北京广利核系统工程有限公司

                         
    贺伟超（1979-）男，河北石家庄人，工程师，2003年毕业于燕山大学电气工程学院自动化系。主要从事
核电站数字化仪控系统的工程设计、实施方面的研究。

    摘要：岭澳二期核电厂为新建电站，其中联合泵站循环水过滤系统清污机控制采用罗克韦尔自动化系统的ControlLogix系列PLC实现。系统设计通过冗余、降容、报警、物理通道隔离、高IP防护等级、机组隔离等措施，实现联合泵站就地控制系统的稳定、可靠运行。

    关键词：清污机；数字化设计；可靠性

    Abstract: Circulating water filtration system clean-up machine control for copumping station ，in which Ling Ao Phase-Ⅱ nuclear power plant for new power plant uses AB system controlLogix series PLC implementation.System design by considering the redundancy, lower capacity, alarm, physical channel isolation, high IP protection rating, unit isolation measures to achieve local control of the joint pumping system stability, reliable operation.

    Key words: Clean-up machine; Digital design; Reliability

    1 引言

    核电厂联合泵站循环水过滤系统清污机控制采用数字化设计对提高核电厂安全性、运行可靠性和经济性有重要意义。系统数字化技术的广泛应用是新型核电机组的主要发展趋势。世界各核电站设备供应商提供的新型核电机组，基本上都采用了全数字化的仪控系统，并且进一步向智能化方向发展。结合可靠性技术设计，数字化仪控系统可以避免因为单一故障引起的控制系统功能失效，极大地提高系统的运行可靠性。

    当前，国内核电机组建设包含具有2代加、3代、4代特征的机组，岭澳二期核电厂是具有2代加特征的核电厂，其中一项主要改进项为核电机组控制的数字化。当前数字化技术日趋成熟和完善，完全可以满足核电厂对系统运行的较高要求，在设备运行的可靠性、安全性和经济性等方面，大大超过了模拟仪控系统。

    2 系统描述

    联合泵站循环水过滤系统：泵站从供水渠道取水，通过过滤设施后同时向循环水泵、核岛重要生水系统水泵供水。其中清污机作为循环水过滤系统的一套清污装置对进入旋转鼓网前的细栅过滤装置进行清污操作。清污机控制系统主要包含4台格栅清污机的逻辑控制，每台清污机由1台升降电机、1台啮合电机驱动，升降电机和啮合电机按照控制时序顺序动作，清理过滤设施的污物[1]，图1是清污机控制系统原理框图。
                
                                              图  1
                
    3 控制系统网络结构
                
                                            图  2
    图2为控制系统网络结构图，它由系统网和采集网组成，系统网实现工程师站与主控制站间的数据传输和通讯，采集网为主控制站与远程I/O站间的通讯。

    系统网采用1784-PCC通讯卡或者RS232编程电缆实现工程师站与1756-CNBR模块间的通讯，可在工程师站上对系统进行在线编辑、上/下载、实时监控等操作。
采集网ControlNet-A、ControlNet-B两路互为冗余。ControlNet为工业自动化领域的标准网络，其标准为IEC61158；ControlNet采用生产者/消费者(PRODUCER/CONSUMER)模式，以提高其传输速率；具有良好的可扩展性及开放性。

    4 控制系统安全设计

    （1）系统冗余

    每台机组控制系统满足CPU冗余配置：当其中一台CPU故障时，另一台CPU能够无扰地接替原来CPU的工作，保证单CPU失效的情况下工艺系统运行正常；
    每台机组控制系统的电源满足冗余配置：当其中一台电源模块故障时，另一台电源模块能够独立承担系统的供电，保证单电源失效的情况下控制系统运行正常；
    每台机组控制系统控制网络满足冗余配置：当其中单侧网络故障时，另一侧网络能够无扰的接替故障网络的工作，保证单网络失效的情况下控制系统运行正常。

    （2）机组隔离独立

    两台机组独立配置控制系统，一台机组的故障不会影响另一台机组的正常运行，满足核电厂单一故障准则的要求。

    （3）机组重要信号的隔离

    在机组信号通道分配时，注意机组重要信号的隔离，使同一设备的重要信号不在同一模件上配置。

    （4）控制系统与现场的隔离

    系统采用继电器隔离的方式来实现模块通道与现场全部隔离的要求，使现场的故障最大限度的与控制装置本身隔离。

    （5）控制系统硬件的降容使用

    在选择控制系统平台硬件时，注意按照硬件降容的选型原则进行，在电源模块容量、CPU负荷率、通讯负荷率等指标方面都降容选择，保证正常工况下的系统运行负荷率远低于系统的额定指标，从而极大提高系统的安全可靠性。

