核电厂控制回路的测试方法、装置及系统与流程

1.本发明涉及核电厂自动控制技术领域，尤其涉及一种核电厂控制回路的测试方法、装置及系统。


背景技术：

2.核电厂控制回路试验结果分析与性能评价的主要目的就是对控制系统的性能作出定量的评定，评定出其性能等级：优、良、中、可、差等，并对控制系统存在的问题提出早期识别，实时地指导过程控制工程师和工艺操作人员对控制性能的潜在问题采取各种应对措施，做到防患于未然，减少经济损失和增强安全性。核电厂若缺乏有效的控制系统性能评价，很可能导致在问题暴露之后才能采取补救措施，这样对于安全性要求较高的工业场合往往会引起极严重的后果甚至是致命的危害。
3.目前，自动控制领域已有许多成熟的控制性能评价方案用来刻画控制回路的控制品质，如利用峰值、峰值时间、余差、衰减比等性能指标表征控制效果等。但各个性能指标通过分散的方式获取，致使类似方案的工业应用受到很大的局限性。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种核电厂控制回路的测试方法、装置及系统，以解决现存核电厂控制回路的测试在工业应用收到很大局限性的问题。
5.一种核电厂控制回路的测试方法，包括：
6.获取控制回路测试请求，控制回路测试请求包括控制回路分类类型；
7.通过前置数采机获取历史数据，基于历史数据进行筛选，获取被控变量和控制变量数据，并基于被控变量和控制变量数据绘制回路测试期曲线；
8.基于回路测试期曲线和控制回路分类类型进行筛选，获取控制变量数据中的部分作为待测试数据进行测试，获取分类测试结果；
9.显示并保存分类测试结果。
10.优选地，基于被控变量和控制变量数据绘制回路测试期曲线，包括：
11.基于被控变量和控制变量数据绘制主/副控制回路的历史数据曲线；
12.基于主/副控制回路的历史数据曲线和测试的起止时间，绘制回路测试期曲线。
13.优选地，在基于被控变量和控制变量数据绘制回路测试期曲线之后，还包括：
14.检测设定值信息中的必填项，获取缺省必填项；
15.向操作工作台发送输入缺省数据指令，以使操作工作台返回缺省必填项对应的缺省数值。
16.优选地，在显示并保存分类测试结果之后，还包括：
17.若继续获取获取控制回路测试请求，则清除系统内现有的所有载入信息。
18.优选地，核电厂控制回路的测试方法还包括：
19.依据预设格式分别存储历史数据、控制变量数据和分类测试结果。
20.一种核电厂控制回路的测试装置，包括：
21.获取测试请求模块，用于获取控制回路测试请求，控制回路测试请求包括控制回路分类类型；
22.获取变量数据模块，用于通过前置数采机获取历史数据，基于历史数据进行筛选，获取被控变量和控制变量数据，并基于被控变量和控制变量数据绘制回路测试期曲线；
23.获取测试结果模块，用于基于回路测试期曲线和控制回路分类类型进行筛选，获取控制变量数据中的部分作为待测试数据进行测试，获取分类测试结果；
24.显示测试结果模块，用于显示并保存分类测试结果。
25.一种核电厂控制回路的测试系统，包括前置数采机、数据服务器以及操作工作台，系统中的数据服务器执行前述核电厂控制回路的测试方法。
26.优选地，数据服务器包括测试数据载入部、回路信息选择部、测试数据显示部、测试功能选择部和测试结果显示部。
27.优选地，还包括用于保护前置数采机的单向隔离网闸，以及与操作工作台连接的便携式工作站。
28.优选地，前置数采机、数据服务器以及操作工作台设置在可移动机柜中。
29.上述核电厂控制回路的测试方法、装置及系统，以核电厂各种控制回路为应用对象，以瞬态测试的控制回路运行数据为基础，通过获得的历史数据，在此基础上完成性能指标模型的计算、pid所需参数的优化整合、数据接口的交互以及测试结果展示，该方法应用于核电厂控制回路的场景快捷方便，并通过功能齐全的一体化工具系统，使得该测试方法于工业应用场景得到广泛扩展。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1是本发明一实施例中核电厂控制回路的测试方法的第一流程图；
