秦山核電一期的棒控棒位系統(tǒng)數(shù)字化改造

卜江濤 匡紅波

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院電氣儀控所 上海 200233)

控制棒在反應(yīng)堆堆芯中的正確移動(dòng)，由控制棒控制系統(tǒng)(下文簡(jiǎn)稱(chēng)為棒控系統(tǒng))完成，這是反應(yīng)堆正常運(yùn)行的重要條件。控制棒位置指示系統(tǒng)(下文簡(jiǎn)稱(chēng)為棒位系統(tǒng))，用于控制棒位置監(jiān)測(cè)，顯示對(duì)控制棒的要求和實(shí)測(cè)棒位，并在控制棒位置出現(xiàn)異常時(shí)，發(fā)出緊急報(bào)警信號(hào)[1]。

秦山核電一期的30萬(wàn)機(jī)組，于1991年建成首次并網(wǎng)發(fā)電，其控制棒控制系統(tǒng)和棒位指示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均為模擬插件，且將接近其使用期。在更換該棒控棒位控制系統(tǒng)時(shí)，我們采用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)棒控系統(tǒng)的邏輯控制功能，提供觸摸屏顯示和操作，并改進(jìn)了棒控系統(tǒng)電源供電回路；棒位指示系統(tǒng)也采用數(shù)字化技術(shù)處理棒位信號(hào)，提供觸摸屏監(jiān)測(cè)和顯示。新棒控棒位系統(tǒng)的外部接口保持不變。

1 棒控系統(tǒng)改進(jìn)

1.1 棒控系統(tǒng)“一帶一”控制方式

秦山核電一期棒控系統(tǒng)的原設(shè)計(jì)為“一帶四”控制方式，即一個(gè)主電路向一個(gè)控制棒組的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供控制電流(最大四束，即一帶四)，該設(shè)計(jì)的設(shè)備利用率高，但對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈的電氣參數(shù)一致性要求較高，若該控制棒組各驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈的電流不一致，會(huì)影響驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和使用壽命，也給控制系統(tǒng)的控制和調(diào)試帶來(lái)困難。鑒此，將該棒控系統(tǒng)改為“一帶一”控制方式，即每一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各有一個(gè)主電路，37束控制棒共對(duì)應(yīng)37個(gè)主電路，每個(gè)主電路包括3個(gè)供電回路，即提升線(xiàn)圈供電回路、可動(dòng)鉤爪線(xiàn)圈供電回路和固定鉤爪線(xiàn)圈供電回路。每個(gè)供電回路由三相半波晶閘管整流電路(包括移相觸發(fā)器)及電流調(diào)節(jié)回路組成。

此控制方式增加了控制的靈活性，降低了對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈參數(shù)一致性的要求，但增加了設(shè)備數(shù)量，為使現(xiàn)有棒控間能容納這些控制設(shè)備，采用結(jié)構(gòu)緊湊的雙聯(lián)柜。改造后的棒控系統(tǒng)由2個(gè)邏輯柜(邏輯柜A、邏輯柜B)、10個(gè)電源柜(9個(gè)雙聯(lián)柜和1個(gè)單柜)、1個(gè)數(shù)據(jù)采集柜組成[2](該機(jī)柜用于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈電流波形的采集和落棒試驗(yàn))。

1.2 棒控系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)

棒控系統(tǒng)從功能上可分為主循環(huán)邏輯、從動(dòng)循環(huán)邏輯和供電回路。主循環(huán)邏輯接收外系統(tǒng)提供的控制信號(hào)(如來(lái)自主控室的手動(dòng)控制命令和來(lái)自功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的自動(dòng)控制命令)，對(duì)其進(jìn)行綜合處理，向指定的控制棒組發(fā)送移動(dòng)一步的啟動(dòng)命令(同組控制棒的不同子組間相差半步)和方向命令。從動(dòng)循環(huán)邏輯接收主循環(huán)邏輯的啟動(dòng)信號(hào)后按照要求的方向產(chǎn)生控制棒移動(dòng)一步所需的電流時(shí)序信號(hào)，并送往供電回路中的電流調(diào)節(jié)回路。電流調(diào)節(jié)回路將信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓定值，與來(lái)自驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈中的反饋電壓信號(hào)進(jìn)行比較控制，由晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中線(xiàn)圈的電流，使其滿(mǎn)足移動(dòng)時(shí)的電流要求，從而實(shí)現(xiàn)控制棒的移動(dòng)[3]。

