基于PCS7的SBO后備柴油發(fā)電機控制系統(tǒng)設(shè)計

郭林林,朱存平,傅卓人,歐漢青

(1.深圳東方鍋爐控制有限公司成都分公司，四川 成都 610000；2.深圳東方鍋爐控制有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

福島核事故后，核電廠在地震條件下的安全性引起了廣泛的關(guān)注[1-2]。全廠失電(station black out，SBO)后備柴油發(fā)電機是福島核電廠事故后，核電廠增設(shè)的一種后備供電設(shè)備[3]，主要應(yīng)用于核電廠發(fā)生失去主發(fā)電機和廠外電源事件時，向核電廠永久非安全有關(guān)負荷提供交流電源。SBO后備柴油發(fā)電機作為極端事故下核電廠安全停堆的最后一道屏障，其地位極其重要。

以某核電廠后備柴油發(fā)電機為控制對象，設(shè)計了以西門子S7-400H可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)為核心的中央處理器(central processing unit，CPU)硬件冗余控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有編程方便、易于使用、維護和擴展方便等優(yōu)點。在滿足柴油發(fā)電機日常運行邏輯功能的前提下，該控制系統(tǒng)還具有如下特點：①抗震性能優(yōu)，通過了RCC-E K3期規(guī)定的抗震鑒定試驗，并在試驗的前、中、后期均滿足功能的完整性[4]； ②在不增加其他硬件設(shè)備的前提下，控制系統(tǒng)可實現(xiàn)事件順序記錄(sequence of event，SOE)功能1 ms的精度；③后備柴油發(fā)電機電壓建立過程曲線和轉(zhuǎn)速變化曲線，采樣周期不大于50 ms；④應(yīng)急停機有軟件、硬件兩種實現(xiàn)方式。

1 工藝流程及概述

1.1 潤滑油系統(tǒng)

備用狀態(tài)時，潤滑油預(yù)供泵取油底殼潤滑油，送到潤滑油熱交換器加熱，經(jīng)止回閥進入主油路；然后，經(jīng)溫控閥送入柴油機進行潤滑，使柴油機保持良好的備用狀態(tài)，可以快速啟動。運行時，當柴油機本體潤滑油壓力小于設(shè)定下限壓力時，預(yù)供滑油泵自動啟動；當壓力繼續(xù)下降到壓力低低，滿足3取2邏輯時，禁止柴油機啟動。

1.2 啟動空氣系統(tǒng)

啟動空氣系統(tǒng)提供柴油機啟動系統(tǒng)用氣源。在啟動工況下，用壓縮空氣沖轉(zhuǎn)柴油機以及提供調(diào)速器控制用氣，直至完成點火啟動；在停機時，提供控制氣源；在超速時，提供吹掃氣源；在待機時，充注壓縮空氣主儲氣瓶，維持其備用時的正常壓力。

1.3 燃油系統(tǒng)

燃油系統(tǒng)的作用是：①在柴油機運行時，為柴油機提供穩(wěn)定可靠的燃油；②冷卻回流燃油；③收集從柴油機泄漏出的柴油，進行再利用；④保持燃油的流動性和清潔度。

1.4 高/低溫水系統(tǒng)

每臺柴油機包括兩個獨立的封閉冷卻水系統(tǒng)：一是缸套水冷卻系統(tǒng)，即高溫水系統(tǒng)；二是空冷器/潤滑油及柴油回油冷卻系統(tǒng)，即低溫水系統(tǒng)。當柴油機處于運行狀態(tài)時，系統(tǒng)的功能是帶走柴油機、潤滑油等的熱量；當柴油機處于備用狀態(tài)時，保證機組處于暖機狀態(tài)，確保柴油機順利啟動。