32.图2是本发明另一实施例中核电厂控制回路的测试方法中硬件拓扑关系示意图；
33.图3是本发明另一实施例中核电厂控制回路的测试方法中数据源设备与服务器之间采用opc协议进行通讯连接的示意图；
34.图4是本发明另一实施例中核电厂控制回路的测试方法的第二流程图；
35.图5是本发明另一实施例中核电厂控制回路的测试方法的第三流程图；
36.图6是本发明另一实施例中核电厂控制回路的测试方法的全流程示意图；
37.图7是本发明一实施例中核电厂控制回路的测试装置的示意图。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施
例，都属于本发明保护的范围。
39.核电厂dcs(distributed control system，集散控制系统)系统中采用最广泛的控制方案为pid(比例积分微分控制，proportional-integral-derivative control)。一般地，工业pid回路存在大约60％的性能缺陷，其中一些问题可通过pid参数的调整来解决，而性能评价的指标是pid参数调整的重要依据。在核电厂控制系统的结果分析和性能评价中，调试人员所关心的性能评价包括峰值，峰值时间，余差，调节时间，超调，衰减比以及上升时间等七个指标。这些指标是通过读取现场测试的历史数据后通过人工读取的。由于实际过程中控制回路数量庞大，读取判别工作耗费大量时间，影响实验调试工作的进度。仅通过现有的七个指标评判控制系统性能的好坏，要依靠调试人员的经验。当调试人员缺乏对控制系统的经验时，往往难以给出合理的评价结论。实际的控制对象一般可以抽象成一阶模型和二阶模型。这两类模型具有不同的特性，而这七个指标也不是两类模型都需要评价的。七个指标主要是通过ise(integral square error，平方误差积分性能指标)和harris基于历史数据来获取的。
40.ise即平方误差积分性能指标，其计算方法为即控制在整个运行时间里设定值与实际输出的偏差和。harris也是一种控制器性能评价指标，是指采用最小方差控制器的控制系统输出方差与实际系统输出方差的比值，其实现过程是使得最小方差控制律就是使目标函数(输出时间序列的方差)最小。基于最小方差控制律的性能评价方法实现过程如下：(a)需要估计得到系统的纯滞后时间d；(b)对于闭环控制回路输出yt进行时间序列分析，建立从扰动at到输出yt的时间序列模型yt＝fat lat-d；(c)估计得到过程输出的最小方差(d)利用系统输出数据计算过程输出的实际方差(e)计算得到其中，尽管at是未知的，这里可以对输出yt进行时间序列分析得到白噪声的估计值是控制系统的实际输出方差，η(d)在[0,1]之间，且η(d)的值越大意味着更好，更强的控制，但是，其它性能指标如：鲁棒性等可能不能满足要求。
[0041]
尽管ise和harris是两个非常有价值的综合性指标，反映的控制性能也很准确，但由于ise和harris本身的计算比较复杂，不借助一定的计算工具是无法完成的，因此现场技术人员几乎无法当场使用；ise和harris的主要使用要求是，对控制回路采用两组不同参数进行测试，利用两组测试数据进行对比评价。由于核电厂的相关要求，许多回路不允许进行参数调整或重复进行测试。因此这两种指标缺少评价的对照指标。基于前述种种现存问题，本技术提出如下可现场获取ise和harris是两个非常有价值的综合性指标，并且可进行现场重复测试的方案：
[0042]
在一实施例中，如图1所示，提供一种核电厂控制回路的测试方法，以该方法应用在图1中的服务器为例进行说明，具体包括如下步骤：
[0043]
s10.获取控制回路测试请求，所述控制回路测试请求包括控制回路分类类型。
[0044]
将控制回路试验分为5类，一阶上升型、一阶下降型、二阶上升型、二阶下降型和平稳型。
[0045]
s20.通过前置数采机获取历史数据，基于所述历史数据进行筛选，获取被控变量和控制变量数据，并基于所述被控变量和控制变量数据绘制回路测试期曲线。
