核電廠TES 水泥固化線控制策略研究與應(yīng)用

薄晶杰 林 鋒 劉錦洋 王 星

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司1，廣東 深圳 518172;深圳行健自動(dòng)化股份有限公司2，廣東 深圳 518000)

0 引言

水泥固化線作為一種核電廠運(yùn)行期間產(chǎn)生的固體廢物的處理工藝，長期以來被國外供貨商壟斷，但近一兩年來，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的固體廢物處理系統(tǒng)自主化設(shè)計(jì)方案相繼在國內(nèi)多個(gè)CPR1000 項(xiàng)目上成功實(shí)施，徹底打破了國外供貨商的壟斷局面。隨著工業(yè)自動(dòng)化水平和數(shù)字化控制水平的日益提高，更加可靠、先進(jìn)的數(shù)字化控制系統(tǒng)也投入應(yīng)用在水泥固化線生產(chǎn)工藝中，同時(shí)更加合理、高效、有針對性的控制策略也應(yīng)運(yùn)而生。

1 ISA-S88 標(biāo)準(zhǔn)概述

S88 標(biāo)準(zhǔn)共有4 個(gè)部分，分別是S88.01、S88.02、S88.03 和S88.04，水泥固化線控制方案參考了S88.01的模型標(biāo)準(zhǔn)。S88. 01 標(biāo)準(zhǔn)的全稱為ANSI/ISA -88.01 -1995，批處理控制部分1:模型和術(shù)語。這一標(biāo)準(zhǔn)得到了國際上的廣泛接受，它被開發(fā)并針對用于批處理工業(yè)。

在工業(yè)行業(yè)有很多批處理工藝，同樣在食品、飲料、制藥和造紙也有這樣的工藝。批處理過程的特點(diǎn)之一是如果把不同批次的產(chǎn)品放在一起，很難區(qū)分是哪一批生產(chǎn)的產(chǎn)品;其另一個(gè)特點(diǎn)是用同一種設(shè)備可以生產(chǎn)出不同的最終產(chǎn)品，對設(shè)備提出了高度柔性的要求。S88 標(biāo)準(zhǔn)為批處理控制提供了柔性的方法。

S88 標(biāo)準(zhǔn)中包含了模型和術(shù)語，用來構(gòu)建生產(chǎn)過程的結(jié)構(gòu)，其主要概念是把設(shè)備的控制和生產(chǎn)的過程相分離，這就使得使用相同的設(shè)備、執(zhí)行不同的過程、生產(chǎn)不同的產(chǎn)品成為可能。該標(biāo)準(zhǔn)是按批處理過程開發(fā)，同樣也適用于連續(xù)的和離散的過程，如果這些生產(chǎn)過程中需要一定程度的柔性，那么就可以應(yīng)用S88標(biāo)準(zhǔn)。

S88.01 提供了一種層疊模型，用來對物理設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的描述，被稱為物理模型。控制系統(tǒng)工程師可以基于這個(gè)模型，對設(shè)備所有可能的功能進(jìn)行編程。

S88 標(biāo)準(zhǔn)不僅是一種軟件、設(shè)備和程序標(biāo)準(zhǔn)，更是一種思維方式、設(shè)計(jì)理念。

2 水泥固化線系統(tǒng)簡介

2.1 系統(tǒng)組成及功能說明

CPR1000 項(xiàng)目中固體廢物處理系統(tǒng)(solid waste treatment system，TES)主要分為兩部分，上游為濃縮液、廢樹脂的收集和貯存;下游則是固體廢物的處理。在某核電廠項(xiàng)目中，即采用水泥固化生產(chǎn)線工藝。水泥固化線的功能是采用水泥作為固化劑，對TES 系統(tǒng)所收集的濃縮液、廢樹脂和廢過濾器芯等濕放射性廢物進(jìn)行固化或固定，并封存在容器中，以形成穩(wěn)定的貨物包，便于運(yùn)輸和長期貯存。

水泥固化線為非安全相關(guān)系統(tǒng)，但系統(tǒng)設(shè)有屏蔽，使運(yùn)行人員和公眾所受的輻照劑量率不超過允許限值，同時(shí)對各種放射性物質(zhì)進(jìn)行密封包裝，以防止其散入環(huán)境。

