《自动化博览》

    摘要：本文提出了大亚湾核电站核岛试验仪表系统的各项功能及其设计要求；介绍了Hollysys HS2000CAS系统在新核岛试验仪表系统的系统结构、软件系统及功能设计。

    关键词：数据采集；热平衡；设计

    1 引言

    在核电站的整个运行期间，为获取重要设备性能的信息和某些特定参数的偏离状况，大亚湾核电站专门设计了一套核岛试验仪表系统——KME系统，用于核岛重要系统和设备的自动及定期试验。

    KME系统的主要功能是执行两个重要的性能试验：⑴用于计算反应堆热功率的热平衡试验；⑵为判断RRI/SEC（设备冷却水系统/核岛重要生水系统）热交换器换热能力而进行的RRI/SEC热交换器性能试验。两个试验均需要在数据处理端实现复杂的热工水力计算，相关规范要求计算精度不低于1%，这就要求在信号端必须实现高精度的数据采集。

    2 系统特点

    KME系统主要的功能特点包括有：信号隔离和高精度数据采集功能、试验控制功能、复杂热工计算和文件管理功能。信号隔离和高精度数据采集功能。KME系统与上游信号源是电气隔离的，数据采集精度高于0.01%。数据采集的周期最快可以设置为25ms，同时系统数据采集通道是路路隔离，电气隔离电压不低于1500VAC。

    试验控制功能。定义电信号与实际物理值之间的转换方式计算公式，并完成对系统中数据采集设备进行初始化和配置。在试验期间，系统可以提供显示、跟踪监视、打印全部或部分测量信号及其物理值等功能。

   复杂热工计算。按照试验程序要求进行热平衡试验和RRI/SEC热交换器性能试验；为满足计算精度要求，需要考虑各种因素可能造成的影响，同时还要计算各种偏差产生的误差传递函数以精确的验证计算精度。

    文件管理功能。系统提供操纵员管理试验文件和历史数据的平台。

    3 系统硬件结构

    在充分分析需求和系统采购技术规范后，北京和利时系统工程股份有限公司为大亚湾核电站设计了全新的核岛试验仪表系统。

    核岛试验仪表系统总体结构如图1所示。系统由接线端子柜、采集隔离模块、采集PC计算机、处理PC机及数据输入和显示设备组成。所有设备均位于电气厂房。

    KME接线端子柜9KME001CQ集中了所有来自1号机组和2号机组的信号，信号经端子柜送到采集处理柜进行数据处理。隔离采集机笼支持96路直流电压/电流输入。信号经隔离后通过CAN总线将信号发送到采集计算机。数据采集计算机对隔离采集模块数字化处理后的实时数据进行高精度采集，并执行工程量变换及数据合法性检查，在数据上附加有数据特性和数据质量的信息，然后将其集中并通过以太网传送到数据处理计算机上。数据处理计算机通过以太网与位于数据采集计算机柜内的数据采集计算机相连，主要功能是对发送过来的数据进行存贮和记录，并可通过显示器和鼠标、键盘进行显示和操作。数据处理计算机执行热平衡试验和RRI/SEC试验的热工计算和数据处理。
 
                         
            
                                       图1  系统硬件结构图  

    4 软件系统

   软件系统包含系统平台软件和系统应用软件两个部分。系统平台软件包括数据采集计算机上运行的操作系统。数据采集计算机中安装了QNX 实时操作系统。QNX 是一种基于UNIX的实时操作系统，具有良好的多任务协同性和足够的系统鲁棒性，适于不存在人机交互的嵌入式应用；在数据处理计算机上采用WINDOWS 2000 Server操作系统，其人机交互功能良好，适于开发复杂的数据操作程序。HHHH系统应用软件包括采集计算机应用软件、数据处理计算机应用软件和网关软件；其中，数据处理计算机上的应用软件是专门面向KME执行的两个重要的热工性能试验开发的。

    5 系统主要功能简述

   5.1 系统管理

    系统管理功能包括安全性管理、操作系统访问管理、系统配置和设备管理功能。

    安全性管理是针对用户权限和口令设置，有6种操作级别，每一级别定义不同的操作范围。可分别对测量点组态、试验方案设置和操作系统访问等内容进行权限设置。操作系统访问管理给用户提供操作系统的访问接口并进行安全权限检查，以确保系统的安全性。系统配置是对系统的应用软件模块运行参数和系统硬件进行配置。设备管理功能实时监视系统设备运行状态并提供设备安装和维护的接口。

