仿制設(shè)備在秦山核電廠全范圍模擬機(jī)上的開發(fā)與應(yīng)用

謝秀娟

【摘 要】本文對(duì)秦山核電廠全范圍模擬機(jī)的概況與盤裝設(shè)備分類、控制信號(hào)類型進(jìn)行了簡(jiǎn)述，就目前模擬機(jī)盤裝設(shè)備出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析匯總，針對(duì)盤裝設(shè)備存在的問題探索解決途徑，研發(fā)仿制設(shè)備。并就仿制手操器如何達(dá)到預(yù)期目標(biāo)做了詳細(xì)方案，對(duì)研發(fā)過程與結(jié)果進(jìn)行了全面解析，闡明了仿制設(shè)備的便利與優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】全范圍模擬機(jī)；仿制手操器；控制模塊；光電傳感器

【Abstract】This paper briefly presents the general situation of full-scope simulators for Qinshan Nuclear Power Plant， a classification of panel mounted equipment， and the categories of control signal. In addition， the author focuses on researching and developing a simulated equipment after sufficiently analyzing and summarizing the panel mounted equipment past issues. It also contains a credible plan， which explains how to achieve anticipated goal of the simulated manual-control instrument in detail. After comprehensively analyzing the research process and results， the convenience and advantages of the simulated equipment are demonstrated in the meanwhile.

【Key words】Full-scope simulators；Simulated manual-control instrument；CMOD（control module）；Photoelectric sensor

0 概述

秦山核電廠全范圍模擬機(jī)建造于1995年，由珠海亞洲仿真技術(shù)有限公司與秦山核電站合作共同研制。作為中國大陸第一臺(tái)全范圍核電仿真機(jī)，榮獲當(dāng)年全國十大科技成就獎(jiǎng)，建成后一直用于核電站操縱員的培訓(xùn)和取照考試。模擬機(jī)考試是主控室候選操縱員或候選高級(jí)操縱員發(fā)放核電廠反應(yīng)堆操縱員或高級(jí)操縱員執(zhí)照的必要條件之一，另外法規(guī)還規(guī)定已獲得核電站反應(yīng)堆操縱員執(zhí)照的主控室操縱員（包括高級(jí)操縱員），每年必須經(jīng)過至少兩周的全范圍培訓(xùn)模擬機(jī)的復(fù)訓(xùn)。

核電廠全范圍模擬機(jī)是1：1模擬參考機(jī)組控制室環(huán)境的設(shè)施，包括總體外觀、平面布置、照明特性、通訊連絡(luò)設(shè)施、辦公設(shè)施、各種操作臺(tái)盤、控制臺(tái)和操作站以及參考機(jī)組正常運(yùn)行操作和故障處理所必需的控制、儀表、報(bào)警和其他人機(jī)界面。

1 全范圍模擬機(jī)盤裝設(shè)備簡(jiǎn)介

秦山核電廠全范圍模擬機(jī)盤裝設(shè)備硬件設(shè)備主要由儀表、開關(guān)、按鈕、指示燈及報(bào)警設(shè)備構(gòu)成，整體布置與電廠主控室完全一致，具有與實(shí)際設(shè)備相同外形和功能。但是模擬機(jī)與主控制室信號(hào)的來源不同，使得二者的儀表設(shè)備也存在差異。

1）盤臺(tái)儀表主要分成常規(guī)儀表、改裝儀表以及特種儀表；

2）開關(guān)從外形上分為轉(zhuǎn)換開關(guān)、鑰匙開關(guān)；從功能上分為自保持與自復(fù)位兩種；

3）按鈕分為帶燈按鈕與不帶燈按鈕。

4）指示燈外觀各有不同，顏色主要分為紅、綠、白三種，表示設(shè)備處于何種狀態(tài)。

5）報(bào)警設(shè)備包括報(bào)警光字牌與報(bào)警音箱、警鈴。

2 仿制設(shè)備研究背景

秦山核電廠模擬機(jī)上用的盤裝設(shè)備除部分隨模擬機(jī)改造更新外，大多從1995年開始使用至今，隨著使用年限的增長(zhǎng)，故障率已明顯提高，同時(shí)精度、靈敏度等參數(shù)與原標(biāo)準(zhǔn)差異大的問題。由于設(shè)備老舊、廠家轉(zhuǎn)型、采購費(fèi)用高等因素的制約造成有些已經(jīng)不符合運(yùn)行要求的設(shè)備也只能帶病工作。

