核電站順序控制技術(shù)設(shè)計原則與基本要求

黃 勇，何伯陽，郭 偉

（1.中廣核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086；2.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031）

0 引言

順序控制是自動控制領(lǐng)域中最基本的應(yīng)用，又是應(yīng)用最廣泛的一個方面。近年來，隨著計算機技術(shù)的飛速進步和新型控制器的不斷誕生，順序控制技術(shù)也煥然一新，取代了傳統(tǒng)繼電器邏輯控制電路中大量的時間繼電器和中間繼電器，簡化控制線路、提高系統(tǒng)可靠性與工業(yè)自動化水平。

20年來，隨著中國核電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，從以模擬控制為主的大亞灣核電到全數(shù)字化控制的田灣核電，電站的自動化水平越來越高，順序控制技術(shù)在田灣核電站中得到了大量的應(yīng)用。因此，順序控制技術(shù)在核電站必將獲得越來越廣泛的應(yīng)用。本文將對控制對象納入順序控制系統(tǒng)進行分析，提出順序控制技術(shù)設(shè)計原則與順序控制系統(tǒng)設(shè)計的基本要求。

1 核電站納入順序控制系統(tǒng)對象的主要思路

核電站發(fā)電過程順序流程示意圖如圖1所示。根據(jù)核電站設(shè)計的工作原理和工藝過程，可以將工藝過程分為6個功能區(qū)，分別為：輔助系統(tǒng)、一回路系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)、汽輪機發(fā)電機系統(tǒng)、最終熱阱系統(tǒng)、廢物處理系統(tǒng)，每個功能區(qū)下再分功能組，部分功能組下再細分為功能子組。

圖1 核電站發(fā)電過程順序流程示意圖Fig.1 The sequence flow diagram of power generation process of nuclear power plant

功能分組的目標是將同樣的功能放在DCS的同一功能組中進行處理，以盡量減少通過網(wǎng)上進行交換的數(shù)據(jù)量；合理的分組可降低系統(tǒng)復(fù)雜性，提高系統(tǒng)可靠性。同時各個功能組功能滿足獨立性原則，不同功能組之間的功能相對獨立，便于系統(tǒng)的調(diào)試、安裝，以及機組的啟動、停機和正常的功率輸出。功能分組還用于指導(dǎo)過程控制機柜的信號分配和組態(tài)，以及主控室人機界面的設(shè)計。

因此，將核電站納入順序控制系統(tǒng)對象的思路如下：

1）從可行性的角度分析，如果被控對象本身不具備順序控制的設(shè)計要求或沒有設(shè)計順序控制的功能要求，不納入順序控制考慮。對于大部分需要進行手動操作要求的設(shè)備群，也不納入順序控制考慮。

2）從安全角度分析，順序控制不執(zhí)行安全功能，順序控制的功能屬于非安全級功能。所以，那些工藝上明確已定義為安全級功能的系統(tǒng)與設(shè)備不適合納入順序控制考慮。

3）功能相對獨立，又比較專用的特殊系統(tǒng)（如堆芯儀表系統(tǒng)、電廠控制系統(tǒng)等），考慮到其平臺的特殊性，不適合納入順序控制考慮。

4）從安全級與非安全級功能滿足隔離要求的角度分析，某些控制功能在工藝上明確定義為非安全級，但又包含安全級設(shè)備與控制指令混搭的情況，不適合納入順序控制考慮。

5）與通訊相關(guān)的廣播、告警、尋呼、電話等系統(tǒng)，及消防系統(tǒng)不納入順序控制考慮。

6）全廠輔助系統(tǒng)（Balance of Plant，BOP）子項儀控不適合納入順序控制考慮。

7）常規(guī)島汽輪機的控制、診斷和保護系統(tǒng)，由廠家集成配套后可納入順序控制考慮。

8）適合采用分布式控制的連續(xù)和順序過程與核島和常規(guī)島的機組運行有一定關(guān)系，且僅用于單臺機組的BOP，應(yīng)盡可能納入順序控制系統(tǒng)。

2 順序控制系統(tǒng)設(shè)計流程及通用設(shè)計原則

順序控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程分為需求分析、需求定義、系統(tǒng)設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、測試、工程運維。順序控制系統(tǒng)設(shè)計步驟如圖2所示。

2.1 需求分析

需求分析階段是對系統(tǒng)所需求的最終目標，及實現(xiàn)該目標的設(shè)備、器件等控制對象進行分析、理解。要實現(xiàn)這些需求，必須具備關(guān)于控制裝置、控制器件、控制系統(tǒng)的知識。