2.2 控制系統(tǒng)簡介

根據(jù)3 種主要濕廢物(廢樹脂、濃縮液理、廢過濾芯)的處理工藝，可將固化線的生產(chǎn)過程分為:生產(chǎn)準(zhǔn)備、廢物的預(yù)處理和裝桶、廢物的固化(或固定)、廢物桶的養(yǎng)護(hù)、設(shè)備清理以及廢物桶導(dǎo)出等。固化線運(yùn)行流程根據(jù)處理的廢物類型進(jìn)行確定。

為盡量減少操作人員所受輻照，水泥固化線生產(chǎn)時(shí)的所有操作均通過遠(yuǎn)程控制完成，并在獨(dú)立的數(shù)字化控制室實(shí)現(xiàn)集中控制?？刂葡到y(tǒng)通過硬接線或網(wǎng)絡(luò)通信的方式與水泥固化線主要組成設(shè)備相連，如輥道傳輸線、裝桶攪拌站、干混料輸送裝置、廢過濾器芯子下降通道、取封蓋裝置、劑量率檢測裝置、單軌吊車、運(yùn)輸小車、屏蔽門、吊具、計(jì)量槽、屏蔽容器以及一些閥門、泵等，主要實(shí)現(xiàn)以下控制功能。

(1)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和正常停止功能。在控制室以及現(xiàn)場主要手操站均提供緊急停止按鈕，用于緊急情況下切斷系統(tǒng)的運(yùn)行。

(2)根據(jù)工藝流程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能要求，并可對工藝過程實(shí)施手動(dòng)和自動(dòng)控制。正常操作通常使用自動(dòng)模式，自動(dòng)模式下的控制是以操作員選擇的任務(wù)作為輸入依次完成系統(tǒng)運(yùn)行;手動(dòng)模式通常用于系統(tǒng)的維護(hù)和糾錯(cuò)。在確保系統(tǒng)安全的前提下，考慮減少操作員的操作，以降低誤操作的可能性。涉及流程走向或系統(tǒng)安全的重要環(huán)節(jié)，必須設(shè)置人工確認(rèn)。手動(dòng)操作的設(shè)置確保了系統(tǒng)故障或特殊工況下處理的可能性和靈活性。

(3)提供必要的聯(lián)鎖控制、報(bào)警功能，確保不因誤操作造成放射性物質(zhì)泄漏和設(shè)備損壞。

(4)向核輔助廠房集中控制系統(tǒng)反饋水泥固化線狀態(tài)信息包括如下內(nèi)容:固化線的運(yùn)行狀態(tài)(正常運(yùn)行、故障、檢修);固化線正常運(yùn)行時(shí)處理的廢物類型(廢樹脂、濃縮液、廢過濾器芯子);固化線的故障類型(系統(tǒng)外部故障、系統(tǒng)內(nèi)部故障)。

(5)系統(tǒng)自檢功能?？刂葡到y(tǒng)上電后對整個(gè)水泥固化線系統(tǒng)進(jìn)行自檢，檢查系統(tǒng)是否有報(bào)警以及所有設(shè)備是否都在安全位置，如有報(bào)警或設(shè)備位置有誤，應(yīng)給出報(bào)警提示，操作人員消除報(bào)警以及糾正設(shè)備位置后系統(tǒng)顯示可用。

(6)提供友好的人機(jī)界面和合理便捷的操作手段，便于操作員對整條水泥固化線進(jìn)行控制和管理。

控制系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of the control system

3 水泥固化線控制策略研究與應(yīng)用

3.1 水泥固化線控制特點(diǎn)

水泥固化線處理的廢物主要有3 種類型:廢樹脂、濃縮液以及廢過濾芯。主要的工藝過程包括:固化準(zhǔn)備、廢樹脂處理、濃縮液處理、廢濾芯處理、廢物桶運(yùn)出、設(shè)備清洗以及特殊處理。

與核電廠其他大部分系統(tǒng)不同，在水泥固化線系統(tǒng)的被控設(shè)備中，除了流體系統(tǒng)中常見的泵、閥門、儀表之外，還有大量的機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備對金屬桶進(jìn)行一系列的吊裝、傳輸、升降、取蓋、封蓋、堆棧等順控操作和批量處理。該系統(tǒng)是一個(gè)典型的同時(shí)具備一定特殊性的機(jī)-電-儀自動(dòng)化系統(tǒng)，其具有如下顯著特點(diǎn):

(1)典型的Sequence 控制、Batch 控制;

(2)設(shè)備單元化，部分單元設(shè)備有較高的集成度和復(fù)雜的內(nèi)部部件級(jí)聯(lián)鎖;

(3)完整的批次及時(shí)序要求，批量處理過程需要實(shí)時(shí)監(jiān)控和全程跟蹤;

