電動(dòng)門控制邏輯的優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)

康延迪

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

隨著數(shù)字化儀控技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，DCS也經(jīng)歷了不斷改進(jìn)和應(yīng)用日益廣泛的歷程。邏輯控制作為DCS的重要環(huán)節(jié)，如何穩(wěn)定、安全、準(zhǔn)確的運(yùn)行是DCS應(yīng)用中面臨的重要問(wèn)題之一，得到了廣泛重視和研究。

秦山第二核電廠（以下簡(jiǎn)稱秦二廠）1、2號(hào)機(jī)組原集散控制系統(tǒng)（DCS）是國(guó)產(chǎn)DCS在核電領(lǐng)域的首次應(yīng)用，雖然距1975年提出集散控制系統(tǒng)近30年，其DCS系統(tǒng)也已進(jìn)入第三代，但受限于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)技術(shù)水平、設(shè)計(jì)理念以及設(shè)備制造水平的限制，DCS的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、控制站邏輯、硬件板卡等方面在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)故障頻現(xiàn)。這10余年間進(jìn)行過(guò)多次專項(xiàng)技改，消除了大量安全隱患。由于核電的特殊性，作為DCS系統(tǒng)核心的邏輯控制缺陷一直未進(jìn)行修改，但最近幾年硬件設(shè)備故障率及備品備件采購(gòu)的問(wèn)題變得尤為突出。在2010年提出了1、2號(hào)機(jī)組DCS的整體改造，作為DCS系統(tǒng)核心的邏輯控制缺陷也在此次改造中得以完善，其中常規(guī)島全開(kāi)全關(guān)電動(dòng)門的控制邏輯優(yōu)化便是其中之一。

圖1 原始邏輯Fig.1 Original logic

1 電動(dòng)門在秦二廠的應(yīng)用

在電廠中因有大量的蒸汽需要在管道中輸送，而蒸汽在輸送過(guò)程中，由于熱量的損耗，會(huì)凝結(jié)大量的疏水，因而在電廠設(shè)計(jì)時(shí)，管道上布置了很多疏水袋來(lái)收集蒸汽凝結(jié)的疏水。當(dāng)疏水袋中液位到達(dá)一定值時(shí)，便會(huì)打開(kāi)相應(yīng)疏水閥，收集疏水進(jìn)行重復(fù)利用。

二廠常規(guī)島抽氣管道設(shè)有氣動(dòng)疏水閥，在其管道旁路設(shè)有全開(kāi)全關(guān)式電動(dòng)疏水旁路閥。當(dāng)管道疏水袋液位觸發(fā)一高并延時(shí)2s或兩高觸發(fā)時(shí)，氣動(dòng)疏水閥打開(kāi)，液位降至一高消失后，氣動(dòng)疏水閥關(guān)閉；當(dāng)管道疏水袋液位兩高觸發(fā)或氣動(dòng)疏水閥5s內(nèi)未開(kāi)啟，則電動(dòng)疏水閥開(kāi)啟，液位降至一高消失，電動(dòng)疏水閥關(guān)閉。由于電動(dòng)疏水閥對(duì)于系統(tǒng)具有保護(hù)功能，因而本文主要闡述電動(dòng)門控制，其控制邏輯如圖1所示。

2 常用典型電動(dòng)門分類

2.1 有中停裝置的電動(dòng)門

帶中停裝置的電動(dòng)門在控制邏輯中有2個(gè)DI：電動(dòng)門全開(kāi)、全關(guān)反饋；3個(gè)DO：控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開(kāi)指令、關(guān)指令、停指令。

開(kāi)過(guò)程：當(dāng)閥門接到開(kāi)指令，開(kāi)命令接通時(shí)，閥門具有自保持功能。這時(shí)閥門開(kāi)始動(dòng)作，當(dāng)閥門全開(kāi)反饋信號(hào)到位時(shí)，將開(kāi)命令解除，在開(kāi)的過(guò)程中，關(guān)命令被閉鎖。

關(guān)過(guò)程：當(dāng)閥門接到關(guān)指令，關(guān)命令接通時(shí)，閥門具有自保持功能。這時(shí)閥門開(kāi)始動(dòng)作，當(dāng)閥門全關(guān)反饋信號(hào)到位時(shí)，將關(guān)命令解除，在關(guān)的過(guò)程中，開(kāi)命令被閉鎖。

