核電DCS控制系統(tǒng)中PID控制無擾切換的方法

核電DCS控制系統(tǒng)中PID控制無擾切換的方法

本文針對(duì)核電DCS控制系統(tǒng)，提出了實(shí)現(xiàn)PID控制無擾切換的方法。首先介紹了PID控制器無擾切換的概念和常用的方法，然后給出了在福清核電項(xiàng)目中利用I/A Series設(shè)計(jì)的PID控制模板，并說明了在模板中如何實(shí)現(xiàn)PID控制器手動(dòng)控制和自動(dòng)控制之間的無擾切換。最后對(duì)項(xiàng)目中遇到的一個(gè)超弛控制問題，給出了初步的PID控制方案，并分析了其無法實(shí)現(xiàn)無擾切換的原因。通過對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，新的控制方案不僅實(shí)現(xiàn)了超弛控制的功能，也實(shí)現(xiàn)了超弛控制與PID自動(dòng)控制和手動(dòng)控制之間的無擾切換。

核電；DCS；PID；無擾切換；I/A Series；超弛控制；

DCS已廣泛應(yīng)用于電力、石化和冶金等行業(yè)，近些年來也已經(jīng)開始在核電站中得到應(yīng)用。比例-積分-微分（PID）控制器是自動(dòng)控制中最經(jīng)典的控制方法。本文介紹了PID控制器無擾切換的概念和方法，并以福清核電站所采用的I/A Series DCS系統(tǒng)為背景，對(duì)核電站中典型的PID控制原理以及無擾切換的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行闡述，并提出了改進(jìn)建議和措施，以滿足無擾切換的要求。

1 無擾切換的概念和方法

無擾切換是指在手動(dòng)與自動(dòng)切換的瞬間，保持控制器的輸出信號(hào)不發(fā)生突變，以免切換給控制系統(tǒng)帶來干擾。根據(jù)文[1，2]，PID控制器無擾切換的常見實(shí)現(xiàn)方法是：

（1）當(dāng)控制器處于自動(dòng)控制模式時(shí)，閥位手動(dòng)控制的給定值應(yīng)該始終跟蹤PID控制器的輸出值。這樣才能保證當(dāng)從自動(dòng)控制切換到手動(dòng)控制后，閥位手動(dòng)控制的初始值等于切換前PID控制值，操作員是在原有的PID控制器輸出的基礎(chǔ)上設(shè)置手動(dòng)給定值，可以避免大的擾動(dòng)；

（2）當(dāng)控制器處于手動(dòng)控制模式時(shí)，PID控制器的輸出應(yīng)跟蹤手動(dòng)給定值。這樣才能保證當(dāng)從手動(dòng)切為自動(dòng)的時(shí)候，PID控制器的初始輸出等于手動(dòng)給定值，不會(huì)造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)大幅動(dòng)作。

以上是常見的PID控制器無擾切換方法，在福清核電的DCS控制系統(tǒng)中，用I/ASeries實(shí)現(xiàn)了PID控制器的無擾切換。

2 I/A如何實(shí)現(xiàn)無擾切換

福清核電項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)開發(fā)了PID控制模板，實(shí)現(xiàn)了無擾切換的功能，如圖1所示。

圖1 PID控制器模板

圖1 中通過001MT（模擬量變送器）獲得來自現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量值，001RG是PID控制器，001RG_SW1是切換模塊，即根據(jù)切換命令Toggle選擇兩個(gè)模擬量輸入INP1和INP2中的一個(gè)作為切換模塊的輸出，切換將致使上游模塊初始化其輸出為切換模塊的當(dāng)前輸入。HMI是人機(jī)界面，用于設(shè)置手動(dòng)控制參數(shù)。001RG_ O是計(jì)算塊（通過編程實(shí)現(xiàn)邏輯和計(jì)算功能），用于手動(dòng)控制無擾切換。參數(shù)BCALCI和BCALCO是專門用于信號(hào)反傳，當(dāng)AO輸出模塊AOUTR故障或SWCH切換模塊切為HMI輸入時(shí)，PID控制器會(huì)判斷其下游的回路被斷開，并自動(dòng)從自動(dòng)模式轉(zhuǎn)到跟蹤模式，BCALCO會(huì)將下游模塊的輸出通過BCALCI端口反饋給PID控制器，而PID控制器會(huì)強(qiáng)制其輸出等于BCALCI反傳回的值[3,4]。

當(dāng)PID處于自動(dòng)模式時(shí)，001RG_O起到了跟蹤PID輸出的作用，其原理如表1所示。

表1 001RG_O塊的原理

001RG_O.ROUT是001RG_O的模擬量輸出，001RG_O.RIN是001RG_O的模擬量輸入。從表1可以看出，當(dāng)處于自動(dòng)控制模式時(shí)，001RG_O會(huì)自動(dòng)跟蹤001RG_SW1模塊的輸出，即PID的輸出，因此當(dāng)從自動(dòng)切換到手動(dòng)的時(shí)候，就不會(huì)存在擾動(dòng)。