目前秦山核電廠全范圍模擬機(jī)的盤裝硬件設(shè)備現(xiàn)存的主要問題歸納為如下幾點(diǎn)：

1）設(shè)備陳舊，價(jià)格高

秦山核電廠全范圍模擬機(jī)始建于1995年，經(jīng)過30多年的運(yùn)行。隨著電子設(shè)備科技日新月異的發(fā)展，一些老舊落后的設(shè)備已被市場(chǎng)逐漸淘汰，原有廠家也已轉(zhuǎn)型不再生產(chǎn)同類型產(chǎn)品，造成設(shè)備采購困難，即使有些廠家為客戶需要保留此產(chǎn)品的流水線也因銷量有限導(dǎo)致價(jià)格昂貴，采購成本大幅上升。

2）設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修不便

為與電廠保持一致性，模擬機(jī)盤裝設(shè)備與電廠采購的是同型號(hào)的產(chǎn)品。實(shí)際應(yīng)用中，電廠主控室的采集信號(hào)與模擬機(jī)的不同，為保障電廠的安全運(yùn)行，一個(gè)設(shè)備須同時(shí)有幾路信號(hào)接入或者一個(gè)信號(hào)供幾個(gè)設(shè)備，而模擬機(jī)采用的是一一對(duì)應(yīng)的單個(gè)信號(hào)，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)對(duì)模擬機(jī)而言帶來的只有維修的不便與故障率的增加。

3）進(jìn)口設(shè)備采購周期長(zhǎng)

模擬機(jī)的盤裝設(shè)備很多為進(jìn)口設(shè)備，由電廠統(tǒng)一采購。進(jìn)口設(shè)備不僅價(jià)格高且受到各種不確定因素影響，造成設(shè)備采購周期長(zhǎng)，無明確的到貨時(shí)間，增加了采購難度。尤其是價(jià)值高無備件的設(shè)備，如果出現(xiàn)故障，零配件國內(nèi)市場(chǎng)沒有通用件可替代，此類設(shè)備一般在整個(gè)模擬機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行中有著不可或缺的重要地位，直接對(duì)操縱員培訓(xùn)帶來嚴(yán)重影響。

4）二次改造增加使用成本

模擬機(jī)的特殊性使得原廠采購的某些產(chǎn)品由于接口信號(hào)與電源等級(jí)的不匹配，不能直接適用于模擬機(jī)，為適應(yīng)模擬機(jī)的運(yùn)行要求需對(duì)原產(chǎn)品進(jìn)行改造，為此不僅增加了設(shè)備使用成本同時(shí)也降低了設(shè)備的使用壽命。

3 仿制設(shè)備研究目標(biāo)與方法endprint

為解決以上各項(xiàng)問題，研發(fā)仿制設(shè)備作為模擬機(jī)盤裝設(shè)備的替代是便利有效的途徑。手操器為盤裝設(shè)備的顯示操作儀表，操縱員在培訓(xùn)過程中使用頻率高且最為重要的設(shè)備之一。其整體構(gòu)造分為垂直顯示與手動(dòng)操作兩部分，因使用頻繁導(dǎo)致故障率高，且價(jià)格昂貴、采購周期長(zhǎng)等因素造成該設(shè)備備件短缺。通過對(duì)國內(nèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)與儀表廠家生產(chǎn)技術(shù)的調(diào)研、分析，認(rèn)為仿制此設(shè)備無論從價(jià)值還是技術(shù)上均具備高度可行性，并對(duì)仿制設(shè)備需達(dá)到的目標(biāo)與具體方案進(jìn)行全面探索。

1）人機(jī)界面的一致性

保證模擬機(jī)與主控室人機(jī)界面一致性是仿制設(shè)備的必要條件，利用報(bào)廢儀表外殼進(jìn)行改造保證了手操器在顏色與外型與原表一致，不僅降低生產(chǎn)成本同時(shí)避免廢棄物對(duì)環(huán)境的污染。