圖2 順控模塊Fig.2 Sequence control module

表1 測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results

停過(guò)程：當(dāng)閥門在開(kāi)或關(guān)的過(guò)程中，如果觸發(fā)停指令，則電動(dòng)門解除開(kāi)、關(guān)命令，此時(shí)閥門停止動(dòng)作，處于中間位置，之后既可以接受開(kāi)指令，使閥門開(kāi)啟，也可以接受關(guān)指令，將閥門關(guān)閉。

2.2 全開(kāi)全關(guān)電動(dòng)門

全開(kāi)全關(guān)電動(dòng)門又稱無(wú)中停裝置電動(dòng)門，控制邏輯有2個(gè)DI：電動(dòng)門全開(kāi)、全關(guān)反饋；2個(gè)DO：控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開(kāi)指令、關(guān)指令。開(kāi)關(guān)過(guò)程與有中停裝置電動(dòng)門動(dòng)作過(guò)程與方式相同，只是缺少了停過(guò)程[1]。

3 秦二廠電動(dòng)門邏輯分析

3.1 邏輯測(cè)試

為了驗(yàn)證控制邏輯的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，1DCS技改期間在廠家進(jìn)行了大量離線仿真測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中，模仿現(xiàn)

場(chǎng)工況，依次強(qiáng)制相關(guān)信號(hào)。為保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，每次測(cè)試只改變其中一個(gè)條件，其他條件均正常，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

3.2 原因分析

由于本文主要從邏輯方面進(jìn)行分析，因而對(duì)于由電動(dòng)門本體故障導(dǎo)致的閥門拒動(dòng)或限位開(kāi)關(guān)不到位本文不做分析。而通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，根據(jù)電動(dòng)門測(cè)試結(jié)果分析，缺陷可分為兩類：一是控制邏輯無(wú)法生成指令；二是控制指令丟失。

3.2.1 控制邏輯無(wú)法生成指令

對(duì)于控制邏輯無(wú)法生成指令，根據(jù)表1分析主要是由于液位開(kāi)關(guān)故障導(dǎo)致，而對(duì)機(jī)組的影響主要有以下兩方面：

1）閥門開(kāi)啟時(shí)，液位不斷下降。當(dāng)液位開(kāi)關(guān)一高正常斷開(kāi)，而兩高無(wú)法斷開(kāi)時(shí)，由于兩高閉合觸發(fā)開(kāi)邏輯而閉鎖關(guān)邏輯，使閥門一直開(kāi)啟，無(wú)法關(guān)閉。當(dāng)疏水袋中的水全部流出后，蒸汽便經(jīng)過(guò)疏水管道流至疏水?dāng)U容器或凝汽器，影響機(jī)組的熱效率。

2）閥門關(guān)閉時(shí)，液位不斷上漲。當(dāng)液位開(kāi)關(guān)一高未閉合而兩高閉合時(shí)，由于一高斷開(kāi)觸發(fā)關(guān)邏輯而閉鎖開(kāi)邏輯，使閥門一直關(guān)閉，無(wú)法開(kāi)啟。當(dāng)疏水袋滿水后，多余的水將進(jìn)入抽氣管道，對(duì)管道及下游設(shè)備造成水沖刷，影響設(shè)備安全。

3.2.2 控制指令丟失

對(duì)于控制指令丟失，根據(jù)表1分析主要是電動(dòng)門動(dòng)作時(shí)間與疏水袋液位變化的時(shí)間問(wèn)題，而根據(jù)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生的影響不同，同樣分為以下兩個(gè)方面：

1）DCS觸發(fā)2s的開(kāi)閥脈沖時(shí)，閥門開(kāi)命令接通；閥門開(kāi)始動(dòng)作并閉鎖關(guān)命令，閥門在開(kāi)啟過(guò)程中，液位持續(xù)下降至一高斷開(kāi)，觸發(fā)2s關(guān)指令并送至就地電動(dòng)門，但電動(dòng)門在開(kāi)啟過(guò)程中關(guān)命令被閉鎖。因此，關(guān)指令丟失，閥門無(wú)法關(guān)閉。當(dāng)疏水袋中的水全部流出后，蒸汽便經(jīng)過(guò)疏水管道流至疏水?dāng)U容器或凝汽器，影響機(jī)組的熱效率。