同時(shí)，當(dāng)PID控制從自動(dòng)切換到手動(dòng)時(shí)，流程如圖2所示。

圖2 自動(dòng)切換到手動(dòng)流程圖

從圖2中可以看出，當(dāng)PID模塊檢測(cè)到下游回路被斷開以后，就會(huì)從自動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到跟蹤模式，此時(shí)PID控制器的輸出是等于手動(dòng)設(shè)置值INP1的。當(dāng)從手動(dòng)控制再切換回PID自動(dòng)控制時(shí)，就不會(huì)有擾動(dòng)發(fā)生。

3 實(shí)際應(yīng)用

上節(jié)只是描述了最簡(jiǎn)單的PID控制器無擾切換的方法，但是在整個(gè)福清核電項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，有很多不同類型的控制回路，下面就針對(duì)工程項(xiàng)目中遇到的特殊情況，說明在實(shí)際的情況下如何實(shí)現(xiàn)無擾切換。

3.1 蒸汽轉(zhuǎn)換器除氧器壓力控制

為了保護(hù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)，經(jīng)常會(huì)根據(jù)一些報(bào)警信號(hào)來強(qiáng)制執(zhí)行機(jī)構(gòu)全開或者全關(guān)，以便保護(hù)整個(gè)工藝系統(tǒng)，這種控制就是超弛控制。在蒸汽轉(zhuǎn)換器除氧器壓力控制中，除氧器的高高高水位報(bào)警作為除氧器壓力控制的超弛信號(hào)，用于快速關(guān)閉入口蒸汽減壓閥STR001VV。

3.1.1 初始控制方案

為了實(shí)現(xiàn)超弛控制，首先利用I/A的PID模板設(shè)計(jì)了初始的控制方案，如圖3所示。

圖3 I/A超弛控制初始方案

圖3 中，AOUTR塊是模擬量輸出模塊，其高限值參數(shù)為HLIM。AOUTR默認(rèn)的高低限值分別為100%和0%，即不管AOUTR的輸入是多少，其輸出最大是100%，最小是0%。在圖3中右下角的虛框中，在標(biāo)準(zhǔn)的PID模板上又加入了一個(gè)切換模塊001RG_SW2，該模塊的輸出連接到AOUTR塊的HLIM端口。

在正常運(yùn)行情況下，當(dāng)超弛信號(hào)“蒸汽轉(zhuǎn)換器除氧器水位高高高”為0時(shí)，001RG_SW2的輸出等于INP1，AOUTR模塊的HLIM參數(shù)等于100%，系統(tǒng)正常運(yùn)行。當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)，超弛信號(hào)從0變?yōu)?，導(dǎo)致001RG_SW2的輸出從INP1切換到INP2，即輸出從100%切換到0%。此時(shí)AOUTR的高限值HLIM等于0%，而低限值本來就等于0%。這樣的話，不管AOUTR的輸入是多少，即不管PID控制器的輸出是多少，AOUTR的輸出都等于0%，閥門關(guān)閉。

這個(gè)方案在不破壞原有PID模板的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了超弛控制，但是該方案的問題在于沒有實(shí)現(xiàn)無擾切換。例如當(dāng)超弛信號(hào)消失時(shí)，AOUTR的高低限值立刻恢復(fù)到默認(rèn)值，AOUTR的輸出立刻從0%恢復(fù)到PID控制器的輸出，會(huì)導(dǎo)致工藝系統(tǒng)大幅的振蕩。因此為了解決無擾切換的問題，提出了新的改進(jìn)的方法。

3.1.2 最終控制方案

根據(jù)I/A的PID塊的特點(diǎn)，當(dāng)處于超弛狀態(tài)時(shí)，必須強(qiáng)制PID控制器切換到跟蹤模式，這樣才能強(qiáng)制PID控制器跟蹤超弛控制輸入。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，需要打斷PID控制器到AOUTR之間的回路，因此可以在PID和AOUTR中再加一個(gè)切換模塊，當(dāng)超弛信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，切換模塊切換到超弛輸入，BCALCO會(huì)將切換模塊的切換信息層層反傳給PID，PID控制器會(huì)判斷其正常工作的回路被斷開，從而迫使PID控制器切換到跟蹤模式，以實(shí)現(xiàn)跟蹤超弛控制輸入。這樣就可以解決PID自動(dòng)控制與超弛控制之間的無擾切換問題。

