核電廠優(yōu)先級控制模塊的研究與設(shè)計

馮 威 羅 煒 俞 赟 葉 奇

（中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610041）

優(yōu)先級控制模塊是核電廠安全級儀控平臺的一個重要組成部分，其主要功能是在對來自不同安全等級的自動或手動命令進(jìn)行優(yōu)先級處理后驅(qū)動專設(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)動裝置（如閥門，主泵電機(jī)等）需要根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動信號執(zhí)行相應(yīng)的功能。驅(qū)動裝置的驅(qū)動信號可由多個系統(tǒng)給出，為了防止信號之間的沖突導(dǎo)致驅(qū)動裝置動作出現(xiàn)異常，優(yōu)先級控制模塊需要對信號進(jìn)行判斷，確定驅(qū)動裝置按照正確的信號執(zhí)行動作。

本文針對目前核電領(lǐng)域主要應(yīng)用的安全級儀控平臺：Triconex、TXS 的優(yōu)先級控制模塊的設(shè)計與實現(xiàn)方案進(jìn)行了研究，并探討了優(yōu)先級控制模塊的國產(chǎn)化研發(fā)思路。

1 應(yīng)用方案分析

1.1 TRICONEX

美國INVENSYS 公司的TRICONEX 平臺配置了優(yōu)先級控制模塊PLM(Priority Logic Module)，它基于FPGA 技術(shù)實現(xiàn)優(yōu)選功能。PLM 接收1E 級與非安全級設(shè)備的驅(qū)動命令，并根據(jù)優(yōu)先級高低選擇輸出驅(qū)動命令，控制現(xiàn)場設(shè)備。該平臺在福清、方家山核電項目中已得到應(yīng)用。

PLM 的硬件主體為一個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）。

輸入：

●四對輸入信號（每對信號分為A、B 兩路輸入）。

●24V 直流電壓。

輸出：

●一對開關(guān)量輸出（每對信號分為A、B 兩路輸出）。

●一對開關(guān)量測試輸出（每對信號分為A、B 兩路輸出）。

圖1 PLM 模塊接口簡圖

圖1 為PLM 模塊的接口簡圖，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（安全級自動控制命令、安全級手動控制命令、多樣化保護(hù)系統(tǒng)（DAS）和ATWT 系統(tǒng)命令、非安全級控制命令），每個輸入源都分為兩路輸入（A 組與B 組），A 組信號用于關(guān)閉（閥門）或者停止（電機(jī)），B 組信號用于打開（閥門）或者啟動（電機(jī)）。其中DAS、ATWT 系統(tǒng)及非安全級系統(tǒng)送入PLM 模塊的信號需要進(jìn)行隔離，確保其不會影響安全級設(shè)備的信號。PLM 模塊共配置5 路輸出，其中OUT-A、OUT-B 為驅(qū)動輸出端口；TEST OUT-A、TEST OUT-B作為試驗反饋信號，送給安全級系統(tǒng)。

PLM 優(yōu)先級的高低為：1A/1B>2A/2B>3A/3B>4A/4B，且在同一通道內(nèi)，A 組信號的優(yōu)先級大于B 組。TEST 端口則用于定期試驗時判斷輸出信號的狀態(tài)。各輸入輸出的邏輯關(guān)系見表1。

表1 PLM 優(yōu)先級邏輯關(guān)系表

PLM 的輸入還包括兩個試驗使能信號，一個由就地開關(guān)控制，一個由上游安全級DCS 控制。當(dāng)兩個信號均置于有效位置時則進(jìn)入試驗?zāi)Ｊ?。兩個信號分別為：Test Enable2、Test Enable1。當(dāng)PLM 進(jìn)入試驗?zāi)Ｊ胶螅?A/1B/2A/2B/3A/3B 信號產(chǎn)生的輸出命令被閉鎖，TEST 端口將試驗反饋信號送回上游系統(tǒng)以判斷試驗結(jié)果。4A/4B 信號則不受閉鎖的影響，可正常驅(qū)動下游設(shè)備。

1.2 TELEPERM XS

德國西門子公司的TXS 平臺由AV42 模塊執(zhí)行優(yōu)先級控制功能。該平臺已在田灣、嶺澳核電項目中得到應(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)動指令的優(yōu)選與輸出、采集現(xiàn)場驅(qū)動器的反饋信息、執(zhí)行定期試驗等功能。Processor 包括微處理器、PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)控制器及內(nèi)存等，主要負(fù)責(zé)傳輸非安全級系統(tǒng)控制命令、PROFIBUS 通訊控制、驅(qū)動器及優(yōu)選模塊狀態(tài)反饋、自診斷等功能。

圖2 PLD與processor功能圖

AV42 模塊包括面板上的開關(guān)信號，通過硬接線連接的從安全級系統(tǒng)來的自動信號和手動信號，通過總線連接的非安全級系統(tǒng)來的自動信號和手動信號等，優(yōu)先級從高到低分為以下幾類：

1）面板上的就地開關(guān)信號接口，用于開、關(guān)、診斷三種功能。其中關(guān)信號優(yōu)先級最高，診斷信號優(yōu)先級最低。面板上的開關(guān)信號具有最高的優(yōu)先級，即使在自動控制系統(tǒng)失效的情況下也可以對驅(qū)動器進(jìn)行就地控制。

