核電廠優(yōu)先級(jí)控制模塊研究設(shè)計(jì)方案

1、核電廠優(yōu)先級(jí)控制模塊的研究與設(shè)計(jì)- 機(jī)電論文核電廠優(yōu)先級(jí)控制模塊的研究與設(shè)計(jì)馮威，羅煒，俞赟，葉奇（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610041 ）【摘要】?jī)?yōu)先級(jí)控制模塊是核電廠安全級(jí)儀控平臺(tái)的一個(gè)重要組成部分，其主要功能是在對(duì)來(lái)自不同安全等級(jí)的自動(dòng)或手動(dòng)命令進(jìn)行優(yōu)先級(jí)處理后，驅(qū)動(dòng)專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施及相關(guān)支持系統(tǒng)的泵、閥等驅(qū)動(dòng)設(shè)備 , 從而完成系統(tǒng)規(guī)定的安全功能。針對(duì)目前國(guó)際核電領(lǐng)域主要應(yīng)用的安全級(jí)儀控平臺(tái)：Tricon 、TXS 的優(yōu)先級(jí)控制模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析了各平臺(tái)優(yōu)選模塊的設(shè)計(jì)特性，并對(duì)模塊的定期試驗(yàn)方案、接口方案、供電方案等內(nèi)容進(jìn)行了深入研究

2、，最終提出了優(yōu)先級(jí)控制模塊的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)思路。關(guān)鍵詞 安全級(jí)平臺(tái)；優(yōu)先級(jí)控制；定期試驗(yàn)作者簡(jiǎn)介：馮威（ 1982 ），男，漢族，工程師，四川成都人，從事核電站儀控設(shè)計(jì)工作。優(yōu)先級(jí)控制模塊是核電廠安全級(jí)儀控平臺(tái)的一個(gè)重要組成部分，其主要功能是在對(duì)來(lái)自不同安全等級(jí)的自動(dòng)或手動(dòng)命令進(jìn)行優(yōu)先級(jí)處理后驅(qū)動(dòng)專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施及相關(guān)支持系統(tǒng)的泵、閥等設(shè)備。位于執(zhí)行端的驅(qū)動(dòng)裝置（如閥門(mén)，主泵電機(jī)等）需要根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的功能。驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可由多個(gè)系統(tǒng)給出，為了防止信號(hào)之間的沖突導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)裝置動(dòng)作出現(xiàn)異常，優(yōu)先級(jí)控制模塊需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷，確定驅(qū)動(dòng)裝置按照正確的信號(hào)執(zhí)行動(dòng)作。本文針對(duì)目前核電領(lǐng)域主要應(yīng)

3、用的安全級(jí)儀控平臺(tái)：Triconex 、TXS 的優(yōu)先級(jí)控制模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了研究，并探討了優(yōu)先級(jí)控制模塊的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)思路。1 應(yīng)用方案分析1.1TRICONEX美國(guó)INVENSYS公司的TRICONEX平臺(tái)配置了優(yōu)先級(jí)控制模塊PLM(Priority Logic Module)，它基于 FPGA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)選功能。 PLM 接收 1E級(jí)與非安全級(jí)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)命令，并根據(jù)優(yōu)先級(jí)高低選擇輸出驅(qū)動(dòng)命令，控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。該平臺(tái)在福清、方家山核電項(xiàng)目中已得到應(yīng)用。PLM 的硬件主體為一個(gè)FPGA 模塊，采用 24V 供電，并由以下部件組成：FPGA 芯片。LED 指示燈（輸入、輸出、電源的） 。輸

4、入：四對(duì)輸入信號(hào)（每對(duì)信號(hào)分為A、B 兩路輸入）。24V 直流電壓。輸出：一對(duì)開(kāi)關(guān)量輸出（每對(duì)信號(hào)分為A、B 兩路輸出）。一對(duì)開(kāi)關(guān)量測(cè)試輸出（每對(duì)信號(hào)分為A、B 兩路輸出）。圖 1 為 PLM 模塊的接口簡(jiǎn)圖， 它展示了 PLM 模塊的輸入及輸出接口。 PLM的輸入源一共有四個(gè) （安全級(jí)自動(dòng)控制命令、 安全級(jí)手動(dòng)控制命令、 多樣化保護(hù)系統(tǒng)（ DAS ）和 ATWT 系統(tǒng)命令、非安全級(jí)控制命令） ，每個(gè)輸入源都分為兩路輸入（ A 組與 B 組），A 組信號(hào)用于關(guān)閉（閥門(mén)）或者停止（電機(jī)） ，B 組信號(hào)用于打開(kāi)（閥門(mén)）或者啟動(dòng)（電機(jī)） 。其中 DAS 、ATWT 系統(tǒng)及非安全級(jí)系統(tǒng)送入PLM 模塊