2 后備柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)方案設(shè)計

后備柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)采用西門子PCS7 過程控制系統(tǒng)。西門子 PCS7過程控制系統(tǒng)是一種分布式控制系統(tǒng)，它采用了局域網(wǎng)技術(shù)、PLC和現(xiàn)場總線技術(shù)[5]。該控制系統(tǒng)在實現(xiàn)數(shù)字量輸入信號采集的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)SOE功能，從而大量減少系統(tǒng)的硬件配置。對于部分模擬量數(shù)據(jù)，其可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速歸檔。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)工藝要求，本系統(tǒng)采用西門子AS410-H 系列硬件冗余PLC作為主控制器。兩臺CPU之間采用冗余光纖進行數(shù)據(jù)的實時冗余傳輸。當某一臺CPU出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)將自動、無擾動地切換到另一臺CPU，系統(tǒng)運行不受任何影響[6]。 經(jīng)統(tǒng)計，系統(tǒng)中共有模擬量信號約55個，數(shù)字量輸入信號約151個，數(shù)字量輸出信號約72個?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計2臺控制柜，分別命名為控制柜1和控制柜2。其中：硬件冗余CPU、工控機，顯示器，交換機、電源模塊、ET200M機架1、2、3安裝在控制柜1中，ET200M機架4、5安裝在控制柜2中。2臺控制柜通過PROFIBUS-DP進行數(shù)據(jù)交換。其中：1號ET200M機架上全部排布數(shù)字量輸入模塊，需要SOE功能的信號全部設(shè)計在1號機架的模塊上?？刂葡到y(tǒng)PLC網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)PLC網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在工廠單元發(fā)生故障的同時，監(jiān)視站將收到大量消息，可在事后以毫秒級的時間單位追溯可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機的原因。SOE功能通過功能塊Pcs7DiIT與功能塊EventTs配合實現(xiàn)。其中，功能塊Pcs7DiIT中參數(shù)TimeStam需設(shè)置為1，表示時間戳來自機架。如果將功能塊中參數(shù)TimeStam設(shè)置為0，則表示時間戳來自CPU，其時間精度將無法保證為1 ms。數(shù)字量輸入信號連入功能塊Pcs7DiIT的輸入端PV_In，功能塊Pcs7DiIT的輸出端TS_Out連入功能塊EventTs的InTS1端。每個EventTs功能塊均可接入8個數(shù)字量輸入模塊。

控制系統(tǒng)采用RawData歸檔數(shù)據(jù)連接的方式，實現(xiàn)對S7-400 PLC 的高速數(shù)據(jù)采集。PLC將每個循環(huán)周期所采集的過程值(或PLC以其他方式得到的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)包)以一定的順序存放在具有一定格式的數(shù)據(jù)塊(data block，DB)塊中。當達到一定的數(shù)量后，PLC可以調(diào)用系統(tǒng)功能塊SFB37，將這個DB塊主動地發(fā)送給WinCC；然后，WinCC會在后臺自動調(diào)用標準化的動態(tài)鏈接庫來拆解數(shù)據(jù)，并將其按時間順序保存在數(shù)據(jù)庫中。在WinCC的過程畫面中，可以使用在線趨勢控件或在線表格控件來查看所采集的數(shù)據(jù)。

構(gòu)建全程網(wǎng)格化監(jiān)管、食品藥品可追溯、技術(shù)支撐、社會共治“四個體系”。昆明市局率先在全省構(gòu)建了市縣食品藥品稽查體系，以政府購買服務(wù)方式，配備工作人員4600多名，形成市縣鄉(xiāng)三級監(jiān)管機構(gòu)、市縣鄉(xiāng)村四級監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)。建立了生產(chǎn)管理、入市備案、進銷記錄等制度，加強初始管控，構(gòu)建系統(tǒng)的溯源鏈條。此外，還建立了以市級檢驗機構(gòu)為核心、縣級檢驗機構(gòu)為支撐、鄉(xiāng)和市場快檢室為基礎(chǔ)的檢測體系。開展立體式宣傳，連續(xù)13年組織家庭小藥箱清理暨用藥安全宣傳月活動。

3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵性能的實現(xiàn)

3.1 抗震功能

根據(jù)核電廠設(shè)計要求，控制系統(tǒng)需滿足“1E級電氣設(shè)備抗震鑒定試驗技術(shù)條件”的規(guī)定。試驗采用三軸時程試驗，包含5次基準地震(operating-basis earthquake,OBE)試驗和1次安全停堆地震(safety shutdown earthquake,SSE)試驗[7]。對此，控制系統(tǒng)所有組成元器件均采用無風(fēng)扇設(shè)計，降低故障率?？刂葡到y(tǒng)柜體采用抗震設(shè)計，柜體框架通過采用輥扎成型的多重彎曲框架結(jié)構(gòu)，使得框架質(zhì)量輕、剛性強。為增強控制柜柜體整體的抗震性能，增設(shè)抗震底座及抗震套件，確保在發(fā)生強震時，柜體不會出現(xiàn)任何變形。

抗震鑒定試驗結(jié)果如下。

①抗震鑒定試驗前后，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整無裂痕，外觀無損傷及形變，內(nèi)部無元器件脫落。

②抗震鑒定試驗前后測試結(jié)果表明，控制系統(tǒng)所有開關(guān)量通道正常，所有模擬量通道正常，系統(tǒng)內(nèi)所有元器件工作正常。