(4)設(shè)備的閉鎖關(guān)系以及操作流程的聯(lián)鎖關(guān)系明確;

(5)設(shè)備的初始化設(shè)置和故障位設(shè)置;

(6)機(jī)械設(shè)備定位精度要求高、流體計(jì)量準(zhǔn)確度要求高，機(jī)械系統(tǒng)與流體系統(tǒng)可并行運(yùn)行并在特定情況下互相配合;

(7)異常工況下有較高的自動(dòng)化干預(yù)、處理能力，緊急狀況時(shí)的報(bào)警、急停、退出機(jī)制。

3.2 S88 標(biāo)準(zhǔn)適用性研究分析

水泥固化線系統(tǒng)對不同類型的廢物處理過程中存在大量的相同操作。為便于系統(tǒng)的操作和管理，同時(shí)確保系統(tǒng)運(yùn)行的獨(dú)立性和靈活性，將整個(gè)工藝流程劃分為多個(gè)工序，每個(gè)工序?qū)?yīng)一個(gè)子任務(wù)，執(zhí)行某一子任務(wù)即系統(tǒng)自動(dòng)完成該工序的所有操作。當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，通過順序執(zhí)行子任務(wù)的方式，將所需工序組合起來，形成完整的工藝流程。

子任務(wù)劃分原則:子任務(wù)作為一個(gè)完整工藝流程的某一工序，其任務(wù)繁簡、參與設(shè)備多少及工作時(shí)間無嚴(yán)格定義，子任務(wù)的設(shè)置應(yīng)盡量能夠被不同的工藝流程任務(wù)所調(diào)用。劃分后的子任務(wù)可單獨(dú)被視為一個(gè)高度自動(dòng)化的設(shè)備，子任務(wù)也可在非自動(dòng)控制時(shí)單獨(dú)完成某一控制功能。

通過以上對水泥固化線控制特點(diǎn)的分析和對其主要流程按子任務(wù)劃分策略的說明，該系統(tǒng)比較適合采用基于ISA -S88 標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。整條生產(chǎn)線所包含的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及自帶控制器的集成裝置均使用標(biāo)準(zhǔn)化模型模塊代碼。每個(gè)子任務(wù)所包含的檢測與控制設(shè)備根據(jù)工藝要求組合成相對完整的工藝單元，根據(jù)工藝流程的要求進(jìn)行邏輯聯(lián)鎖和組態(tài)調(diào)用，最終滿足多工況、多批次固體廢物處理的要求。

3.3 控制策略實(shí)施解析

(1)根據(jù)水泥固化線控制要求定制功能模塊，其中程序應(yīng)包括但不限于如下功能模塊:上電初始化和基本控制組件、Phase 管理和Sequence 管理、過程配方管理、批次全程追蹤、狀態(tài)鎖定與記錄、工藝聯(lián)鎖、復(fù)位與重運(yùn)行、仿真測試、設(shè)備自檢、安全保護(hù)與緊急停車、設(shè)備手動(dòng)維護(hù)和異常處理。

所有輸入輸出、HMI 操作、相關(guān)設(shè)備自檢測、報(bào)警與處理、設(shè)備仿真、工藝聯(lián)鎖、流程聯(lián)鎖等都在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備模型中已經(jīng)考慮。所有設(shè)備都可看作是已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的工藝單元，該工藝單元有其狀態(tài)指示、操控、相關(guān)邏輯和聯(lián)鎖保護(hù)等屬性，只需根據(jù)工藝控制盒聯(lián)鎖要求對設(shè)備對象進(jìn)行組態(tài)，程序即可完成。

(2)基于S88 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行功能開發(fā)的主要步驟如下。

第一步，構(gòu)建主要工藝設(shè)備單元數(shù)組。設(shè)備單元的元素，不僅僅是傳統(tǒng)意義上的物理點(diǎn)，還包括很多由程序根據(jù)外在條件而判斷或者計(jì)算的中間變量。根據(jù)設(shè)備單元的元素，編寫自身的內(nèi)部邏輯。

第二步，Phase 的應(yīng)用。這里所說的Phase，可以理解為組成水泥固化線工藝流程的各個(gè)子任務(wù)。根據(jù)邏輯圖中各個(gè)子任務(wù)的邏輯，Phase 應(yīng)用指針、堆棧等方式，按照順序調(diào)用各個(gè)工藝設(shè)備;在執(zhí)行Phase 的過程中，監(jiān)視單元設(shè)備的狀態(tài)，例如運(yùn)行狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)、故障報(bào)警、自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)等;同時(shí)，決定Phase 的輸出狀態(tài)，例如正常運(yùn)行、互鎖、暫停保持、復(fù)位、終止等。