2）安全級系統(tǒng)信號接口，為第二優(yōu)先級。該信號又劃分為兩個優(yōu)先級別，級別1 高于級別2。

3）控制室信號接口，接收來自兩個控制室的信號。

4）來自非安全級系統(tǒng)的信號接口，通過通訊總線連接，優(yōu)先級最低。

對于每個信號源而言，其內(nèi)部命令還具有優(yōu)先級。

●面板開關(guān)命令：關(guān)閉＞打開＞診斷/停止；

●安全級設(shè)備命令：1# 關(guān)閉＞1# 打開＞2# 關(guān)閉＞2# 打開；

●控制室命令：關(guān)閉＞打開＞停止；

●非安全級設(shè)備：打開、關(guān)閉、停止、附加按鍵開關(guān)控制。

AV42 模塊送給驅(qū)動設(shè)備的信號為三個：CMDOFF（關(guān)閉信號）、CMDON（開信號）、CONTROL（Check command）阻塞信號，即此輸出為高時，OFF、ON 無效；為低時，OFF、ON 有效。

AV42 模塊還設(shè)置了控制室切換控制端口。根據(jù)輸入信號的狀態(tài)，優(yōu)選模塊可對來自控制室的命令進(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 連接的看門狗電路，可以檢測微處理器的循環(huán)操作和PLD 的基本功能?？撮T狗發(fā)現(xiàn)故障將使微處理器復(fù)位。

●低電壓監(jiān)測電路。當(dāng)供給模塊的電壓低于定值時，低壓監(jiān)視電路將會把驅(qū)動電路輸出置為0。

●開路和短路監(jiān)測，出現(xiàn)開路、短路、超載時，PLD 可將狀態(tài)信號反饋給微處理器。

2 國產(chǎn)化研發(fā)思路

優(yōu)先級控制模塊作為安全級儀控平臺的重要組成部分，其性能直接影響核電廠的安全性。優(yōu)先級控制模塊主要實現(xiàn)驅(qū)動信號優(yōu)先級判斷、輸出驅(qū)動信號、采集驅(qū)動設(shè)備狀態(tài)信息等功能，同時需滿足高可靠性及響應(yīng)時間要求。

通過上述國外供貨商采用的設(shè)計方案可以看出，兩大平臺都是基于FPGA 或者CPLD 技術(shù)，不采用軟件直接用“與、或”門搭建功能。FPGA 技術(shù)既提供了高效的邏輯處理能力，同時保持了“硬邏輯”的特質(zhì)，使其不受軟件共模故障的影響。

優(yōu)選模塊為安全級設(shè)備，但其接收的信號也包括非安全級部分，應(yīng)進(jìn)行不同安全級信號的隔離，以保證故障不會從低安全級系統(tǒng)向高安全級系統(tǒng)蔓延。隔離功能可考慮在優(yōu)選模塊內(nèi)實現(xiàn)，也可設(shè)置單獨的隔離機(jī)柜。

安全級優(yōu)選模塊輸入信號與整個系統(tǒng)所需功能密切相關(guān)，一般包括就地控制命令、專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動系統(tǒng)的安全級自動控制命令、緊急控制盤（ECP）的手動控制命令、后備盤（BUP）的手動控制命令、DAS系統(tǒng)的非安全級自動控制命令、控制系統(tǒng)的非安全級自動控制信號等。

Tricon 平臺的優(yōu)選模塊邏輯簡單，便于實現(xiàn)；而TXS 平臺則引入了更多的輸入信號，PLD 根據(jù)條件判定同類信號的優(yōu)先級。TXS 平臺的優(yōu)選模塊可回讀驅(qū)動設(shè)備的狀態(tài)信號，并結(jié)合信號優(yōu)先級控制設(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)動信號反饋回上級設(shè)備，其驅(qū)動設(shè)備的狀態(tài)由其他系統(tǒng)進(jìn)行采集。

上述兩種平臺優(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)先級管理和驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備的功能。優(yōu)選模塊的國產(chǎn)化研發(fā)可以借鑒其成熟經(jīng)驗，在保證基本功能的前提下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，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)測能力，既要對模塊內(nèi)部進(jìn)行自診斷，還需對輸入輸出回路進(jìn)行監(jiān)測。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。為了配合安全級系統(tǒng)定期試驗，優(yōu)先級控制模塊需設(shè)置閉鎖功能。當(dāng)電廠運行時，部分現(xiàn)場驅(qū)動器受工況的限制不能真實驅(qū)動。優(yōu)選模塊通過閉鎖輸出且反饋驅(qū)動信號的方式，配合系統(tǒng)完成定期試驗。

3 總結(jié)

優(yōu)先級控制模塊是安全級儀控平臺的重要組成部分，其性能直接影響電廠運行的安全。優(yōu)選模塊設(shè)計應(yīng)確保系統(tǒng)簡單可靠，同時在不影響可靠性的情況下優(yōu)化設(shè)計，為運行維護(hù)提供便利。

［1］IEEE Std 338.IEEE Standard Criteria for the Periodic Surveillance Testing of Nuclear Power Generating Station Safety Systems[S].2006.

［2］IEEE 603.IEEE Standard Criteria for Safety Systems for Nuclear Power Generating Stations [S].1998.

［3］IEEE 7-4.3.2.IEEE Standard Criteria for Digital Computers in Safety Systems of Nuclear Power Generating Stations [S].2003.