③抗震鑒定試驗?zāi)M地震中，選取的開關(guān)量信號變化正常，選取的模擬量信號通道信號無斷續(xù)，可編程邏輯控制器、工控機、顯示器均工作正常。

3.2 事件順序記錄

事件順序記錄功能主要用于記錄故障發(fā)生的時間和事件類型，其數(shù)據(jù)存儲時間設(shè)置為6個月，時間分辨率為1 ms，可為系統(tǒng)的故障分析提供精確的順序數(shù)據(jù)。人機界面可實現(xiàn)SOE數(shù)據(jù)查詢。

控制系統(tǒng)的SOE功能均設(shè)置在1號機架的8個數(shù)字量采集模塊，根據(jù)實際使用情況，可采集的通道數(shù)可達128個。

在進行SOE功能測試時，從8個數(shù)字量采集模塊上分別選取1個通道同時進行測試，使用SOE信號發(fā)生器發(fā)出8路開關(guān)量信號。每路開關(guān)量信號前后間隔1 ms，每路開關(guān)量信號周期為1 000 ms。在測試結(jié)果中，紅色感嘆號表示信號為1，信號到達；綠色感嘆號表示信號為0，信號離開。分布在8個不同模塊上的8個通道分別間隔1 ms依次到達；經(jīng)過1 000 ms后，8個通道上的信號分別間隔1 ms依次離開。測試結(jié)果表明，SOE功能符合設(shè)計要求。

3.3 模擬量數(shù)據(jù)高速采集

在一般的PLC控制系統(tǒng)中，模擬量的采集周期和顯示周期最小為250 ms。后備柴油發(fā)電機控制系統(tǒng)要求電壓建立曲線和機組轉(zhuǎn)速曲線的采集周期和顯示周期最大不超過50 ms，即要求監(jiān)控計算機對高速變化的過程數(shù)據(jù)進行歸檔記錄。

在出廠試驗過程中，使用信號發(fā)生器產(chǎn)生電流信號，并快速手動調(diào)節(jié)該電流信號，模擬現(xiàn)場采集的機組轉(zhuǎn)速信號。監(jiān)控計算機在1 s內(nèi)共采集到20個數(shù)據(jù)，信號采集和顯示周期不大于50 ms。經(jīng)過多次測試，該功能均穩(wěn)定、可靠。

3.4 機組應(yīng)急停機

系統(tǒng)軟件應(yīng)急停機示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件應(yīng)急停機示意圖

后備柴油發(fā)電機應(yīng)急停機功能通過硬件(硬接線)、軟件(PLC)兩種方式實現(xiàn)，充分考慮并優(yōu)化硬件回路和軟件回路的電源獨立、信號分配、線路走向，確保硬回路功能絕對獨立。在PLC失效(無法完成軟件應(yīng)急停機)時，可通過應(yīng)急停機按鈕，115%超速3取2，潤滑油進機口壓力低3取2，差動保護等硬接線電話自動實現(xiàn)應(yīng)急停機。

在硬接線停機電路中，3個轉(zhuǎn)速信號分別接入3個轉(zhuǎn)速變送器。當轉(zhuǎn)速變送器采集的轉(zhuǎn)速信號超過115%額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速變送器將開關(guān)量信號輸出至?xí)r間繼電器，經(jīng)過1 s的延時，將轉(zhuǎn)速115%超速3取2信號輸出至應(yīng)急停機繼電器；3個潤滑油進機口壓力信號分別進入3個配電器，配電器判斷電流大小輸出開關(guān)量信號至?xí)r間繼電器，經(jīng)過1 s的延時，將3取2信號輸出至應(yīng)急停機繼電器；按下應(yīng)急停機按鈕，差動保護等信號直接驅(qū)動應(yīng)急停機繼電器進行應(yīng)急停機。

軟件應(yīng)急停機回路通過對采集進控制系統(tǒng)的信號進行邏輯處理后，再輸出應(yīng)急停機信號。

4 結(jié)束語

在分析后備柴油發(fā)電機的工藝流程及運行邏輯特性的基礎(chǔ)上，綜合工藝指標、安全、穩(wěn)定、可靠等諸多要求，設(shè)計了完整的后備柴油發(fā)電機控制系統(tǒng)。對該系統(tǒng)進行了歷時半年的樣機研發(fā)、試驗、認證，以及歷時一年的產(chǎn)品生產(chǎn)、出廠試驗，并聯(lián)機調(diào)試。出廠試驗及運行結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)完全滿足后備柴油發(fā)電機系統(tǒng)的各工藝指標要求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。該設(shè)計方案將有效降低核電廠應(yīng)急電源部分的建造成本，可推廣應(yīng)用到國內(nèi)外其他核電廠，具有廣闊的應(yīng)用前景[8]。