5、的信號(hào)需要進(jìn)行隔離，確保其不會(huì)影響安全級(jí)設(shè)備的信號(hào)。PLM 模塊共配置 5 路輸出，其中 OUT-A 、OUT-B 為驅(qū)動(dòng)輸出端口； TEST OUT-A 、TESTOUT-B 作為試驗(yàn)反饋信號(hào)，送給安全級(jí)系統(tǒng)。PLM 優(yōu)先級(jí)的高低為： 1A/1B2A/2B3A/3B4A/4B，且在同一通道內(nèi)， A 組信號(hào)的優(yōu)先級(jí)大于B 組。 TEST 端口則用于定期試驗(yàn)時(shí)判斷輸出信號(hào)的狀態(tài)。各輸入輸出的邏輯關(guān)系見(jiàn)表1 。PLM 的輸入還包括兩個(gè)試驗(yàn)使能信號(hào)，一個(gè)由就地開(kāi)關(guān)控制， 一個(gè)由上游安全級(jí) DCS 控制。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)均置于有效位置時(shí)則進(jìn)入試驗(yàn)?zāi)Ｊ?。兩個(gè)信號(hào)分別為 ： TestEnable2、 TestE

6、nable1。 當(dāng)PLM進(jìn) 入 試 驗(yàn) 模 式 后 ，1A/1B/2A/2B/3A/3B信號(hào)產(chǎn)生的輸出命令被閉鎖，TEST 端口將試驗(yàn)反饋信號(hào)送回上游系統(tǒng)以判斷試驗(yàn)結(jié)果。4A/4B信號(hào)則不受閉鎖的影響，可正常驅(qū)動(dòng)下游設(shè)備。1.2TELEPERM XS德國(guó)西門(mén)子公司的TXS 平臺(tái)由 AV42 模塊執(zhí)行優(yōu)先級(jí)控制功能。 該平臺(tái)已在田灣、嶺澳核電項(xiàng)目中得到應(yīng)用。如圖 2 所示，AV42 模塊由兩大部分組成PLD 與 processor 。PLD 采用硬件電路，主要完成驅(qū)動(dòng)指令的優(yōu)選與輸出、采集現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)器的反饋信息、執(zhí)行定期試驗(yàn)等功能。 Processor 包括微處理器、 PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)控制器

7、及內(nèi)存等，主要負(fù)責(zé)傳輸非安全級(jí)系統(tǒng)控制命令、PROFIBUS 通訊控制、驅(qū)動(dòng)器及優(yōu)選模塊狀態(tài)反饋、自診斷等功能。AV42模塊包括面板上的開(kāi)關(guān)信號(hào)，通過(guò)硬接線連接的從安全級(jí)系統(tǒng)來(lái)的自動(dòng)信號(hào)和手動(dòng)信號(hào)，通過(guò)總線連接的非安全級(jí)系統(tǒng)來(lái)的自動(dòng)信號(hào)和手動(dòng)信號(hào)等，優(yōu)先級(jí)從高到低分為以下幾類(lèi)：1）面板上的就地開(kāi)關(guān)信號(hào)接口，用于開(kāi)、關(guān)、診斷三種功能。其中關(guān)信號(hào)優(yōu)先級(jí)最高， 診斷信號(hào)優(yōu)先級(jí)最低。 面板上的開(kāi)關(guān)信號(hào)具有最高的優(yōu)先級(jí)，即使在自動(dòng)控制系統(tǒng)失效的情況下也可以對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行就地控制。2）安全級(jí)系統(tǒng)信號(hào)接口，為第二優(yōu)先級(jí)。該信號(hào)又劃分為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別，級(jí)別 1 高于級(jí)別 2。3 ）控制室信號(hào)接口，接收來(lái)自?xún)蓚€(gè)控制

8、室的信號(hào)。4 ）來(lái)自非安全級(jí)系統(tǒng)的信號(hào)接口，通過(guò)通訊總線連接，優(yōu)先級(jí)最低。對(duì)于每個(gè)信號(hào)源而言，其內(nèi)部命令還具有優(yōu)先級(jí)。面板開(kāi)關(guān)命令：關(guān)閉打開(kāi)診斷 / 停止；安全級(jí)設(shè)備命令： 1# 關(guān)閉 1# 打開(kāi) 2# 關(guān)閉 2# 打開(kāi)；控制室命令：關(guān)閉打開(kāi)停止；非安全級(jí)設(shè)備：打開(kāi)、關(guān)閉、停止、附加按鍵開(kāi)關(guān)控制。AV42 模塊送給驅(qū)動(dòng)設(shè)備的信號(hào)為三個(gè)：CMDOFF （關(guān)閉信號(hào)）、CMDON（開(kāi)信號(hào)）、CONTROL（ Check command）阻塞信號(hào)，即此輸出為高時(shí)， OFF、ON 無(wú)效；為低時(shí)， OFF、 ON 有效。AV42模塊還設(shè)置了控制室切換控制端口。根據(jù)輸入信號(hào)的狀態(tài)，優(yōu)選模塊可對(duì)來(lái)自控制室的命