2）增強(qiáng)耐用性

手操器的按鈕與操縱撥桿為使用頻率高的易損部件，在仿制時(shí)需考慮此類部件的強(qiáng)度加固，并在組裝后進(jìn)行操作頻度測(cè)試，降低此類易損部件的故障。

3）控制部件模塊化

原手操器與主控室完全一致，在設(shè)計(jì)上考慮更多的是電廠的安全性。線路板上的所有元器件與接線直接相連，如某一元器件故障就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備無法使用且維修費(fèi)用極高。經(jīng)過維修后的設(shè)備使用壽命也無法保障，有些僅使用不常時(shí)間就再次出現(xiàn)故障。仿制設(shè)備僅在模擬機(jī)上使用不涉及電廠安全的因素，因此在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮簡(jiǎn)便性，采用將線路板模塊化，通過接插件形式與所控制的設(shè)備相連，當(dāng)某一元器件出現(xiàn)故障時(shí)僅更換相應(yīng)的線路板就能解決問題，簡(jiǎn)化設(shè)備維修過程。

4）關(guān)注人因工程

人因工程是以人為核心因素，考慮人、機(jī)總體性能的優(yōu)化，以提高人的工作績(jī)效，防止人的失誤。仿制儀表在發(fā)光源的亮度上需做重點(diǎn)考慮，比如與環(huán)境的亮度對(duì)比，對(duì)眼睛刺激性程度是否干擾操縱員判斷等因素；儀表的操作手感、精度、指針平滑度等盡量考慮與原表保持一致，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)之間的最佳匹配，使操縱員能有效、安全、健康和舒適的進(jìn)行模擬機(jī)教學(xué)培訓(xùn)，真正做到“以人為本”。

5）創(chuàng)新思路

電子產(chǎn)品的快速更新，為仿制設(shè)備的研發(fā)提供了多種方式。原手操器的調(diào)節(jié)采用四位波段開關(guān)，當(dāng)手操撥桿移至波盤四個(gè)位置中的某一個(gè)位置時(shí)此點(diǎn)就導(dǎo)通，作為手動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，因使用頻率高，波盤接觸面磨損快導(dǎo)致此部件故障頻發(fā)。若按原設(shè)計(jì)方式單獨(dú)加工此部件不僅價(jià)格昂貴且質(zhì)量也無法保證，經(jīng)過多次探討與研究，決定考慮以光電傳感器代替四位波段開關(guān)。

4 研究過程與結(jié)果

手操器分為垂直顯示單元與自動(dòng)/手動(dòng)操作單元兩部分。顯示單元由一設(shè)定撥盤及設(shè)定值指示，一個(gè)偏差值指示；一個(gè)遠(yuǎn)方輸入指示，255PH-ECEP則有一個(gè)遠(yuǎn)方/本地狀態(tài)切換開關(guān)，二個(gè)LED報(bào)警指示燈。自動(dòng)/手動(dòng)操作單元由一塊回路輸出表、二個(gè)自復(fù)按鈕、四個(gè)LED燈和一個(gè)4位置的手操撥動(dòng)開關(guān)組成。其中回路輸出表用于指示回路輸出，按鈕用于手動(dòng)/自動(dòng)切換，紅、綠LED燈用于指示自動(dòng)、手動(dòng)狀態(tài)，二個(gè)黃色LED燈用于報(bào)警指示，手操撥段開關(guān)用于快增、慢增、慢減、快減操作輸出。

手操器的交換信號(hào)分為四類：模擬量輸入AI、模擬量輸出AO、數(shù)字量輸入DI、數(shù)字量輸出DO。

模擬量輸出信號(hào)AO： 0～10VDC電壓信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)手操器的垂直顯示與回路輸出指示。

模擬量輸入信號(hào)AI： 0～10VDC電壓信號(hào)，調(diào)節(jié)手操器的設(shè)定值。

開關(guān)量輸出信號(hào)DO：集電極開路的OC門輸出信號(hào)，OC門輸出為低電位時(shí)，表示正邏輯的“0”，若點(diǎn)燈，燈亮；OC門輸出為高電位時(shí)，表示正邏輯的“1”，可使燈滅，用于手操器的自動(dòng)、手動(dòng)狀態(tài)與報(bào)警指示。