主循環(huán)邏輯和從動(dòng)循環(huán)邏輯的功能由數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)，采用美國(guó) Rockwell Automation公司Allen-Bradley品牌下的ControlLogix系列PLC控制器[4]，該設(shè)備具有很高的可靠性。

主循環(huán)邏輯采用一個(gè)帶冗余功能的主循環(huán)控制器實(shí)現(xiàn)[5]，該控制器位于邏輯柜中。每個(gè)子組采用一個(gè)從動(dòng)循環(huán)控制器，從動(dòng)循環(huán)控制器位于電源柜中。主循環(huán)控制器和從動(dòng)循環(huán)控制器之間的通信采用星型連接方式；主循環(huán)邏輯控制器僅需向從動(dòng)循環(huán)控制器輸送子組選擇信號(hào)和移動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)及方向信號(hào)。此配置大大減少了主循環(huán)控制器通過(guò)通信向從動(dòng)循環(huán)控制器的發(fā)送的信號(hào)數(shù)量(70?80)。通信延遲會(huì)造成從動(dòng)循環(huán)控制器接收信號(hào)的延遲，控制棒移動(dòng)速度要求為6?60步/min[2]，則最快的移動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)為1次/s，但本設(shè)計(jì)的從動(dòng)循環(huán)控制器接收控制信號(hào)的最大延遲時(shí)間<10 ms。啟動(dòng)信號(hào)的延遲僅影響控制棒開(kāi)始移動(dòng)的時(shí)間，并不影響控制棒的移動(dòng)時(shí)序，且10 ms的延遲遠(yuǎn)小于500 ms，也滿(mǎn)足同組控制棒中不同子組間相差不能超過(guò)一步的要求。電源柜中的從動(dòng)循環(huán)器接收到啟動(dòng)命令和方向信號(hào)后，產(chǎn)生控制棒在指定方向上移動(dòng)一步所需的時(shí)序信號(hào)，由于每個(gè)從動(dòng)循環(huán)控制器只向本子組發(fā)送時(shí)序信號(hào)，信號(hào)量大大減少，同時(shí)通過(guò)本機(jī)箱上的輸出模塊直接發(fā)送，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的要求。PLC配置方案如圖1所示。

圖1 棒控系統(tǒng)PLC配置圖Fig.1 PLC controller configuration for the new rod control system.

I/O機(jī)箱用于連接控制棒控制系統(tǒng)與外系統(tǒng)之間的信號(hào)(如主控室的控制和顯示)；觸摸屏的操作界面可顯示棒控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，包括自動(dòng)、手動(dòng)、方向、要求棒位與故障狀態(tài)。故障狀態(tài)還可通過(guò)界面導(dǎo)航定位到系統(tǒng)的某個(gè)設(shè)備，調(diào)試時(shí)，可通過(guò)操作界面進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)參數(shù)，為操作和維修提供便利。邏輯柜B由顯示器、工控機(jī)和打印機(jī)組成，工控機(jī)用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及PLC控制程序的編輯、下載以及在線(xiàn)調(diào)試。電源柜由PLC機(jī)箱、電流調(diào)節(jié)電路及晶閘管整流回路(電流調(diào)節(jié)電路及晶閘管整流回路組成電源供電回路，具體描述見(jiàn)電源供電回路設(shè)計(jì)部分)組成。邏輯柜冗余控制器與觸摸屏、工控機(jī)、電源柜PLC控制器、棒位指示系統(tǒng)中的PLC控制器之間通過(guò)冗余的Controlnet進(jìn)行通信。

1.3 棒控系統(tǒng)電源供電回路設(shè)計(jì)

