三冗余控制器在核電汽輪機保護系統中的應用

金洪偉 代波濤 王興武

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司自動控制工程分公司，哈爾濱 150090）

田灣核電三號機組是哈爾濱汽輪機廠生產的1000MW 汽輪機，對汽輪機保護系統（ETS）有著最高等級的安全、精度和控制速度要求，例如要求系統控制周期在20ms 以內等。Woodward Inc.公司的三冗余控制系統Micronet TMR 以高可靠性的三模版冗余結構、高達5ms 的控制速度和確定性的控制周期滿足此項目的嚴格要求。

本文介紹了Micronet TMR 系統在田灣核電三號機組ETS 的應用，特別是系統的結構、原理、特點等。

1 ETS 系統結構

ETS 系統主要由 Micronet TMR 控制器和Micronet Safety Module（以下簡稱MSM）組成。Micronet TMR 是三模版冗余控制器，主要負責機組各種保護信號的處理和機組在線試驗等。MSM 控制器是三模板冗余結構的機組超速保護控制器，負責機組的超速保護。Micronet TMR 與MSM 直接通過硬件線和通信方式進行數據交換和協調，構成統一的整體。ETS 的系統結構如圖1所示。

圖1 ETS 系統結構

2 系統特點

2.1 徹底的三冗余結構

通常說起控制系統的冗余，例如三冗余，往往指CPU 的三冗余。實際上，控制系統的冗余分多個層次，例如輸入方面，包括傳感器信號、輸入通道、輸入模板、和CPU 等。同理，輸出方面也包括CPU、輸出通道、輸出模板、執行機構等。這些環節和控制對象一起組成控制回路，如果任何一個環節不是冗余結構，整個系統就存在單點結構，系統并不是真正的三冗余架構。在英文中，三冗余控制器也稱為TMR，是Triple Module Redundancy 的縮寫，也就是三模板冗余的意思，表示不僅CPU，包括模板等部件也需要是三冗余結構。可見，真正的三冗余控制系統并不是單指CPU 的冗余，而指的是控制系統的各個環節都是三冗余配置。

Micronet TMR 和MSM 控制器就是采用這種真正三冗余結構的控制系統。以ETS 的冷凝器真空低信號PS-LV1 為例，Micronet 通過專用的分配端子將此信號分成三路，分別送到三個輸入通道， 而這三個輸入通道分別位于三個不同的模板， 每個模板將信號分別送給三個CPU。可以看出，在輸入通道的所有環節，都是三冗余結構，任何環節故障均不影響系統工作。同樣道理，所有的輸出環節也是三冗余配置。

Micronet TMR 的CPU 表決方面同樣是徹底的三冗余結構。Micronet TMR 的三個獨立控制核心運行同樣的控制程序，獨立進行三取二表決運算。同時，三個控制核心并不是孤立的，它們通過專門的數據總線對所有的輸入輸出信息進行交換，每一個CPU 都可以得到另外CPU 的輸入數據，進行表決后在送回給其它CPU 進行二次表決。這樣，任何數據值或數據通道損壞都不影響數據進行三取二表決。CPU 表決如圖2所示。

圖2 CPU 表決示意圖

2.2 快速而確定性的控制周期

Micronet TMR 系統不僅速度快，控制周期最快可達5ms，而且更重要的是控制周期的穩定性，也就是說，Micronet TMR 的控制周期是確定性的， 英文中稱為“Deterministic”或“Pre-Deterministic”。在Micronet TMR 的控制器的底層采用VxWorks 實時操作系統（RTOS）。VxWorks 與Micronet TMR 上層應用程序GAP（Graphical Application Program）相結合，采用速率組“Rate Group”方式，把控制任務分成預先確定的時間片，保證每個時間片都能穩定地按預定的計劃確定地執行。同時，關鍵的控制回路的速率組可達5ms，這樣，不僅保證的控制器的快速響應，而且保證了整個控制程序的時序是預先確定的，即在任何工控不會出現CPU 負荷大小的變化，更不會出現控制器在某些工控超負荷的情況。Micronet TMR 控制任務時序分配如圖3所示。

圖3 Micronet 控制任務時序

2.3 可靠的繼電器表決結構

傳統的冗余控制系統往往重視CPU 的冗余，忽略執行機構。但是ETS 中，執行機構，特別是輸出的最后一個環節繼電器的冗余配置對機組的安全起著關鍵的作用。Micronet 系統的繼電器輸出通道也采用徹底的三冗余結構，每個CPU 的表決指令分別驅動兩個繼電器，所以，Micronet 的每個開關量輸出通道實際上都由六個繼電器以及相關的輔助檢測電路構成，如圖4所示。這樣的設計不僅實現了繼電器環節的三取二表決，而且通過輔助電路，實現了繼電器的工作狀態的在線監測和熱替換。

圖4 繼電器輸出配置

2.4 停機電磁閥表決結構

ETS 停機電磁閥的布置采用哈爾濱汽輪機廠傳統的“兩或一與”結構， 停機電磁閥的布置如圖所示，停機指令邏輯如式（1）所示。

這樣的電磁閥布置實現了停機電磁閥的冗余，即電磁閥SV-1 和SV-3 任何一個動作，同時SV-2和SV-4 的任何一個動作，機組都可以停機。同時，四個電磁閥中任何一個電磁誤動或拒動，都不會造成機組停機。

這樣配置的另外一個功能是實現了在線電磁閥試驗以及在線更換電磁閥。ETS 系統具有在線通道和在線電磁閥測試功能，還包括真空和軸承油壓低等在線試驗功能。

圖5 停機電磁閥的配置

3 結論

田灣核電三號機組采用Micronet TMR 系統，實現了包括從輸入信號、通道、模板、CPU 到、輸出通道、模板和繼電器等多環節的真正三冗余結構，同時滿足了項目對快速控制周期和控制穩定性的要求。

[1] 哈爾濱汽輪機廠有限責任公司ETS 系統資料[Z]. 哈汽內部資料,2011.

[2] Woodward Inc.,Micronet TMR Digital Control,26167V1,26167V2,Woodward Inc. ,2012.

[3] Woodward Inc.,Micronet TMR Digital Control,26167V1,26167V2,Woodward Inc. ,2012.

[4] Woodward Inc.,MicronetSafety Module Fault TolerantProtection System,26711V1,26711V2,Woodward Inc. ,2014.