第三步，Sequence 的應(yīng)用。Sequence 在這里可以看成子任務(wù)的組合，即水泥固化線各主要工藝流程。有些Sequence 僅由一兩個(gè)子任務(wù)完成，有些則需要多個(gè)子任務(wù)的邏輯組合。開發(fā)者根據(jù)工藝控制要求調(diào)用一個(gè)Sequence 所需的全部子任務(wù)，通過設(shè)置各個(gè)Phase 的接口狀態(tài)和相互之間的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)工藝流程的自動(dòng)化順序控制、批量控制。

3.4 程序的模型結(jié)構(gòu)

TES 水泥固化線的控制程序采用3 層程序架構(gòu)，如圖2 所示。

在這三層架構(gòu)中，在工藝流程序列層和工藝子任務(wù)層建立Phase 結(jié)構(gòu)，而在設(shè)備模型層將根據(jù)現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)種類進(jìn)行分類，并建立獨(dú)自的內(nèi)部邏輯。

圖2 控制程序架構(gòu)圖Fig.2 Architecture of the control program

根據(jù)整個(gè)工藝過程，將廢樹脂、濃縮液以及廢過濾芯的執(zhí)行的所有步驟分成11 個(gè)獨(dú)立的序列。其中，有些序列是單獨(dú)屬于某類廢物處理過程的，有些序列是公用的。每個(gè)序列序列都有啟動(dòng)、暫停、解列、復(fù)位、急停、閉鎖等幾個(gè)輸入命令，也有相應(yīng)的狀態(tài)信息，每個(gè)序列都有一定步數(shù)。某個(gè)序列的運(yùn)行將會(huì)根據(jù)步驟和順序依次啟動(dòng)某個(gè)子任務(wù)，當(dāng)其中一個(gè)序列運(yùn)行時(shí)，為安全起見，其余的序列將會(huì)閉鎖。

整個(gè)TES 水泥固化線系統(tǒng)根據(jù)所有的執(zhí)行過程分成52 個(gè)子任務(wù)，子任務(wù)與序列的結(jié)構(gòu)相似，其中少數(shù)子任務(wù)是單獨(dú)屬于某個(gè)序列的，大部分子任務(wù)是公用的。而在不互鎖的情況下，子任務(wù)的運(yùn)行可以批處理進(jìn)行。

程序最終實(shí)現(xiàn)的工藝設(shè)備動(dòng)作將由設(shè)備模型進(jìn)行，子任務(wù)將根據(jù)各自的步驟和順序，在不互鎖的情況下批量啟動(dòng)或者停止部分相關(guān)設(shè)備。

舉例說明，當(dāng)進(jìn)行廢樹脂固化處理時(shí)，序列1 第一步就調(diào)用子任務(wù)1，而子任務(wù)1 第一步啟動(dòng)B 電機(jī)，第二步啟動(dòng)C 電機(jī)，…，最后一步關(guān)閉B 閥門后，子任務(wù)1 結(jié)束，并把結(jié)束標(biāo)志給序列1，序列1 進(jìn)入第二步，調(diào)用子任務(wù)2。以此類推，序列1 結(jié)束后，程序調(diào)用序列2，…，當(dāng)某個(gè)序列結(jié)束后，就完成了廢樹脂工藝的處理。同理，濃縮液固化處理也有類似的工藝流程。

而當(dāng)TES 系統(tǒng)發(fā)生緊急停止命令時(shí)，將會(huì)閉鎖所有的序列和子任務(wù)，所有的閉鎖狀態(tài)都需要再次進(jìn)行人工確認(rèn)，在緊急停止信號(hào)消除后才能清除。

4 結(jié)束語

采用基于ISA-S88 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的控制策略在數(shù)字化控制平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用到核電廠水泥固化線國產(chǎn)化項(xiàng)目中，目前已經(jīng)成功完成某核電現(xiàn)場的調(diào)試工作并移交給用戶。測試結(jié)果表明，此方案很好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全部工藝流程，自動(dòng)化程度高、功能完善、人機(jī)界面簡潔實(shí)用，為日后該生產(chǎn)線的正式投運(yùn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

［1］ ANSI. ISA S 88.01. 批處理控制.第1 部分:模型和術(shù)語［S］.1995.

［2］ IEC 61512 -1. Batch control part 1. Models and terminology［S］.1997.