1.3.1 電源供電回路的設(shè)計(jì)改進(jìn)

電源供電回路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈電流的控制(圖 2)，由電流調(diào)節(jié)回路和晶閘管整流回路組成，每個(gè)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有三套電流調(diào)節(jié)回路和晶閘管整流回路，分別向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的提升線(xiàn)圈、可動(dòng)鉤爪線(xiàn)圈和固定鉤爪線(xiàn)圈提供所需電流。電源供電回路的原理如圖3所示，我們把完成提升線(xiàn)圈電流調(diào)節(jié)回路的模擬插件所在的機(jī)箱稱(chēng)為提升機(jī)箱，同樣還有動(dòng)鉤機(jī)箱和定鉤機(jī)箱。由圖 3，定值模塊接收來(lái)自PLC輸出接口的控制命令后，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓定值，調(diào)節(jié)模塊接收該電壓定值并與來(lái)自霍爾傳感器的電壓信號(hào)進(jìn)行比較和調(diào)節(jié)，最終通過(guò)移相觸發(fā)模塊控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)控制棒電源流經(jīng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈電流的大小。該部分系強(qiáng)電控制，且采用反饋的控制方式，需對(duì)反饋電壓進(jìn)行采集，不適合采用PLC完成，故仍采用模擬插件方式完成相關(guān)功能。

1.3.2 電源供電回路與PLC接口電路設(shè)計(jì)

控制棒控制系統(tǒng)的主循環(huán)邏輯和從動(dòng)循環(huán)邏輯都采用PLC實(shí)現(xiàn)，主循環(huán)控制器和通信采用冗余的配置方式，但I(xiàn)/O模塊為非冗余配置。考慮到輸出模塊故障模式為低電平模式，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)定鉤線(xiàn)圈和動(dòng)鉤線(xiàn)圈控制時(shí)序信號(hào)輸出端采用低電平有效的控制方式，當(dāng)對(duì)應(yīng)于定鉤大電流或動(dòng)鉤大電流/小電流命令的輸出模塊出現(xiàn)故障而處于低電平狀態(tài)時(shí)，電源供電回路仍能使固定鉤爪線(xiàn)圈和可動(dòng)鉤爪線(xiàn)圈處于通電狀態(tài)，從而避免輸出模塊故障時(shí)引起控制棒落棒事故。此外，控制電路還接收從動(dòng)循環(huán)控制器的PLC緊急故障信號(hào)，該信號(hào)同樣采用低電平有效的控制方式，當(dāng)該信號(hào)存在時(shí)自動(dòng)閉鎖控制棒的移動(dòng)。

圖2 改造后的棒控棒位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram for the new rod control and rod position systems at Qinshan NPP.

圖3 電源供電回路原理圖Fig.3 Schematics of the power supply circuit.

1.3.3 故障報(bào)警功能及故障響應(yīng)功能改進(jìn)

由圖1，邏輯柜中的主循環(huán)PLC控制器采用冗余的配置方式：控制器1和控制器2?？刂破?監(jiān)測(cè)到控制器1出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)切換到運(yùn)行狀態(tài)，并給出報(bào)警?？刂破髑袚Q不會(huì)造成控制棒移動(dòng)故障。同時(shí)邏輯柜中的控制器還對(duì)電源柜中的 PLC控制器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，電源柜控制器出現(xiàn)故障時(shí)，邏輯柜中的控制器發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，同時(shí)電源柜的輸出置于故障模式，使控制棒處于雙保持狀態(tài)。

在電源回路中設(shè)置各種檢測(cè)電路來(lái)探測(cè)回路的故障，發(fā)生故障時(shí)采取必要的補(bǔ)救措施，以防止落棒事故。電源供電回路緊急故障有[2]：(1) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提升線(xiàn)圈、固定鉤爪線(xiàn)圈、可動(dòng)鉤爪線(xiàn)圈電流過(guò)大或大電流通電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；(2)同一棒束的固定鉤爪線(xiàn)圈電流和可動(dòng)鉤爪線(xiàn)圈電流同時(shí)為零；(3) 三相整流電路缺相；(4) 功能插件離線(xiàn)。