2）DCS觸發(fā)2s的關(guān)閥脈沖時(shí)，閥門關(guān)命令接通；閥門開(kāi)始動(dòng)作并閉鎖開(kāi)命令，閥門在關(guān)閉過(guò)程中，液位持續(xù)上漲至兩高閉合，觸發(fā)2s開(kāi)指令并送至就地電動(dòng)門，但電動(dòng)門在關(guān)閉過(guò)程中開(kāi)命令被閉鎖。因此，關(guān)指令丟失，閥門無(wú)法開(kāi)啟。當(dāng)疏水袋滿水后，多余的水將進(jìn)入抽氣管道，將對(duì)抽氣管道及下游設(shè)備造成水沖刷，影響設(shè)備安全。

3.3 修改措施

3.3.1 控制邏輯無(wú)法生成指令

對(duì)于第一類原因，由于是液位開(kāi)關(guān)設(shè)備故障導(dǎo)致，而液位開(kāi)關(guān)故障存在很大的隨機(jī)性，因而會(huì)造成控制邏輯無(wú)法生成電動(dòng)門開(kāi)指令或關(guān)指令。在表1中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動(dòng)門未開(kāi)啟時(shí)，對(duì)機(jī)組的影響一致；當(dāng)電動(dòng)門未關(guān)閉時(shí)，對(duì)機(jī)組的影響一致。因此，將開(kāi)指令與關(guān)指令的優(yōu)先級(jí)考慮，轉(zhuǎn)換為對(duì)設(shè)備安全與熱效益的優(yōu)先級(jí)對(duì)比。

圖3 修改后邏輯1 Fig.3 Modified logic 1

核電作為一個(gè)特殊的行業(yè)，在邏輯控制上時(shí)刻以安全出發(fā)，失去安全就喪失一切。因此，在以設(shè)備安全的前提下，提出了如圖3所示提升閥門開(kāi)優(yōu)先的邏輯修復(fù)方案1。

在此次修復(fù)中，主要是提升了開(kāi)閥的優(yōu)先級(jí)，即在開(kāi)指令ON中引一路至PSON：核島保護(hù)開(kāi)指令（優(yōu)先級(jí)高于開(kāi)指令ON），當(dāng)一高斷開(kāi)而觸發(fā)關(guān)邏輯，兩高閉合后，可以通過(guò)PSON觸發(fā)開(kāi)邏輯。同時(shí)，添加一高斷開(kāi)而兩高閉合的報(bào)警邏輯，提醒運(yùn)行人員。通過(guò)此次修改可以有效控制疏水袋中的液位穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)設(shè)備的安全性。

3.3.2 控制指令丟失

對(duì)于另一類原因，由于命令丟失的主要原因是時(shí)間問(wèn)題，在不改變電動(dòng)門及疏水袋的前提下，可認(rèn)為疏水管道的流通能力恒定。為了解決控制指令丟失問(wèn)題，提出了延長(zhǎng)控制指令的脈沖時(shí)間和推遲控制指令觸發(fā)時(shí)間兩種方案。

如果使用延長(zhǎng)控制指令脈沖時(shí)間的方式，主要有以下幾個(gè)難點(diǎn)：

1）每一個(gè)電動(dòng)門的開(kāi)啟關(guān)閉時(shí)間不同，需要逐個(gè)收集，數(shù)據(jù)量大且收集困難。

2）修改邏輯時(shí)，需要逐個(gè)修改，易出錯(cuò)，DCS工程實(shí)施困難。

3）每個(gè)周期電動(dòng)門的開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間都有微小差別，需要定期修改，DCS工程維護(hù)工作困難。

4）每次修改后，工作中使用的邏輯圖紙需要升版，后期圖紙維護(hù)工作困難。

如果使用推遲控制指令觸發(fā)時(shí)間，則可有效避免以上問(wèn)題的出現(xiàn)。因此，提出了如圖4所示第二種修改方案。

在此修復(fù)中，在順控模塊后增加RS觸發(fā)器，順控模塊輸出指令作為S端輸入，閥門反饋與相反順控指令取或后作為R端輸入。當(dāng)Q1端控制指令發(fā)出后，直到R端輸入為1時(shí)，Q1端指令消失。有效避免了閥門控制指令的丟失，不僅提高了系統(tǒng)設(shè)備的安全性和系統(tǒng)熱效率，也降低了改造成本[2]。