[0046]
其中，数据采集前置机就是用于现场设备与环境的数据采集与处理的前端设备，它是监控系统的核心部件。历史数据是核电厂控制回路的测试系统记录的所有历史真实场景数据以及测试数据。
[0047]
被控变量是控制回路中设计的通知过程变量以及人工输入的可调变量等。
[0048]
回路测试期曲线是基于测试期选定的由被控变量形成的曲线。
[0049]
s30.基于所述回路测试期曲线和所述控制回路分类类型进行筛选，获取所述控制变量数据中的部分作为待测试数据进行测试，获取分类测试结果。
[0050]
其中，分类测试结果即为采用控制变量数据中的部分作为待测试数据进行场景测试后得到的测试结果。
[0051]
s40.显示并保存所述分类测试结果。
[0052]
具体地，可通过测试现场的一体机显示器来实时显示测试结果，用于展示性能测试结果。核电厂各个机组的工艺参数控制系统特性比较接近。已经投运机组经过调试和一段时间的运行之后，控制系统的性能得到检验，可以将其认为是接近最优的控制性能。可以对已有机组的历史数据进行控制系统性能的测试，以此测试结果作为标准，将此标准保存起来，作为其他机组对应回路的测试和评价标准。
[0053]
步骤s10至s40中涉及的核电厂控制回路的测试系统的硬件拓扑关系如图2所示。其中：
[0054]
数据源设备是获取测试过程中的实时数据的硬件设备，如dcs、plc(可编程逻辑控制器，programmable logic controller)、实时数据库载体等。
[0055]
单向隔离网闸的设置目的是为了保护数据源设备不受外接评价系统的影响。
[0056]
前置数采机一般用工控机充任，它与数据源设备的数据通讯多采用opc(ole for process control，用于过程控制的ole)协议，如图3所示。
[0057]
数据服务器是整个系统的核心，一般安装有实时数据库、界面软件、性能评价应用软件等，可以理解地，本技术所提供的核电厂控制回路的测试方法，主要是通过数据服务器来完成的。数据服务器中除了建立了操作系统支持外，实时数据库和全部的应用软件系统都安装和运行于其中，控制回路性能评价模块也即测试模块是整个系统的核心。
[0058]
实时操作工作站是执行测试以及性能评价任务的工程师的工作平台，它与数据服务器和前置数采机一起，通过一台多屏切换显示屏来切换对不同机器的操作。
[0059]
另外，为了方便使用者的后处理和异地处理，还可扩充便携式工作站，便携式工作站可以是一个工业型笔记本。
[0060]
为使得本技术的顺利应用，是以提供如下技术环境得以支持的：
[0061]
(1)合适的软件编程环境，包括快速数据处理能力，要积极丰富的图形界面编程能力。
[0062]
(2)合适配置的计算机设备和操作系统作为评价系统运行的支撑。
[0063]
(3)对现有的核电厂的控制回路进行分类，对不同类别的回路选择合适的控制性能评价标准。
[0064]
(4)评价数据的自动处理，得出峰值，峰值时间等常规指标。
[0065]
(5)根据核电站控制回路的特点寻找合适的ise和harris评价指标的参照对象，并计算得到这两个评价指标。
[0066]
(6)软硬件集成在适用于核电厂安装调试现场、防爆安全、防尘防静电、通风散热良好、具有足够机械强度的移动小车式机柜中。
[0067]
为了能够真实评价不同回路的性能，需要将各个控制回路按照阶跃响应的特性和动作信号的特点进行分类。调试中多是采用手动调节后投入自动或修改设定值的方法来观察控制回路的控制效果，这些动作可以认为是对控制回路设定值的修改，即可认为是对控制回路给入上升或下降的阶跃信号。实际工业过程的模型一般通过抽象提取可以分为一阶单调型和二阶振荡衰减型两大类：
[0068]
一阶过程的传递函数可描述为二阶过程的传递函数可描述为对这两个过程给正、反向入阶跃信号，可以得到不同的响应特性曲线。此外还有一类特殊的曲线，即在没有外部控制动作信号输入的情况下系统的特性曲线。由于控制器的存在，回路在这种情况下一般保持稳定或小范围的等幅振荡特性。各个回路可归为五类，即一阶上升型、一阶下降型、二阶上升型、二阶下降型和平稳型。这五种类型并不都需要完全评价九种性能指标。例如一阶上升和下降型就不需要评价超调量、衰减比等指标。如下
[0069]
表1所列即为各个类型所要评价的内容。
[0070][0071]
表1
[0072]
上述核电厂控制回路的测试方法，以核电厂各种控制回路为应用对象，以瞬态测试的控制回路运行数据为基础，通过获得的历史数据，在此基础上完成性能指标模型的计算、pid所需参数的优化整合、数据接口的交互、测试的设计、测试数据的归档、历史测试数据导出和查看、测试数据后处理以及测试结果展示，该方法应用于核电厂控制回路的场景快捷方便，并通过功能齐全的一体化工具系统，使得该测试方法于工业应用场景得到广泛扩展。
[0073]
在一具体实施例中，如图4所示，在步骤s20中，即基于被控变量和控制变量数据绘制回路测试期曲线，包括：
[0074]
s21.基于被控变量和控制变量数据绘制主/副控制回路的历史数据曲线。
[0075]
s22.基于主/副控制回路的历史数据曲线和测试的起止时间，绘制回路测试期曲线。
[0076]
其中，测试起止时间是用于测试的开始时间点至结束时间点，这个时间区间内对应的历史数据曲线即为回路测试期曲线。
[0077]
在一具体实施例中，如图5所示，在步骤s20之后，即在基于被控变量和控制变量数据绘制回路测试期曲线之后，还包括：
[0078]
s201.检测设定值信息中的必填项，获取缺省必填项。
[0079]
s202.向操作工作台发送输入缺省数据指令，以使操作工作台返回缺省必填项对应的缺省数值。
[0080]
具体地，为了便于适应各种工业应用场景，本实施例还提供人工输入的接口，用于属于缺省数值。
[0081]
在一具体实施例中，在步骤s40之后，如图6所示，即在显示并保存所述分类测试结果之后，还包括：
[0082]
s401.若继续获取获取控制回路测试请求，则清除系统内现有的所有载入信息。
[0083]
在一具体实施例中，该核电厂控制回路的测试方法还包括：
[0084]
依据预设格式分别存储历史数据、控制变量数据和分类测试结果。
[0085]
具体地，于本实施例中，如下表二、三和四分别示出历史数据、控制变量数据和分类测试结果的数据保存格式：
[0086]
时间数据1
…
数据n被控变量(主)数据1
…
数据n控制变量(主)数据1
…
数据n被控变量(副)数据1
…
数据n控制变量(副)数据1
…
数据n
[0087]
表二
[0088][0089]
表三
[0090][0091]
表四
[0092]
本技术提供一套核电厂控制回路的测试过程专用的控制回路的测试、分析与性能评价系统，具有以下优势：
[0093]
1)、对已有的控制回路进行归类，建立不同的评价标准。
[0094]
2)、利用峰值，峰值时间，余差，调节时间，超调，衰减比，上升时间，ise和harris等9项控制性能指标对控制系统进行定量评价。
[0095]
3)、根据核电运行特点，对ise和harris指标利用历史数据给出比对标准。
[0096]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0097]
在一实施例中，提供一种核电厂控制回路的测试装置，该核电厂控制回路的测试
装置与上述实施例中核电厂控制回路的测试方法一一对应。如图7所示，该核电厂控制回路的测试装置包括获取测试请求模块10、获取变量数据模块20、获取测试结果模块30和显示测试结果模块40。各功能模块详细说明如下：
[0098]
获取测试请求模块10，用于获取控制回路测试请求，控制回路测试请求包括控制回路分类类型。
[0099]
获取变量数据模块20，用于通过前置数采机获取历史数据，基于历史数据进行筛选，获取被控变量和控制变量数据，并基于被控变量和控制变量数据绘制回路测试期曲线。
[0100]
获取测试结果模块30，用于基于回路测试期曲线和控制回路分类类型进行筛选，获取控制变量数据中的部分作为待测试数据进行测试，获取分类测试结果。
[0101]
显示测试结果模块40，用于显示并保存分类测试结果。
[0102]
关于核电厂控制回路的测试装置的具体限定可以参见上文中对于核电厂控制回路的测试方法的限定，在此不再赘述。上述核电厂控制回路的测试装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0103]
在一实施例中，提供了一种核电厂控制回路的测试系统，包括前置数采机、数据服务器以及操作工作台，系统中的数据服务器执行前述核电厂控制回路的测试方法。
[0104]
具体地，本系统的数据服务器中软件部分可采用mathworks公司的matlab软件进行实现。matlab具有强大的数据处理功能。其提供了控制、统计、系统辨识分析等多个工具箱以便用户调用。此外，matlab还提供了图形用户界面编程功能，该功能不仅可以使开发者方便的进行用户界面的开发，还可以和其他工具箱的函数实现相互调用。
[0105]
本系统还可采用dell r710服务器作为软件的载体，服务器采用windows service 2003作为操作系统。为方便在现场的移动，采用aten cl5708ma型一体化显示器与服务器配合使用。
[0106]
在一具体实施例中，数据服务器包括测试数据载入部、回路信息选择部、测试数据显示部、测试功能选择部和测试结果显示部：
[0107]
测试数据载入部：完成测试回路历史数据文件的载入工作。
[0108]
回路信息选择部：首先读取系统的配置信息；第一步调取配置信息中所要测试回路的相关内容，给出回路的相关信息，其中包括回路类型(单回路、串级回路)、被控变量名、控制变量名；第二步根据配置文件中的信息在载入的测试数据文件中筛选出被控变量、控制变量数据，并在测试数据显示部分画出主(副)回路的历史数据曲线。第三步选择所要用于测试数据的起止时间点，并重新在测试数据显示部分绘出其曲线。第四步，由于有些回路的设定值信息在载入时是缺省的，需要手动输入测试数据部分的设定值。
[0109]
测试功能选择部实现的功能包括:
[0110]
(a)在配置好回路信息选择部分的内容后，选择控制回路的分类类型，并进行测试计算，在计算结束后，将测试结果显示在测试结果显示部分中；
[0111]
(b)保存测试结果；
[0112]
(c)清除系统所载入的所有信息(此功能在需要进行其他回路测试时使用)；
[0113]
(d)退出系统。
[0114]
在一具体实施例中，核电厂控制回路的测试系统还包括用于保护前置数采机的单向隔离网闸，以及与操作工作台连接的便携式工作站。
[0115]
在一具体实施例中，核电厂控制回路的测试系统将前置数采机、数据服务器以及操作工作台设置在可移动机柜中，例如，所有软硬件都集成到一个尺寸为800mm*800mm*1200mm移动式机柜中，便于随时随地适应各种工业场景，开始进行性能测试。
[0116]
本实施例提供的核电厂控制回路的测试系统的优势在于：
[0117]
1)通过软硬件集成和关键技术软件化，形成了一台完整的、用于核电厂控制回路调试测试结果分析与评价的工具性系统。
[0118]
2)本系统综合核电站工艺特点，集成核电工艺运行技术、自动控制技术和计算机数据处理技术而形成的一套核电站控制回路测试结果分析与评价系统。性能评价系统的软件主要功能模块包括评价数据载入、回路信息选择、评价数据显示、评价功能选择和评价结果显示五个主要部分。性能评价系统的硬件主要包括服务器、一体式显示器以及移动机柜。
[0119]
3)对控制系统的峰值，峰值时间，余差，调节时间，超调，衰减比，上升时间等七个指标进行自动计算并分析。
[0120]
4)对控制系统的ise和harris指标根据核电厂装置的特点给出适合其评价的比对标准。
[0121]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
[0122]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。