發(fā)生緊急故障后，棒控系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生如下響應(yīng)：(1) 供電回路對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行綜合處理后本地發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)送往PLC控制器進(jìn)行處理后向主控室發(fā)出緊急報(bào)警信號(hào)。(2) 禁止控制棒的自動(dòng)控制功能，系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)操作方式。(3) 電源供電回路自動(dòng)切斷緊急故障電源柜中提升線(xiàn)圈供電回路的輸出，并迅速對(duì)固定鉤爪線(xiàn)圈和可動(dòng)鉤爪線(xiàn)圈通以先大后小的電流信號(hào)，直至故障被排除，即稱(chēng)“雙保持電路”。

故障時(shí)觸發(fā)雙保持電路的控制信號(hào)采用多樣化的方式：一個(gè)信號(hào)來(lái)自于PLC控制器。電源機(jī)箱的緊急故障經(jīng)PLC處理后，向主控室發(fā)送報(bào)警信號(hào)，同時(shí)控制器向供電控制回路發(fā)出 PLC緊急故障信號(hào)，電源供電控制回路接收到該信號(hào)后，動(dòng)鉤線(xiàn)圈和定鉤線(xiàn)圈產(chǎn)生先大后小的保持電流。

考慮到機(jī)箱出現(xiàn)故障至 PLC發(fā)出緊急故障之間的時(shí)間延遲，機(jī)箱故障信號(hào)送往PLC處理時(shí)，也送往電源供電控制回路的定值插件，如動(dòng)鉤機(jī)箱故障和定鉤機(jī)箱故障送往提升機(jī)箱的定值插件，倘若前兩個(gè)機(jī)箱均發(fā)生故障，自動(dòng)閉鎖提升定值插件中提升電流命令信號(hào)。在定鉤定值插件中，提升機(jī)箱故障和動(dòng)鉤機(jī)箱故障將閉鎖來(lái)自 PLC的定鉤電流命令信號(hào)，同時(shí)將觸發(fā)定鉤定值產(chǎn)生先大后小的電流命令，用于控制棒的保持。同理，若提升機(jī)箱或定鉤機(jī)箱發(fā)生故障，動(dòng)鉤機(jī)箱中的動(dòng)鉤定值插件屏蔽來(lái)自PLC的動(dòng)鉤控制命令信號(hào)，并讓觸發(fā)動(dòng)鉤定值產(chǎn)生先大后小的電流命令，用于控制棒保持。這樣，大大縮短了機(jī)箱故障的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)也向PLC傳送了故障信號(hào)。

1.4 數(shù)據(jù)采集柜的設(shè)計(jì)

由圖 2，棒控棒位系統(tǒng)中增設(shè)數(shù)據(jù)采集柜，由工控機(jī)、采集卡、顯示器和存儲(chǔ)器等組成，功能如下：(1) 37束控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的線(xiàn)圈波形的在線(xiàn)采集和保存；(2) 配合控制棒落棒時(shí)間的測(cè)量。

該數(shù)據(jù)采集柜采集并存儲(chǔ) 37束控制棒的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈的電流波形。其設(shè)計(jì)主要考慮兩個(gè)因素：采集速度和存儲(chǔ)容量。由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈的電流由50 Hz的三相棒電源經(jīng)半波晶閘管整流后形成的電流紋波頻率為150 Hz，通過(guò)波形確認(rèn)故障原因，要求采樣頻率>1 ms /次，并有較高的采集速度。此外，設(shè)計(jì)中要求數(shù)據(jù)采集柜的存儲(chǔ)容量滿(mǎn)足所有控制棒運(yùn)行3天的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求。

數(shù)據(jù)處理柜的另一功能為配合棒位系統(tǒng)的恒流源機(jī)柜進(jìn)行落棒試驗(yàn)，完成落棒試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)控制(指驅(qū)動(dòng)棒位探測(cè)器的初級(jí)線(xiàn)圈切換功能)和落棒時(shí)間的數(shù)據(jù)采集功能。