圖4 修改后邏輯2 Fig.4 Modified logic 2

表2 RS觸發(fā)器真值表Table 2 RS trigger truth table

4 修改后的邏輯驗(yàn)證

為了驗(yàn)證其可靠性，在1DCS改造工廠測(cè)試期間，通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)工況反復(fù)進(jìn)行了大量仿真測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

在測(cè)試中，對(duì)表1全部工況進(jìn)行了大量重復(fù)性驗(yàn)證，DCS輸出結(jié)果穩(wěn)定、可靠，對(duì)于因液位開(kāi)關(guān)故障導(dǎo)致的控制指令無(wú)法生成，得到有效控制；對(duì)于因電動(dòng)門動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)而導(dǎo)致的控制指令丟失現(xiàn)象全部消除。從表3的測(cè)試結(jié)果表明，修改后的邏輯不僅未對(duì)原有控制造成影響，而且消除了管道沖刷問(wèn)題并提高了熱效率。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

由于常規(guī)島電動(dòng)門包含疏水旁路閥以及各管道隔離閥，而常規(guī)島電動(dòng)隔離閥的控制邏輯不涉及液位開(kāi)關(guān)問(wèn)題，因而在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)主要分3步進(jìn)行：

1）在1DCS技改期間，根據(jù)修改邏輯1對(duì)1號(hào)常規(guī)島所有電動(dòng)疏水閥邏輯進(jìn)行修改。

2）在D112大修期間，根據(jù)修改邏輯2對(duì)1號(hào)常規(guī)島所有電動(dòng)門邏輯進(jìn)行修改。

3）在2DCS技改期間，根據(jù)修改邏輯1對(duì)2號(hào)常規(guī)島所有電動(dòng)疏水閥邏輯進(jìn)行修改；根據(jù)修改邏輯2對(duì)2號(hào)常規(guī)島所有電動(dòng)門邏輯進(jìn)行修改。

表3 驗(yàn)證邏輯測(cè)試結(jié)果Table 3 Verify logic test results

在1DCS改造完成后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)工況，對(duì)第一步修改進(jìn)行了大量驗(yàn)證，結(jié)果表明：修改邏輯1方案完全消除了因液位開(kāi)關(guān)故障導(dǎo)致的設(shè)備安全問(wèn)題。

對(duì)于此問(wèn)題的成果處理，究其根本是找到了其根源所在。通過(guò)修改邏輯來(lái)解決問(wèn)題，由于其成本較低，施工較簡(jiǎn)單，經(jīng)常出現(xiàn)于現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中。而當(dāng)控制邏輯無(wú)法解決時(shí)，則需另尋解決問(wèn)題的方法。其中，將全開(kāi)全關(guān)電動(dòng)門更換為有中停裝置的電動(dòng)門，通過(guò)主控操作對(duì)其進(jìn)行有效控制，此方法在大連紅沿河核電站以及廣西防城港核電站中也有良好應(yīng)用[3]。

6 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)備功能性能的完全驗(yàn)證是一件很困難的事情，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的任何異?，F(xiàn)象都不能放過(guò)。深入追究，一個(gè)小小的異常后面隱藏的就可能是一個(gè)普遍性的缺陷，這次電動(dòng)門問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)、分析和處理就是這樣。

隨著DCS系統(tǒng)在核電領(lǐng)域越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，機(jī)組控制系統(tǒng)也正在向硬接線簡(jiǎn)單化、軟件邏輯組態(tài)復(fù)雜化的方向發(fā)展，軟件邏輯組態(tài)在機(jī)組控制中起著越來(lái)越重要的作用，嚴(yán)謹(jǐn)、合理、功能完備的邏輯組態(tài)至關(guān)重要。DCS系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)組態(tài)的完整性、嚴(yán)密性、合理性，必須經(jīng)反復(fù)實(shí)踐才能得以保證。