    （6）系统报警

    对系统重要的工艺运行状态、PLC控制系统本身的故障状态进行报警提示。

    （7）系统防护等级的考虑

    系统采用IP55的机柜防护等级，极大提高泵站系统在极端情况下的安全性。

    （8）数据安全性

    系统提供用户密码保护功能，非授权用户无法对计算机程序软件进行操作，保证设备的正常运行。

    5 控制系统软件设计

    5.1 系统软件设计简介

    在实现联合泵站循环水过滤系统清污机控制系统各种功能要求的前提下，采用了功能化的程序模块设计方式对整个系统进行编程和优化，增强了程序的可读性和实用性，明显减少了运行程序的重复扫描时间，提高了系统的动态响应速度，图3是系统软件开发流程图。
                                   
                                          图  3
    软件开发总体过程：

    设计输入文件审查： 主要是对程序设计方的输入文件的审查包括：I/O清单、逻辑图等文件的审查。
    组态规范定义：在具体组态工作进行之前对具体组态规则的定义包括：点命名、特定功能模块定义、单位逻辑方案页的定义等。
    数据库组态：主要是根据系统工艺及功能要求对系统的物理点、内部点进行分配规划，此工作是整个软件开发的核心工作。
    编写梯形图：具体的程序组态工作，使用梯形图的方法对程序进行编写实现。
    软件测试、回归、验证：通过软件仿真测试对软件中的问题进行确认、回归、验证。

    5.2 清污机控制

    每台清污机控制包含1台上升/下降电机、1台啮合电机的控制，控制模式包含：自动运行控制、强制运行控制、手动运行控制。

    自动运行控制

    每台清污机从启动位开始下降运行，在运行5秒后触发清污机啮合松开，清污机下降到下限位时，清污机下降停止，启动清污机上升，下限开关有效后5 秒， 啮合电机啮合。如果下降电机启动运行超过210秒以后，下限开关保持无效，会生成限位开关报警停车信号，使清污机停止运行。此后过程周而复始，连续运行。定时逻辑自自动运行模式生效8秒后触发第一次自动运行信号，此后每24小时生成一次定时运行触发信号。无论定时逻辑何时触发，只要栅条水位差计信号为1就会触发清污机自动运行，每次清污机自动运行的停止位为上限位。如图4所示。
               
                            图4  清污机自动运行模式程序流程图 
    强制运行控制

    强制运行模式和自动运行模式的区别是强制运行模式不需要自动运行模式运行时的定时逻辑、栅条水位差计触发信号，只要清污机处于停止位，就可以启动清污机下降电机，此后清污机的执行和自动运行模式一致。如图5所示。
                
                             图5  清污机强制运行模式程序流程图
    手动运行控制

    手动运行模式为自动运行模式、强制运行模式之外提供了一种有效的控制方式，可以依靠手动运行处理极端停车、维修后清污机再次运行。手动控制分手动上升控制、手动下降控制、手动啮合控制、手动非啮合控制，图6是清污机手动运行模式程序流程图。
                
                                        图  6

    故障处理

    系统紧急停车信号、限位开关故障信号、松绳故障信号有效后，系统跳出自动运行、强制运行状态，使系统停车。

    6 系统可靠性

    系统可靠性是指在规定的条件和规定的时间内，系统完成确定功能的能力。可靠性的定量描述借助于概率分析方法来完成。其特征量主要有：可靠度、平均故障间隔时间tMBF、维修度、平均修复时间tMTR、有效度A等。
           
    有效度的计算公式：

                       
   从公式可以看出，当t_MBF趋于无穷时，A趋于1，当t_MBF趋于0时，A趋于0。这意味着可以通过提高系统可靠性及减少维护时间两种方法来提高系统的有效度，另外在极端情况下，即使tMBF不高，但t_MTR很小，仍然可以得到很高的有效度。

    系统可靠度的提高是一个综合指标，需要从系统全方位的设计入手，比如在系统设计时考虑了文中第4章提到的控制系统安全设计，同时考虑提高系统的可维护性，这样也达到提高系统的有效度的目的。

    7 结论

    通过本次数字仪控系统的建设，岭澳二期核电厂联合泵站循环水过滤系统清污机控制系统实现了数字化，系统可靠、维护方便。相比较传统的模拟系统可靠性上有了很大的提高。系统自2008年投运以来，控制性能稳定、可靠，系统运行状态良好。

    其他作者：李相建（1967-），男，高级工程师，北京广利核系统工程有限公司工程部总工程师；张全（1977-），男，工程师，毕业于北京理工大学计算机系。现从事核电站数字化仪控系统的工程设计、实现。

    参考文献：
    [1] 广东核电培训中心. 900MW压水堆核电站系统与设备. 北京: 原子能出版社. 2005.488-494.

    摘自《自动化博览》2010年第十一期