2 棒位指示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)

棒位指示系統(tǒng)采集和處理棒位探測(cè)器信號(hào)，并對(duì)棒位信號(hào)進(jìn)行報(bào)警功能的處理。棒位指示系統(tǒng)設(shè)備由棒位測(cè)量柜和棒位處理柜組成(圖2)。棒位測(cè)量柜中的恒流源插件向棒位探測(cè)器的初級(jí)線(xiàn)圈提供初級(jí)電流，并在落棒試驗(yàn)時(shí)配合棒控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集柜完成落棒試驗(yàn)。葛萊碼(GRAY CODE)整形模塊采集37個(gè)棒位探測(cè)器的六位葛萊碼信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行整理和初步處理后送往棒位系統(tǒng)處理柜。棒位處理柜中的PLC接收來(lái)自葛萊碼整形模塊37束控制棒的葛萊碼信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成實(shí)測(cè)棒位信號(hào)，還通過(guò)通信方式從棒控系統(tǒng)中獲得要求棒位信號(hào)。此外，棒位PLC還需完成失步報(bào)警功能，對(duì)控制棒的棒失步、組失步、棒離頂、落棒以及棒位裝置故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)。棒位指示系統(tǒng)也采用AB公司的PLC完成?？刂瓢艨刂葡到y(tǒng)和棒位指示系統(tǒng)間通過(guò)通信方式連接，取消了棒控系統(tǒng)和棒位系統(tǒng)之間的大量電纜。通信光纖采用冗余的配置方式，保證了系統(tǒng)之間通信的可用性。

3 結(jié)語(yǔ)

該棒控棒位系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

1) 采用一帶一控制方式，控制靈活可靠，改進(jìn)機(jī)柜結(jié)構(gòu)使控制機(jī)柜能置于原來(lái)棒控間內(nèi)。

2) 采用 PLC實(shí)現(xiàn)棒控棒位系統(tǒng)的邏輯控制和數(shù)據(jù)處理等功能，PLC可靠性高，編程方式方便控制程序的修改和調(diào)試；直觀(guān)的操作界面，便于操作員觀(guān)察和調(diào)試；控制棒控制系統(tǒng)的處理器部分和通信部分采用冗余配置，提高了系統(tǒng)的可靠性；在PLC編程中考慮了各種故障可能性及故障保障措施。

3) 改進(jìn)了電源供電控制回路的插件電路，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了 PLC輸出接口故障及各控制回路故障時(shí)的保障措施，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單一故障時(shí)，控制棒不會(huì)發(fā)生落棒事故。

4) 棒控系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)處理柜，對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈電流進(jìn)行采集和保存，用于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)故障分析。

5) 棒控棒位系統(tǒng)間的信號(hào)采用通信方式傳輸，減少了兩系統(tǒng)間的大量電纜，冗余的配置方式保證了系統(tǒng)間通信的可靠性。

該系統(tǒng)自2008年1月投入使用以來(lái)運(yùn)行良好。

1 杜圣華. 核電站[M]. 北京：原子能出版社, 1958

DU Shenghua. Nuclear power plant[M]. Beijing: Atomic Energy Publisher, 1958

2 曹梅新. 長(zhǎng)棒控制裝置、控制棒位置指示裝置說(shuō)明書(shū)[Z]. 上海核工程研究設(shè)計(jì)院, 2006, Revision A

CAO Meixin. System manual for control rod control system and control rod position indication system[Z]. Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, 2006, Revision A

3 卜江濤. 棒控棒位系統(tǒng)設(shè)備柜技術(shù)規(guī)范書(shū)[Z]. 上海核工程研究設(shè)計(jì)院, 2005, Revision B

BU Jiangtao. Technical specification for control rod control system and control rod position indication system[Z]. Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, 2005, Revision B

4 ControlLogix System User Manual, Rockwell Automation 2006

5 ControlLogix Redundancy System User Manual, Rockwell Automation, 2006