需求分析工程中需要把握的原則有：把握系統(tǒng)所需求的最終目標；對設(shè)備、器件等檢測對象的了解；關(guān)于控制裝置、控制器件等控制系統(tǒng)知識的整理；設(shè)備器件的運行方式及監(jiān)視方式等控制功能的抽出與分析。

2.2 需求定義

需求定義階段是對需求進行分析，把分析結(jié)果作為規(guī)格來定義。在需求分析中，為達到系統(tǒng)所需求的最終目標，要對控制對象、控制系統(tǒng)及功能這3個部分進行分析，上述3個部分并不是各自獨立的，而是相互關(guān)聯(lián)的。因此，在需求定義中必須確定能滿足控制對象、控制系統(tǒng)和功能三者之間關(guān)系的規(guī)范，作為確定規(guī)范的各種文件。

需求定義工程中需要把握的原則有：控制功能的確定；控制功能流程的確定。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計階段需要確定控制裝置及外圍裝置各自的功能及接口，PC的輸入、輸出信號，程序的結(jié)構(gòu)等。

系統(tǒng)設(shè)計需要把握的原則有：功能區(qū)分及接口的確定；輸入輸出信號的確定與分配；程序結(jié)構(gòu)的確定。

2.4 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計階段的工作主要是控制器件、控制系統(tǒng)的設(shè)計組裝。硬件設(shè)計包含的原則有：硬件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)與軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計一并考慮；硬件系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)選用經(jīng)典電路和常用的控制器件，實現(xiàn)硬件系統(tǒng)的標準化、模塊化；在滿足系統(tǒng)功能需求的前提下，硬件系統(tǒng)的設(shè)備配置應(yīng)留有二次開發(fā)的空間；硬件系統(tǒng)各電子元器件應(yīng)盡可能做到性能的相互匹配，使得系統(tǒng)運行更穩(wěn)定；硬件系統(tǒng)應(yīng)考慮可靠性及抗干擾能力的設(shè)計；硬件系統(tǒng)驅(qū)動能力的設(shè)計應(yīng)滿足外接電路正常工作的要求；要選擇標準化以及抗損性好的器件或電路；CPU能滿足系統(tǒng)功能需求，不需要追求太高的性能；CPU應(yīng)選擇成熟、穩(wěn)定、集成度高的產(chǎn)品，簡化系統(tǒng)控制電路，以提高系統(tǒng)的可靠性；CPU選型還應(yīng)具有豐富的應(yīng)用軟件支持。

2.5 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計階段是把在需求定義以及系統(tǒng)設(shè)計工程中所描述的控制功能邏輯具體實現(xiàn)。把握再利用設(shè)計；主程序的設(shè)計；非標準程序的設(shè)計三原則，可使該軟件具有高效率、無差錯，避免人為因素所造成的偏差，使非熟練者達到熟練者的程度。

2.6 測試

讓設(shè)計的軟件在PC上動作，進行單元試驗及系統(tǒng)試驗，驗證軟硬件的兼容性，以及是否能夠滿足用戶的要求。

2.7 工程運維

完成單元試驗及系統(tǒng)試驗的驗證之后，現(xiàn)場安裝調(diào)試，進行工程運用及維護。

3 核電站順序控制設(shè)計原則

根據(jù)文獻[5-9]及第2節(jié)核電站納入順序控制的主要思路，提煉出如下11條作為核電站順序控制設(shè)計的主要原則：

1）如增加操縱員負荷的單調(diào)或重復(fù)性的任務(wù)，宜采用順序控制。

2）負荷或工況變化需要操作或異常工況手操來不及時的任務(wù)，宜采用順序控制。

3）機組運行過程中，控制參數(shù)及設(shè)定值的改變與檢查，宜采用順序控制。

4）繁瑣的、操作順序規(guī)律固定的、不需操縱員判定的設(shè)備組或輔助工藝系統(tǒng)的啟/停順序。

5）在機組正常運行、啟停期間，需要頻繁執(zhí)行或持續(xù)長時間的任務(wù)、大量參與的系統(tǒng)以及緊急的操作，宜采用順序控制。

6）機組運行因缺少某些功能而導(dǎo)致復(fù)雜動作的任務(wù)，宜采用順序控制。

7）機組運行因某些手動執(zhí)行的功能而導(dǎo)致操縱員負荷增加，宜采用順序控制。

8）機組運行時，需同時監(jiān)測多個參數(shù)的操作，宜采用順序控制。

9）在機組運行、啟停期間，某些需要單獨執(zhí)行的功能，該功能簡便但會增加操縱員負荷的任務(wù)，宜采用順序控制。

10）可以提高機組利用率及減少啟停時間的任務(wù)，宜采用順序控制。

11）能減少因人工操作錯誤而引發(fā)故障和事故的情況，宜采用順序控制。

4 核電站順序控制系統(tǒng)設(shè)計基本要求

根據(jù)文獻[1，4-10]等，可總結(jié)出在進行順序控制系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)遵循的設(shè)計基本要求有：