9、令進(jìn)行使能控制，達(dá)到控制室切換的目的。AV42 模塊提供了以下硬件自檢能力：與 PLD 連接的看門(mén)狗電路，可以檢測(cè)微處理器的循環(huán)操作和PLD 的基本功能?？撮T(mén)狗發(fā)現(xiàn)故障將使微處理器復(fù)位。低電壓監(jiān)測(cè)電路。當(dāng)供給模塊的電壓低于定值時(shí)，低壓監(jiān)視電路將會(huì)把驅(qū)動(dòng)電路輸出置為 0 。開(kāi)路和短路監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)開(kāi)路、短路、超載時(shí)，PLD 可將狀態(tài)信號(hào)反饋給微處理器。2 國(guó)產(chǎn)化研發(fā)思路優(yōu)先級(jí)控制模塊作為安全級(jí)儀控平臺(tái)的重要組成部分，其性能直接影響核電廠的安全性。 優(yōu)先級(jí)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)優(yōu)先級(jí)判斷、輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)、 采集驅(qū)動(dòng)設(shè)備狀態(tài)信息等功能，同時(shí)需滿(mǎn)足高可靠性及響應(yīng)時(shí)間要求。通過(guò)上述國(guó)外供貨商采用的設(shè)計(jì)方案可

10、以看出，兩大平臺(tái)都是基于FPGA 或者 CPLD 技術(shù)，不采用軟件直接用“與、或”門(mén)搭建功能。FPGA 技術(shù)既提供了高效的邏輯處理能力， 同時(shí)保持了“硬邏輯”的特質(zhì)，使其不受軟件共模故障的影響。優(yōu)選模塊為安全級(jí)設(shè)備，但其接收的信號(hào)也包括非安全級(jí)部分，應(yīng)進(jìn)行不同安全級(jí)信號(hào)的隔離， 以保證故障不會(huì)從低安全級(jí)系統(tǒng)向高安全級(jí)系統(tǒng)蔓延。功能可考慮在優(yōu)選模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)，也可設(shè)置單獨(dú)的隔離機(jī)柜。安全級(jí)優(yōu)選模塊輸入信號(hào)與整個(gè)系統(tǒng)所需功能密切相關(guān)，一般包括就地控制隔離命令、專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全級(jí)自動(dòng)控制命令、緊急控制盤(pán)（ECP）的手動(dòng)控制命令、后備盤(pán)（ BUP ）的手動(dòng)控制命令、 DAS 系統(tǒng)的非安全級(jí)自動(dòng)控

11、制命令、控制系統(tǒng)的非安全級(jí)自動(dòng)控制信號(hào)等。Tricon 平臺(tái)的優(yōu)選模塊邏輯簡(jiǎn)單， 便于實(shí)現(xiàn)；而 TXS 平臺(tái)則引入了更多的輸入信號(hào)， PLD 根據(jù)條件判定同類(lèi)信號(hào)的優(yōu)先級(jí)。TXS 平臺(tái)的優(yōu)選模塊可回讀驅(qū)動(dòng)設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)，并結(jié)合信號(hào)優(yōu)先級(jí)控制設(shè)備輸出，Tricon的優(yōu)選模塊只是將優(yōu)選模塊執(zhí)行的驅(qū)動(dòng)信號(hào)反饋回上級(jí)設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)設(shè)備的狀態(tài)由其他系統(tǒng)進(jìn)行采集。上述兩種平臺(tái)優(yōu)選模塊輸入輸出的處理方式雖然略有不同，但都能完成優(yōu)先級(jí)管理和驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能。優(yōu)選模塊的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)可以借鑒其成熟經(jīng)驗(yàn)，在保證基本功能的前提下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加設(shè)備的可用性與擴(kuò)展性。除此之外，優(yōu)選模塊還應(yīng)具備故障監(jiān)測(cè)能力，既要對(duì)模塊內(nèi)

12、部進(jìn)行自診斷，還需對(duì)輸入輸出回路進(jìn)行監(jiān)測(cè)。模塊自診斷不應(yīng)妨礙系統(tǒng)安全功能的執(zhí)行。故障信息可反饋至上游系統(tǒng)， 也能在模塊指示燈上顯示。 為了配合安全級(jí)系統(tǒng)定期試驗(yàn)，優(yōu)先級(jí)控制模塊需設(shè)置閉鎖功能。當(dāng)電廠運(yùn)行時(shí)， 部分現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)器受工況的限制不能真實(shí)驅(qū)動(dòng)。 優(yōu)選模塊通過(guò)閉鎖輸出且反饋驅(qū)動(dòng)信號(hào)的方式，配合系統(tǒng)完成定期試驗(yàn)。3 總結(jié)優(yōu)先級(jí)控制模塊是安全級(jí)儀控平臺(tái)的重要組成部分，其性能直接影響電廠運(yùn)行的安全。優(yōu)選模塊設(shè)計(jì)應(yīng)確保系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，同時(shí)在不影響可靠性的情況下優(yōu)化設(shè)計(jì)，為運(yùn)行維護(hù)提供便利。參考文獻(xiàn) IEEE Std 338. IEEE Standard Criteria for the Periodic SurveillanceTesting of Nuclear Power Generating Stat