基于LabVIEW和Simulink的蒸汽发生器水位控制分布式仿真

郝祖龙， 朱卉平

(华北电力大学 非能动核能安全技术北京市重点实验室，北京 102206)

基于LabVIEW和Simulink的蒸汽发生器水位控制分布式仿真

郝祖龙， 朱卉平

(华北电力大学 非能动核能安全技术北京市重点实验室，北京 102206)

蒸汽发生器作为压水堆的核心部件，研究不同工况下它的水位动态特性对核电站的安全评估和水位控制系统设计具有重要意义。提出了一种基于LabVIEW和Simulink的蒸汽发生器水位控制仿真方法。用Matlab/Simulink搭建蒸汽发生器水位控制系统仿真模型，用LabVIEW开发具有交互功能的水位控制人机界面，仿真模型与人机界面之间采用基于OPC中间件实现客户机服务器模式的连接。仿真结果表明，本方法在保证计算精度的同时还具有人机交互性好、可扩展性强等特点，也可应用于核反应堆其他控制系统的分布式仿真。

核电站； 蒸汽发生器； 水位控制； 分布式仿真

0 引 言

目前我国核电发展仍以压水堆堆型为主，立式U型管蒸汽发生器(SG)是压水堆中通常采用的中间换热设备，通过它将一回路的热量传给二次侧，并通过传热使二回路工质变成饱和蒸汽，再经汽水分离器后进入汽轮机机组做功发电[1]。作为压水堆核电站一、二回路的连接枢纽，蒸汽发生器的好坏将直接影响整个核电站的安全性。由于蒸汽发生器水位反映了一回路与二回路的热量交换能力，水位过高或过低均会对反应堆运行带来不利影响，因此蒸汽发生器水位控制系统是压水堆核电厂控制系统设计中的重要内容。

核反应堆运行过程中，蒸汽发生器水位容易受到功率负荷、蒸汽流量、给水流量及温度等多种因素影响，并伴随有“膨胀”“收缩”等逆动力学特性，常规的控制方法虽能满足工程需求，但在大负荷波动瞬态以及低负荷工况下，水位控制的稳定性及精度还有提升空间。针对上述问题，国内外学者进行了大量数值仿真研究，采用不同控制方法和策略用于SG水位控制，与传统控制方法相比，仿真效果显著[2-10]。但从仿真手段看，大多侧重于精确模型开发或先进算法研究，较少考虑人机交互问题，导致仿真过程中操作人员与计算机之间交互性差，且无法开展实时分布式仿真。

在前人研究基础上，本文提出一种基于LabVIEW和Simulink的压水堆蒸汽发生器水位控制分布式仿真方法。基本思想是：首先利用Matlab/Simulink搭建蒸汽发生器水位控制系统仿真模型，然后利用LabVIEW开发具有人机交互功能的水位控制仿真界面，模型与人机界面之间采用OPC中间件实现客户机服务器模式的连接。该方法通过将图形化仿真和OPC技术应用于SG水位控制仿真，从而满足人机交互和分布式仿真需求，具有原理清晰、易实现、显示直观等特点。

1 蒸汽发生器模型

综合考虑模型复杂性与实用性，采用Irving[11]等人提出的蒸汽发生器数学模型。尽管这是一个简化模型，但它可较好地描述SG的动态特性，已广泛用于SG的水位控制研究。该模型的传递函数为：

(1)

式中：y为蒸汽发生器水位(%)；qfw为给水流量(kg/s)；qst为出口蒸汽流量(kg/s)。该模型为线性时变模型，模型参数G1，G2，G3，τ，τ2，T随随负荷变化的对应关系见表1。

表1 蒸汽发生器水位模型参数

从表1可以看出，当功率水平全范围变化时，G2、τ2、T等模型参数随负荷有10～20倍的变化水平。而且，水位会在负荷变化瞬时产生“收缩与膨胀”现象，造成“虚假水位”，在式(1)表现为非最小相位。上述两个因素导致水位控制系统设计难度较大。

2 仿真原理

2.1 基于OPC的分布式仿真

为实现在不同运行平台或操作系统下多种仿真/计算软件的数据实时传输、共享及交互访问，需要采用某种技术手段对这些资源进行有效整合、互联。分布式仿真采用系统一致的接口规范、标准和协议，通过局域网或广域网，将分布在各地、各类的仿真系统互联，构成一个时空一致，实现动态交互仿真的分布式虚拟环境[12]。它可实现不同来源、不同功能、甚至不同计算节点的组件与软件工具运行在不同的子系统中，单独进行建模仿真分析，分析计算结果通过广域网或局域网与其他子系统进行通信[13]。

通过比较现有过程仿真技术的规范和架构特点，本文选择基于OPC(OLE for Process Control)中间件的仿真技术。OPC中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源，是基础软件的一大类。它处在操作系统、网络和数据库之上，应用软件的下层，能够帮助用户灵活、高效地开发和集成复杂的应用软件[14]。

Simulink是Matlab中重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。而Matlab中自带的OPC Toolbox可看成是对Simulink动态系统仿真环境的扩展。它负责提供服务器(Server)和客户端(Client)互访的通用机制，应用于OPC客户端数据访问。通过OPC Toolbox可以连接任何一个OPC数据访问服务器，方便地对连接的OPC服务器的数据进行读/写操作[15]。

LabVIEW是当前业界领先的工业标准软件工具，用于开发测试、测量和控制系统。它是专为工程师和科学家而设计的直观的图形化编程语言。它将开发软件和各种不同的测量仪器硬件及计算机集成在一起，建立虚拟仪器系统，以形成用户自定义的解决方案。LabVIEW附加的DSC(Datalogging and Supervisory Control) 模块可完成数据监控与记录功能，既可方便地与OPC Server通信，也能自己创建OPC Server，是实现系统连接的重要模块[16]。

需要指出的是，在基于OPC中间件的连接方法中，Simulink与LabVIEW这2个仿真软件地位对等，不存在主从关系，具有高度开放性和可扩展性，能将其中任何一部分用实际仪控硬件或虚拟仪控软件代替，形成硬件在环仿真，对开发半实物仿真系统具有较大优势。

2.2 总体结构

图1为基于LabVIEW与Simulink的蒸汽发生器水位控制分布式仿真示意图。该系统利用DSC模块创建OPC Server，利用OPC Toolbox生成OPC Client。服务器与客户端之间既可以直接互连交换数据，也可

图1 SG分布式仿真系统结构示意图

通过局域网连接来实现数据的传递与接收，这样就能实现蒸汽发生器Simulink模型与LabVIEW人机界面之间数据通信，并满足实时性和人机交互要求。

图2所示为采用OPC技术的蒸汽发生器水位控制Simulink仿真模型。其中，SG水位控制采用常规的PID串级控制方案，外环为水位调节回路，内环为给水调节回路。

为实现分布式仿真，在原水位控制Simulink模型基础上增加了几个OPC模块。其中，OPC configuration模块用于配置OPC Client，这样可以使模型按照伪实时控制选项方式运行，同时对OPC错误和事件做出反应，需注意每个模型中该模块的数目不能超过一个。OPC Read模块以规定的采样频率读取OPC Server中的数据，输出量为读取的数值(V)、数据质量(Q)和时间向量(T)。OPC Write模块用于向OPC Server的item项写入数据。

图2 采用OPC技术的SG水位控制Simulink仿真模型

3 仿真过程及结果

为使蒸汽发生器水位变化过程具有良好交互性，采用LabVIEW的DSC模块开发了一个简化的蒸汽发生器运行回路人机界面，主要设备包括：蒸汽发生器，冷却水箱，预热器，水泵，阀门和连接管道，以及热工参数测量传感器等。具体仿真过程如下：

(1) 以100%功率水平为例，根据蒸汽发生器满负荷工况下的传递函数模型，采用串级PID水位控制方案搭建SG水位控制Simulink仿真模型，并整定PID调节器参数。

(2) 利用LabVIEW DSC模块生成OPC服务器。主要步骤包括：①新建项目库并建立含有控制过程所需变量的VI；②创建periodic I/O Server并部署其变量；③创建并部署共享变量；④人机界面VI设计；⑤变量与人机界面VI相互绑定。

(3) 利用Matlab OPC Toolbox配置OPC 客户端。与使用Simulink 其他库中的模块类似，通过调用Simulink工具下Toolbox模块库创建对象模型。在对OPC configuration模块配置时，由于是单机仿真，故应将OPC Server所在的主机设为默认的“localhost”。将OPC Read和OPC Write模块分别与对应环节连接，并依次设定好参数，从而建立与OPC Server进行数据通信的连接。

(4) 设置仿真时间、步长等基本参数，运行SG Simulink仿真模型。然后打开SG人机界面VI，设定PID调节器整定参数以及阀门开度等控制参数，最后通过运行人机界面VI启动整个仿真系统。

下面通过实例分析来验证本方法的有效性。以水位调节器P=0.68，I=65，D=0，给水调节器参数Pf=0.82，仿真时间设为300 s。

仿真结束后，在人机界面VI中显示实际水位、设定水位、给水阀门开度、蒸发流量等多个参数曲线，如图3所示。从图中可以看出，蒸汽发生器实际水位可以较好跟踪其设定值的变化。同时，仿真过程中还可以改变阀门开度等设定量，实现交互操作。

图3 参数仿真结果变化曲线

4 结 语

应用OPC技术将Simulink和LabVIEW这两个通用仿真软件有机联系在一起，并成功应用于压水堆蒸汽发生器水位控制仿真。仿真结果表明，该方法在保证计算精度的同时，提高了仿真过程交互性，并可通过友好的图形化界面增强结果的可读性。此外，该仿真方案运行方式灵活，既能单机运行又可以多机分布式运行，扩展性强；并可与虚拟DPU连接，控制策略由虚拟DPU的相关软件组态，降低了控制系统仿真的复杂度；能够与支持OPC接口的实际仪控系统硬件互联，构成硬件在环仿真，实现对仪控系统的测试。

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·名人名言·

大学的荣誉,不在它的校舍与人数;而在于它一代一代人的质量。

——柯南特

Distributed Simulation for Water Level Control of Steam Generation Using LabVIEW and Simulink

HAOZu-long，ZHUHui-ping

(Beijing Key Laboratory of Passive Safety Technology for Nuclear Energy, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

As the steam generator (SG) takes a key component of pressurized water reactor, it is important to study its dynamic characteristic in various operating conditions for the security evaluation and the control system design of nuclear power plant. Most of the related works focus on model developing or simulation method, while real-time interaction problem is not considered. A novel simulation method on water level control of SG is presented by using LabVIEW and Simulink. Firstly, a Matlab/Simulink model of SG water level control system is built. Secondly, the human-machine interface (HMI) of water level control is developed using LabVIEW. Thirdly, the Simulink model and the HMI are connected to realize clientserver mode based on OPC technique. Simulation results show the presented simulation method has advantages such as high accuracy, friendly interface and high extendibility, and it can be used for distributed simulation of other control systems of nuclear reactor.

nuclear power station; steam generator; water level control; distributed simulation

2016-03-31

中央高校基本科研业务费专项资金(2016MS61)

郝祖龙(1980-)，男，河南焦作人，博士，讲师，主要从事核反应堆控制、先进热工测量技术等方面的研究。

Tel.:010-61773173；E-mail:haozulong@163.com

TP 391.9

A

1006-7167(2017)01-0084-04