有限公司. 2001.
[9] 劉繼春,王曄. 集散控制系統在嶺澳核電站中應用[J].電力自動化設備, 2010, 30 (6) : 105 -110.
[10] 王翠芳. 核電站數字化儀控系統開發過程及其驗證與確認[J].自動化儀表, 2012, 33 (7) : 49-52.
[11] 毛從吉. 從安全審評角度看核電站數字化儀控設計[J].自動化儀表, 2012, 33 (7) : 39-48.
[12] 黎知行, 章旋. 核電站安全級DCS虛擬系統的設計與開發[J]. 制造業自動化, 2012, 34 (7) : 154-156.
作者簡介
顧燕春（1970-），女，高工，學士，從事核電站核輔助系統的儀控設計和科研工作。
廖圣勇（1981-），男，工程師，碩士，從事核電站核輔助系統的儀控設計和科研工作。
王蘭蘭（1985-），女，助工，學士，從事核電站核輔助系統的儀控設計和科研工作。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號