根據(jù)這些要求，設(shè)計(jì)了最終的超弛控制方案如圖4所示。

圖4 I/A設(shè)計(jì)的超弛控制最終方案

從圖4可以看出，在001RG_SW1與AOUTR之間加入了切換模塊001RG_SW2。由于加入了切換模塊，當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)控制時(shí)，當(dāng)超弛信號(hào)“蒸汽轉(zhuǎn)換器除氧器水位高高高”為1時(shí)，001RG_SW2的輸出從INP1切換到INP2，輸出為0%。

001RG_SW1檢測(cè)到下游回路斷開，切換到跟蹤模式，PID控制器也切換到跟蹤模式，PID控制器停止運(yùn)算。同時(shí)通過BCALCO將001RG_SW2的實(shí)際輸出反饋給PID控制器，此時(shí)PID控制器的輸出等于超弛控制0%。當(dāng)超弛信號(hào)消失，001RG_SW2重新切換到INP1作為輸出時(shí)，PID控制器恢復(fù)自動(dòng)控制模式，并以0%為初始值開始運(yùn)算。這樣就避免了超弛控制與自動(dòng)控制之間切換時(shí)的擾動(dòng)。

而對(duì)于手動(dòng)控制來說，當(dāng)001RG_SW1檢測(cè)到下游回路斷開時(shí)，也會(huì)自動(dòng)切換到跟蹤模式，因此當(dāng)切換到超弛控制以后，001RG_SW1的輸出等于超弛控制值。因此可以對(duì)001RG_O的程序進(jìn)行改造，當(dāng)從手動(dòng)控制模式切換到超弛控制模式時(shí)，強(qiáng)制001RG_O. ROUT = 001RG_O. RIN，這樣的話手動(dòng)控制一直跟蹤超弛輸入，當(dāng)從超弛切換回手動(dòng)控制時(shí)，就能夠?qū)崿F(xiàn)無擾切換。

4 結(jié)語

PID控制器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在核電領(lǐng)域，但無擾切換一直是PID控制設(shè)計(jì)中需要考慮的重要問題。本文首先介紹了無擾切換的概念和方法。同時(shí)結(jié)合福清核電項(xiàng)目和I/A DCS，介紹了PID的標(biāo)準(zhǔn)模板，并詳細(xì)說明了模板中如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)控制的無擾切換。最后給出了一個(gè)項(xiàng)目中遇到的超弛控制的案例，首先給出了超弛控制的初步方案，但是發(fā)現(xiàn)該方案雖然實(shí)現(xiàn)了超弛控制的功能，但是并沒有實(shí)現(xiàn)無擾切換。因此對(duì)該方案進(jìn)行了改進(jìn)，在控制回路中加入了切換模塊，不僅很好地實(shí)現(xiàn)了超弛控制，而且實(shí)現(xiàn)了無擾切換。該方案已經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，并在福清核電現(xiàn)場(chǎng)得到了應(yīng)用。AP

[1] 譚磊, 欒振華, 楊宗偉, 李賢民, 唐必輝. CPR1000核電廠PID控制無擾切換研究[J]. 核動(dòng)力工程, 2013, 34（S2）： 27 - 30. [2] 李公杰, 田駿, 王釗. CPR1000新項(xiàng)目DCS手自動(dòng)無擾切換實(shí)現(xiàn)研究[J]. 核科學(xué)與工程, 2010, 30 (12）： 82 - 86.

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[4] 查方興. I/A Series系統(tǒng)及應(yīng)用[M]. 上海?？怂共_有限公司, 2009.

This paper presents a bumpless switching method for PID controllers in nuclear power plant DCS control systems. Firstly, concept and common methods of bumpless switching PID controllers are introduced. Then PID control template using I/A Series DCS in Fuqing nuclear power project is presented. Furthermore, we explain how to achieve bumpless switching between PID auto control and manual control in the template. Finally, we provide a preliminary PID control design for the override control in our project, and analyze the reason that the PID control design can't implement bumpless switching. After updating the preliminary PID control design, the new control strategy not only implements override function, but also achieves bumpless switching.

Nuclear power; DCS; PID; Bumpless switching; I/A series; Override control

B

1003-0492(2017)01-0092-04

TP273

張方杰（1981-），男，湖北潛江人，中級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于中核控制系統(tǒng)工程有限公司工程與服務(wù)中心，主要從事核電站儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

王 強(qiáng)（1977-），男，山西太原人，高級(jí)工程師，博士，現(xiàn)就職于中核控制系統(tǒng)工程有限公司工程與服務(wù)中心，主要從事核電站儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

陶 翠（1985-），女，山東聊城人，中級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司驗(yàn)證與確認(rèn)部，主要從事核電站儀控系統(tǒng)和鐵路監(jiān)控系統(tǒng)驗(yàn)證和確認(rèn)工作。