開關(guān)量輸入信號(hào)DI：干接點(diǎn)輸入信號(hào)，所有開關(guān)、按鈕的閉合和斷開，對(duì)應(yīng)于“真（TRUE）”和“假（FALSE）”，用于手動(dòng)/自動(dòng)按鈕及波段開關(guān)的四位輸出。

a）垂直顯示單元

此部分的研發(fā)考慮利用原有的外殼，內(nèi)部電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)從以下相對(duì)獨(dú)立的部分著手，即為：

指示部分的動(dòng)圈儀表：采用磁電式儀表，為提高儀表的穩(wěn)定性在儀表內(nèi)框上繞上Ф0.2X16圈銅絲用于增加動(dòng)圈的阻尼。

撥盤設(shè)定部分：當(dāng)撥盤從0位到100%位撥動(dòng)時(shí)，有一個(gè)0～10VDC的輸出.同時(shí)給偏差值指示（紅針）一個(gè)相反等值的直流電源.

LED指示燈報(bào)警部分：當(dāng)儀表±15VDC接通后，二個(gè)LED燈微亮，表示儀表電源正常，儀表處于正常工作狀態(tài)；當(dāng)儀表LED燈顯示明亮?xí)r，表示顯示值高、低位報(bào)警。

b）電源部分

電源是保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的核心，采用±15VDC供電。電源部分考慮按原產(chǎn)品電路圖設(shè)計(jì)，在儀表組裝完成進(jìn)行測(cè)試時(shí)，因電源正負(fù)極反接造成儀表損壞，此問題現(xiàn)使用儀表也存在。為解決設(shè)備安全隱患，對(duì)電源部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，增加反接保護(hù)，如若正負(fù)極接反，自保護(hù)啟動(dòng)，儀表拒動(dòng)。

仿制設(shè)備電源設(shè)計(jì)考慮了過壓保護(hù)、過流保護(hù)和反接保護(hù)，本保護(hù)為自恢復(fù)形式，具體電路原理如下圖所示：

圖1

電路參數(shù)為：室溫下直流超過18V開始過壓保護(hù)，電流超過0.6A開始保護(hù)，電源反接直接保護(hù)。

c）手動(dòng)/自動(dòng)按鈕，LED指示燈部分

此部分采用接插件方式和主線路板連接，方便更換和調(diào)試，解決了因設(shè)備一體化帶來的此部件故障后只能整體報(bào)廢的弊病。設(shè)備測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)因加工的支撐桿與支撐孔因間隙過大，造成按鈕與指示燈部分容易松脫，需重新加工支撐桿，增大兩端截面積，減小二者的裝配間隙以保證設(shè)備安裝的牢固度，具體電路原理圖如下：

d）手動(dòng)輸出操作部分

采用槽型光電傳感器代替原來的波段開關(guān)。光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，光電傳感器由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。

槽型光電傳感器把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器發(fā)出紅外光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測(cè)物體從槽中通過時(shí)，光被遮擋，光電開關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)，接通負(fù)載電流，從而完成一次控制動(dòng)作。槽形開關(guān)的檢測(cè)距離只有幾厘米，無實(shí)際接觸，反映靈敏，性能穩(wěn)定，操作器手感良好。

4 總結(jié)

仿制手操器經(jīng)過前期的市場(chǎng)調(diào)研、多次討論，認(rèn)為完全具備可實(shí)施性。從圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，零部件開模、模塊測(cè)試、單機(jī)調(diào)試，與模擬機(jī)聯(lián)調(diào)成功后正式投入使用共耗時(shí)近一年，在此過程中形成的測(cè)試記錄與經(jīng)驗(yàn)積累為以后模擬機(jī)盤裝設(shè)備的更新替代與研制開發(fā)提供了依據(jù)。盤裝設(shè)備的仿制不僅能降低生產(chǎn)成本為公司帶來經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)還有利于提高技術(shù)人員的創(chuàng)新能力。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint