马 爽，万继华

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

0 引言

阻塞计的功能是在线监测回路钠中可溶性杂质的总含量[1]。阻塞计是由过滤器、总流量计、恒压溢流器、阻塞孔流量计、阻塞计本体、风机及其电气控制系统等组成。钠流从进钠口进入后，先流经过滤器和总流量计在三通处分成两条支路，一路流经阻塞计流量计到阻塞计本体；另一路流经恒压溢流器。两条支路在汇合后经出口流出阻塞计。阻塞计通过测量阻塞孔阻塞时的钠流温度来确定钠流中的杂质含量。通过风机对阻塞区按一定速率降温，氧化物降至一定温度后将析出堵塞阻塞孔，阻塞计本体支路上的流量将减少，这种流量的变化可以通过阻塞孔流量计测得。此时通过热电偶测得的阻塞区的温度即为阻塞温度。图1 为阻塞计的原理图[2]。阻塞计一般分为自动测量和手动测量[3]。本文研究目的就是通过建立一套阻塞计的工艺系统仿真模型，在此基础上验证阻塞计的控制算法。

图1 阻塞计原理图及建模范围图Fig.1 Schematic diagram and modeling scope diagram of a blocking meter

GSE 是一个可视化的图形化自动建模软件，主要的应用对象为大型的自动化建模、动态数据监控以及连续过程仿真系统[4]。GSE 仿真系统是由SimExec（仿真支撑体系）、JStation（教练员站）、JTopmeret（两相流系统）、JControl（控制系统）等10 余个子系统有机结合而成[4]。GSE 是一款可以提供实时的、高精度的仿真的软件，被广泛应用于核电、火电等过程领域，JTopmeret 用于建立流体网络的热工水利模型[5]。本文使用JTopmeret 两相流系统建模工具建立了阻塞计的工艺系统模型，使用JControl 对控制系统建模。

1 工艺模型的建立

1.1 工艺参数的确定

阻塞计工作介质为钠，阻塞计正常运行时，入口钠最高温度为400℃，入口最大压力为0.9MPa；冷却介质为空气；阻塞孔最低工作温度为110℃；空气入口温度小于40℃；阻塞温度测量范围：110℃～270℃。表1 为风机参数，表2 为空气物性参数。

表1 风机参数表Table 1 Fan parameters table

表2 空气物性参数表Table 2 Air property parameters table

1.2 阻塞计控制目标

在阻塞温度测量过程中，当阻塞孔温度低至105℃时，停止冷却；同时，对阻塞孔处加热，并关闭风机，以免阻塞孔处的钠发生凝固。

阻塞计系统的温度、流量和钠漏信号等在上位机屏幕上有显示，阻塞孔的温度和通过阻塞孔的钠流量随时间的变化曲线进行连续显示。在测量结束后自动显示阻塞温度，并可在必要时对测量曲线进行贮存和打印。

在计算机屏幕上可显示设定的起始低风冷温度T（该值为预计阻塞温度+30℃）与阻塞孔温度TC 之间的差值，并且显示向气动控制空气调节阀提供的电流信号（即空气调节阀的开度指示）。

在JTopmeret 中构建的阻塞计模型如图2 所示。

图2 阻塞计模型设计图Fig.2 Design diagram of blockage meter model

2 控制方案设计

阻塞计的控制可分为几个模块：阻塞温度检测模块；风门自动调节模块；风门联锁控制模块；风机联锁控制模块；加热丝联锁控制模块。

2.1 阻塞温度检测模块

阻塞温度检测模块主要作用在于检测杂质开始析出的温度点。阻塞温度检测模块采集阻塞孔处的钠温信号T 和流量信号F，并将一定周期内采集到的温度信号值和流量信号值存放于两个二维数组T(i)和F(i)中，求出采集到的流量信号变化量k(n)=F(n)-F(n-1)。当变化量持续小于某个设定值时，认为杂质已经开始析出，找到在最初变化量k(n)小于设定值那个时刻的温度信号T(n)，同时给出阻塞温度已检测的信号，用于其他逻辑运算。

假设现场仪表已经经过滤波处理，DCS 采集信号不会出现突变的高频信号，同时采用合理采样周期的信号值作为变化量计算的输入值，避免现场流量信号波动导致温度点计算错误的情况发生。

拟采用20s 作为一个采样周期，t 表示仿真运行时间，Fc 和Tc 分别表示当前时刻模型计算得到的阻塞计流量值和温度值，T 表示最终测定的阻塞温度，Flag 表示已检测到阻塞温度。