1）確定一個項目能夠采用順序控制，要根據(jù)實際的生產(chǎn)需求、過程控制設(shè)備所具備的條件來考慮。

2）采用順序控制時，每個被控對象宜在就地或輔助盤上設(shè)單獨的控制手段。順序控制的啟、停、中斷等指令機構(gòu)，可根據(jù)該局部系統(tǒng)的重要性，布置在主要控制臺或輔助盤上；而對常規(guī)控制開關(guān)或按鈕，屬于重要的處理事故所需的，應(yīng)布置在控制臺上；其余可根據(jù)盤、臺布置條件，布置在輔助盤或就地盤上[1]。

3）控制順序及方式由工藝特點及運行方式?jīng)Q定。順序控制的操作步驟應(yīng)做到簡單、實用；工藝系統(tǒng)的設(shè)計也應(yīng)盡量簡化；控制程序應(yīng)模塊化、通用性強。另外，順序控制系統(tǒng)的被控對象需要有良好的可控性。

4）操作人員應(yīng)能在操作盤臺上操作任何一個被控對象。為了防止操作員的誤操作，在手動操作的過程中必須設(shè)有許可條件。邏輯中應(yīng)設(shè)計相關(guān)的聯(lián)鎖保護，以防設(shè)備在非安全或潛在危險工況下運行。

5）操作盤臺上的設(shè)計應(yīng)能顯示順序控制系統(tǒng)各設(shè)備的工作狀態(tài)，還應(yīng)設(shè)有順序控制設(shè)備的故障報警信號。設(shè)計復(fù)雜的順序控制系統(tǒng)時，必須顯示每一個操作要求和步驟。

6）順序控制系統(tǒng)中每執(zhí)行一步操作均應(yīng)得到被控對象反饋信號的確認，并監(jiān)視該動作的執(zhí)行時間。若該動作執(zhí)行超出設(shè)定的時間，則產(chǎn)生報警信號，禁止執(zhí)行下一步動作。當運行人員消除故障后，可再次啟動順序程序，繼續(xù)執(zhí)行下去。

7）順序控制系統(tǒng)在自動運行期間，若被控對象出現(xiàn)故障或操作員發(fā)出中斷信號，則應(yīng)中斷正在執(zhí)行的指令，使被控對象向安全方向動作。當運行人員排除故障并經(jīng)確認后，可啟動程序并繼續(xù)執(zhí)行下去。

8）順序控制系統(tǒng)的啟停、聯(lián)鎖保護設(shè)計應(yīng)考慮以保護被控設(shè)備為主，并保證機組的正常運行。

9）優(yōu)先級排隊。設(shè)備的操作方式分為3種：手動、自動、聯(lián)鎖保護。其中聯(lián)鎖保護的優(yōu)先級最高，自動操作指令則比手動操作指令優(yōu)先。

10）順序控制系統(tǒng)宜以子功能組為主。對于每一個子組及其相關(guān)設(shè)備，它們的狀態(tài)、啟動許可條件、操作順序和運行方式，均應(yīng)在顯示器畫面上顯示[7]。

11）操作指導(dǎo)及提示信息。在進行手動操作時，應(yīng)為運行人員提供操作指導(dǎo)，指導(dǎo)信息應(yīng)采用圖形的方式顯示，并顯示需要執(zhí)行的步驟，在畫面上用不同顏色表示設(shè)備狀態(tài)的變化。

12）在滿足安全要求的情況下，操作員可通過手動控制執(zhí)行下一步指令。

13）互鎖設(shè)計。為了使某些特定狀態(tài)不同時發(fā)生，比如被控對象的啟動與停止、開與關(guān)、正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)等，應(yīng)采用互鎖設(shè)計，被控對象執(zhí)行的指令應(yīng)向安全方向動作。

14）為防止信號源或回路斷電而產(chǎn)生誤動作，用于保護的繼電器觸點、開關(guān)觸點宜采用動合型的。

5 結(jié)束語

本文提出了將控制對象納入順序控制系統(tǒng)的基本原則，為核電站順序控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了依據(jù)。遵循上述原則，最大范圍的采用順序控制技術(shù)，可以提高核電站的自動化水平，減少操作員的操作次數(shù)，降低工作強度。同時，也有助于縮小控制盤和監(jiān)視畫面的占地空間。最重要的是有利于操作員在緊急情況下和運行方式多變情況下做出正確的選擇，有利于機組的安全運行。