    系统管理模块同时支持自动和手工校时服务，以实现全系统范围内的时钟同步。系统可以通过一台校时终端接收电厂母钟发来的对时消息，广播到KME系统的系统通讯网络上，使在该网络上挂接的所有设备都得到对时。

    数据处理计算机是整个系统运行的核心也是KME系统管理的主要工具，负责数据的集中处理、计算和系统的运行管理，其软件系统结构图如图2所示。
     
                                
                                  图2  数据处理计算机软件系统结构图  

    5.2 信号隔离

    单路直流信号输入模块在KME系统中用于采集直流输入信号，可以通过手持编程器或采集计算机进行校正和编程修改输入信号的范围和属性(电流或电压)，其原理图如图3所示。


    将A/D转换安放在隔离放大器模块中，对系统有极大的好处。在以往的系统中，只有一个A/D模块负责所有的信号转换，一旦这个模块出现问题，所有的通道均不能工作；同时当增加信号时，每一路信号均要消耗一次A/D转换时间，是串行处理，所以路数越多，总的采集周期越长，使系统的动态精度特性变坏且不可预测，A/D模块是一个瓶颈。由于技术的发展，在我们的系统中，采用了新的工艺和技术，每一个通道均有一个A/D送。由于数字信号的传输加有CRC等严格的检错和纠错措施，其抗干扰能力远大于模拟信号的传输，所以采用转换器，所有通道同时转换，是并行处理，每一个模块已经将模拟信号转换成数字信号向数据采集计算机传数字信号可以大大提高系统的可靠性。同时由于A/D转换是同步进行的，增加信号不影响系统总的采集周期，提高了系统的实时性。
     
                           
                                      图3  信号隔离功能原理图

    5.3 高精度数据采集

    在KME 系统中， 直流输入信号的种类有： 1 ～ 5 V 、0.2～1V、100mV～500mV、4～20mA、0 V～10V。A/D部分的量程有2种，0 V～+5V和-5V～+5V。在仪表放大器部分有4级放大倍数分别是：1、2、4、8。在0 V～5V的A/D量程，可以输入的信号范围有：0 V～5V、0 V～2.5V、0 V～1.25V、0 V～0.625V。在-5V～+5V的A/D量程中，可以输入的信号范围有：-5～+5V、-2.5～+2.5V、-1.25V～+1.25V、-0.625V～+0.625V。所以直流输入为1～5V时，可以选择1倍放大倍数，利用了80%的量程。16位A/D的分辨率为1/65535，即使漂移达6个LSB，依旧可以达到0.01%的精度，输入0.2～1V时，选择4倍放大倍数，利用了64%的量程，只损失了1位的精度，可以达到1/32768的分辨率。输入0.1～0.5V的信号时，选择8倍的放大倍数，利用了64%的量程，只损失了1位的精度，可以达到1/32768的分辨率。在0V～10V输入信号时，仪表放大器为1倍增益，A/D前的运算放大器做1/2衰减，达到0V～5V的100%量程。以上的说明可以证明在这4种的程控增益下，A/D转换过程（包括隔离放大器和程控仪表放大器）至少达到0.02%的精度。

    5.4 数据库管理

    实时数据库采用和利时开发的分布式实时数据库结构。HMI和实时数据库无缝结合，共享数据。可采用OLE，OPC，ODBC，SQL等开放的协议或标准与通用的数据库平台（SQLServer，ORACLE，SYBASE等）交换数据。系统总容量大，虚拟中间点无限制。测量点组态和报警定义基于友好的图形化界面和方便的人机会话方式，支持组态定义文件的导入和导出，可根据常用的试验方案在系统中保存多个测量点组态方案，满足灵活的试验要求。能够在试验过程中修改数据库（如修改点的物理量程、物理通道号、换算公式等）而不需要中断系统操作，可大大地减少试验准备时间。

     5.5 试验控制功能

    试验方案组态管理是对试验配置参数并进行数据组织，系统设计支持每个试验独立进行或多个试验同时进行，每个试验配置都可保存为试验方案定义文件。试验启停控制除可以控制试验的启动和停止外，还可以进行单/多个试验管理和测量点通道测试试验。试验参数配置功能可进行如下设定：

    试验描述：关于该试验的描述信息。

    试验方式：连续采样试验/事故触发试验，事故触发试验方式下定义触发条件。

    采样设置：采样间隔(25ms的整数倍)、采样方式（全采样/选点采样）。

    存储设置：存储间隔、存储长度、数据类型（物理值/电气值）和记录类型（瞬时值/最大值/最小值/平均值）。

    在线参数修改：可以修改采样间隔和存储间隔，还可以进行测量点采样抑制/允许操作。

    5.6 复杂热工计算（以热平衡计算为例）

    核电站运行期间，反应堆堆芯热功率是十分重要的一个参数。只有对堆芯热功率进行准确、快速的测量，才能保证反应堆安全、经济运行。如果堆芯热功率测量值低于实际值，反应堆将在超过其运行参数的条件下运行，反应堆容易烧坏，从而引发事故，危及设备及人身安全。相反，如果堆芯热功率测量值高于实际值，反应堆没有达到其额定运行条件，反应堆向外放出的热量及由此导致的发电量均低于设计值，机组的经济性将受到影响。

    KME系统采用热平衡试验进行反应堆堆芯热功率的测量。

    热平衡试验是在测量蒸汽发生器中二回路工作介质温度、压力、流量等物理参数的基础上，计算出二回路工作介质通过蒸汽发生器时产生的焓升，从而得到反应堆一回路传给二回路的能量，然后再把一回路通过其它设备得到的能量和失去的能量考虑进去，由能量平衡原理求出反应堆堆芯热功率。

    在稳态运行模式下，可得到如下能量平衡方程：

                   （1） 

    其中：

    WR为反应堆堆芯热功率(MW)

    WSGi为第i个蒸汽发生器内二回路工作介质获得的热功率(MW)W

    ΔPr为其它热源传给反应堆冷却系统的热功率(MW)

    对于每一个回路，根据热平衡，工质所获得的热功率为：

              WSGi = Qv Hv + QpHp— QeHe (MW) （2）

    式（2）中，Qv：蒸汽发生器出口蒸汽流量( kg / s )；Hv：蒸汽发生器出口蒸汽焓值( kJ / kg )；Qp：蒸汽发生器排污流量( kg /s )；Hp：蒸汽发生器排污焓值( kJ / kg )； Qe：蒸汽发生器入口给水流量( kg / s )；He：蒸汽发生器入口给水焓值( kJ / kg )。

    计算过程中，为满足计算精度要求，需要考虑摩阻系数、雷诺数、管道相对粗糙度以及管道和孔板温度膨胀系数的影响，此外还要考虑主泵带入的热量、补给泵带入的热量和稳压加热器带入的热量，输出热量有非再生热交换器带走的热量、密封水换热器带走的热量、反应堆冷却系统带走的热量和系统热损失。在计算误差传递函数时，需要同时考虑随机误差和系统误差的影响。由公式（1）和可得到如下原理算式：
     
               

    5.7 图形功能

    图形功能支持动态数据点、棒图、开关变图、状态趋势显示等，屏幕切换时间小于1秒，刷新周期小于0.5秒，每幅图中动态点（图 ）可达512个，每幅图的大小不小于1024×768，支持弹出式对话框，当画面大于屏幕范围时，支持图形缩放功能，用户可增加静态图片库。每一屏幕最大可以同时显示4组曲线，每组曲线可以最多5条曲线，每条曲线对应的物理通道可以在试验过程中任意修改。

    5.8 报警功能

    支持多种级别的分类报警，包括各种报警列表和弹出式报警窗口。在报警时，对指定的对象作相应处理（如图形变色，闪烁等）。对发生的报警做记录，记录深度大于5000条，在超出时，保留最新的报警。可对报警做确认、删除、存盘和打印等后续处理。

    5.9 历史记录功能

    系统对各种数据设定记录间隔（最小为1个采样周期25mS，最长为4000秒）。记录的长度可自由设定，可随时调用历史文件显示趋势或打印。最大数量与点数（物理和虚拟点）相同。各种趋势图可自由设定时间间隔，有放大缩小和游标测量等功能，并能随时打印。系统还可记录所有发生的操作。

    6 结语

    大亚湾核电站试验数据采集系统满足电站试验的要求；经过EDF同类设备的校验和比对，KME系统的总体精度满足规范要求，并且略高于原系统，为保证反应堆安全、经济运行发挥了积极作用。

    熊国华（1975-）

    男，工程师，1998年毕业于武汉水利电力大学电力系统及其自动化专业，现从事核电厂仪控技术改造工作。

    董超群（1974-）

    男，高级工程师，1995年毕业于西安交通大学自动控制专业，现从事核电站仪表控制方面的工程改造工作。  

    摘自《自动化博览》2011年第十一期