2.2 风门自动调节模块

风门自动调节模块主要用于调节阻塞计内钠温，采用单回路PID 调节，被控量为钠温变化量，输出为风门开度。通过调节风门开度，使钠温的变化速率控制在设定值范围内。

2.3 风门联锁控制模块

风门联锁控制模块用于控制风门联锁关闭，联锁启用后，当流量低于报警低限值，温度低于报警低限值或者阻塞温度已检测信号产生时，自动关闭风门，防止阻塞计管内钠流量进一步减小。

2.4 加热丝联锁控制模块

加热丝联锁控制模块用于控制电加热丝联锁启动，联锁启用后，当阻塞温度已检测信号产生，阻塞计内钠流量低于低低报警限值，或者钠温低于低限报警值时，自动启动电加热丝。

3 控制逻辑设计

3.1 逻辑设计

通过对上述系统功能块以及自定义功能块的搭建可以构建出完整的阻塞计控制方案，该控制方案主要包括如下几部分：①为检测阻塞温度必须控制风门开度使得钠温按照一定的速率匀速下降；②阻塞阀门控制以模拟杂质析出和解阻过程；③阻塞温度的检测；④温度、流量低报的联锁控制；⑤温度、流量低低报的联锁控制；⑥为实现上位机设备状态显示、脉冲信号转换、阀门控制等功能的附加控制。

阻塞计空气调节阀模块根据降温速率计算出钠温的目标值，该目标值作为PID 模块的设定值，PID 模块根据接收到的钠温值和目标值自动计算出阀门开度值。

阻塞计阀门模块用于仿真阻塞孔处因杂质析出而导致的阻塞，及随着钠温升高的解阻过程。选择不同的阻塞曲线所对应的阻塞温度相应变化，并且阻塞过程的快慢可以通过关速率来调节。

阻塞温度检测模块的功能在于按照设定的周期不断对钠温和按流量进行采集，若流量偏差持续满足设定要求，则输出阻塞稳定并触发检出信号。该信号输入重置模块决定阻塞阀门的开关，以及是否触发下一次测量信号。

阻塞计风机、风门联锁控制要求构建的联锁控制逻辑图，当流量或温度低于低报值或者已检测出阻塞温度则关闭风机或风门，见图3。

图3 阻塞计控制逻辑图Fig.3 Block meter control logic diagram

在阻塞计温度低于高报的情况下，一旦检测到流量或温度低于低低报值，则立刻启动电加热，防止阻塞计继续降温，导致进一步阻塞。

3.2 功能块设计

本文的控制方案实现平台为JControl。JControl 是GSE仿真系统中用于控制系统建模的工具，其基于图形化界面并包含一些基本的控制功能块（如逻辑与、或、非门，加、减、乘、除、平均值，模拟量的PI、PID 控制器等），这类属于软件自带的系统功能块。JControl 还支持用户使用标准的FORTRAN 程序代码开发自定义控制功能块，此类功能块保存于自定义模型库UserGMODULE_0 中。

在模型库UserGMODULE_0 中的均为自定义功能块，自定义功能块的命名规则为前缀_功能，如阻塞温度检测模块为sup_zsjtemp。

风机模块——sup_fan：当该功能块接收到风机的关闭信号时，风机关闭，否则风机处于90%工作点。

开关阀——sup_swi：该功能块用于接收来自控制逻辑的信号，对信号进行相应处理，并传给Topmeret 模型，该开关阀功能块还拥有联锁、超时及设备状态反馈等功能。手动开信号和关信号均为脉冲信号，Signal container（开关信号存储器）用于存储开关信号。当Signal container 为ON时，为开信号；当Signal container 为OFF 时，为关信号。

PID 控制器——sup_pid：用于搭建单回路控制，单回路又称简单控制系统，是指由一个被控对象、一个检测变送器、一个控制器和一个执行器所组成的一个闭合回路反馈控制系统。常用于被控对象滞后时间较小，负荷和干扰变化不大，控制质量要求不很高的场合。

运行步长（Timer step per iteration），单步运行时长，一般同一个控制方案中运行步长为定值，因此为了方便操作，在本方案中将所有运行步长的变量名命名为inv_cps。

风门——sup_zsjairvlv：该功能块用于接收来自控制逻辑的信号，对信号进行相应处理后传给JTopmeret 模型。当测量信号为False，表明当前阻塞计未启动测量或处于升温状态，此时不需要控制阻塞孔处的钠温，所以输出值自动跟踪输入的钠温；当测量信号为True，表明当前时刻正在检测阻塞温度，此时程序自动按照设定的降温速率计算出阻塞孔处钠温的目标值。如果钠温小于设定的减速温度，则表明已接近阻塞温度，程序继续以更慢的降温速率计算阻塞孔处钠温的目标值。该处计算得到的钠温目标值作为风门开度PID 调节的设定值，PID 模块根据当前阻塞孔处的钠温与设定值的偏差计算出风门开度。

阻塞阀门——sup_zsjvlv：由于在JTopmeret 中不能仿真不同钠杂质情况下钠的凝固点，此处使用一个阀门模拟钠中杂质的析出过程。

阻塞孔处杂质的阻塞和解阻的触发信号分别对应此处阀门的开/关信号，阻塞速率和解阻速率分别对应阀门的开速率和关速率，杂质含量选择可以实现不同的阻塞温度，钠温为阻塞孔处钠的温度。

当选择一个杂质含量后，即在程序中设定一个相应的阻塞温度（比如1 对应阻塞温度为150℃），如果检测到钠温小于该阻塞温度则触发一个阀门关闭信号，此时阀门根据设定的关速率不断减小管路中的流通截面积，用于模仿阻塞孔处杂质的析出过程，反正当检测出阻塞温度后升温时，则会根据开速率（解阻速率）逐渐将该阀门开至全开状态。

阻塞温度检测——sup_zsjtemp：该模块根据当前的钠温、钠流量以及设定的采样周期和流量偏差值自动检测阻塞温度。当测量信号为True 时，当前模块被激活，该模块根据设定的检测周期开始对钠温和钠流量数据进行采集并存储。当连续5 次流量偏差值满足所设的流量偏差时，程序即判定检测出阻塞温度，检出信号为True，输出的阻塞温度为当前时刻5 个采样周期前的钠温值。

阻塞计信号复位——sup_zsjreset：该模块根据当前的钠温以及是否检出阻塞温度来判断是否需要进入下一次测量，是否应该让阻塞阀门处于解阻状态。当该模块收到的检出信号为True 时，进入解阻状态，所以自动将输出的测量信号设为OFF，关信号重置至OFF 状态，开信号重置至ON 状态。当阻塞孔处钠温回升至400℃并保持满5min 后，程序将测量指令重置至ON 状态，自动进入下一次检测。

脉冲至持续信号转化——sup_PTC：该模块接收一个脉冲信号并将检测到的脉冲信号转化为一个持续信号。当该模块接收到0 到1 的跳变时，输出True 的持续信号；当接收到1 到0 的跳变时，输出False 的持续信号。

风门/风机状态——sup_vlvsta：该模块接收一个模拟量信号，根据该信号输出一个代表风门/风机状态的模拟量信号。当风门或风机开度为0.0 时，输出3.0（全关状态）；当开度为1.0 时，输出为1.0（全开状态）；当开度介于0.0 ～1.0 之间时，输出2.0（中间状态）。

手/自动切换——sup_AM：该模块接收一个脉冲的开关量信号并输出两个持续的开关量信号，当接收一个0 到1 的跳变时，auto 输出True，man 输出False；当接收一个1 到0 的跳变时，auto 输出False，man 输出True。

风机输出选择——sup_fanout：当该模块接收到自动信号，则将风机（sup_fan）的信号输出；当接收到手动信号时，将输入的手动开度值输出。

逻辑量选择——sup_zsjselB：该模块根据接收到的sel 信号对两个开关量进行选择。当sel 为True 时，输出Bin2；反之，输出Bin1。

4 结论

依据阻塞计原理图绘制的阻塞计控制画面如图4 所示，在启动条件中设置阻塞计的阻塞速率、解冻速率、采样周期、杂质浓度等。仿真模型启动后的数据历史趋势曲线如图5 所示。由图5 看出，当阻塞孔流量急剧下降时，对应的阻塞孔温度即为阻塞温度。

图4 阻塞计仿真画面Fig.4 Blockage meter simulation screen

图5 阻塞计仿真结果Fig.5 Blockage meter simulation results

本文首先通过JTopmeret 建立阻塞计工艺系统模型，再通过JControl 建立阻塞计控制模型，在控制模型上进行PID控制程序的验证。验证结果表明，设计的阻塞计控制程序能够满足控制要求，即阻塞温度能实现稳定控制。即使出现一定的扰动，控制算法也能自适应调节，最终达到稳定。

由于本项目是对仿真模型进行控制，其温度稳定后的偏差特别小，稳定后的温度偏差在1℃以内。实际运行中，阻塞温度偏差可能大于仿真偏差。因此，在工程应用中，现场控制的PID 参数需要在实际调试过程中，在仿真得出的PID 参数的基础上进行微调，以满足工程现场的实际控制要求。本文所得到的控制程序和PID 参数值都可用于工程设计中。