功能模塊的設計與應用研究

王 釗

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

功能模塊最初應用于火電和化工行業設計，隨著其廣泛應用，國際上也開始出現相應的法規標準。最早的標準是IEC 60617 -12 -1997［1］，它對基本功能模塊(black functional blocks，BFB)的設計和使用有了一定的要求，避免了功能模塊在使用上的混亂。而基于此標準，中國也發布了相應標準GB 4728.12.2008《二進制邏輯元件》［2］。功能模塊作為圖符工具也同樣遵循GB 16901. 1 - 2008《技術文件圖形符號表示規則》［3］和GB 20063.6 -2006《簡圖用圖形符號 第6 部分測量與控制功能》［4］。隨著核電的快速發展，功能模塊也應用到了核電行業，而相關法規標準也在對應使用。

功能模塊屬于圖符工具，每個模塊都有定義的功能。功能模塊可以分成基本功能模塊以及廣義的專用功能模塊。基本功能模塊指的就是“與”、“或”和“非”等模塊。這些模塊的功能是普遍通用的，而且無論是在早期還是現階段，其功能沒有變化，只是后續在數量上有所增加，功能也更全面。相關的法規標準也主要針對這種基本功能模塊。廣義的專用功能模塊就有所不同，不同的設計者在設計時會定義一些專用的模塊，這些模塊的功能不是通用的。這部分在法規標準上就沒有太多的規范和要求，但設計者會有專門的文件定義這些模塊的功能。

隨著核電技術的發展，功能模塊的使用也慢慢有了變化。基本功能模塊沒有太大變化，只是新增了一些基本功能模塊，而廣義的專用功能模塊有了很大的變化。本文即針對廣義專用模塊進行深入研究和介紹，并介紹了本人設計的廣義專用模塊。

1 功能模塊的應用

1.1 功能模塊的設計目的

功能模塊設計的目的是為了將核電廠常用的功能邏輯進行模塊化，減少設計過程中的設計錯誤，增加圖紙的可讀性。通過功能模塊的設計，也使得核電廠工作人員對現場設備的類型、控制方式有更清晰的認識。同時，邏輯模塊化更有利于保護核心技術。

1.2 CPR1000 功能模塊的應用

二代核電技術早期核電廠的控制邏輯圖使用的功能模塊主要是最簡單的基本功能模塊，包括與模塊、或模塊、非模塊、延時模塊以及RS 觸發器模塊。這幾個模塊屬于功能模塊，每個模塊實際是有對應邏輯的。而其他模塊只是簡單的圖形模塊，沒有特定功能，包括報警模塊、執行機構模塊以及傳感器模塊等。這些模塊都是按照相關法規和標準設計的。

后續核電廠所使用的數字化控制系統，在控制邏輯圖的繪制上差別不大。但是DCS 供貨商在設計數字化控制系統時使用的組態圖，大量使用了功能模塊和專用驅動功能模塊。

基本功能模塊供貨商仍然按照IEC 60617 -12 -1997［1］的要求設計。但是專用驅動功能模塊的千差萬別給功能模塊的發展帶來很大影響。在三代核電技術上，DCS 供貨商進一步完善了這些功能模塊。

CPR1000 項目DCS 供貨商雖然有變化，但是，其控制邏輯圖與之前并沒有太大的變化;基本功能模塊保持不變，只是圖形模塊增加信息輸入功能，可以輸入一些必要的信息，便于后續信息的導出和統計。

1.3 EPR 項目功能模塊的應用

EPR 技術作為AREVA 力推的核電三代技術，在功能模塊的設計上確實是目前世界上最領先的。在西門子早期組態圖的設計上就使用了基本功能模塊配以帶有內部邏輯的驅動塊，而后在EPR 的設計上更是完善了整個功能模塊的設計。雖然AREVA 在專用驅動模塊設計上也沒有相關法規標準要求，但是AREVA會出版相關的文件對這些模塊進行說明和規范。

1.3.1 EPR 項目基本功能模塊設計

EPR 項目的基本功能模塊BFB 總共有65 個，包括15 個數字量的模塊和50 個模擬量的模塊。數字量模塊輸入和輸出的都是數字量信號，而模擬量模塊輸入的是模擬量信號，輸出的則可以是數字量或者模擬量。AREVA 在設計時詳細地定義了每一個模塊的圖符、功能、輸入和輸出，部分基本功能塊還定義了參數，通過對參數的修改來改變其功能。

1.3.2 EPR 項目專用驅動功能模塊設計

EPR 項目的驅動功能模塊稱為Macros，根據設計階段和分工不同，又分為工藝功能模塊和儀控功能模塊。因為儀控功能模塊主要用于DCS 組態階段的設計，所以在此主要介紹工藝功能模塊。

EPR 項目的工藝功能模塊主要分為14 大類，每一類都針對不同的設備，主要包括電動閥、氣動閥、調節閥、加熱器、電機類設備以及儀表等設備，如表1所示。

每一類設備又根據不同需求而分為不同的MACRO，比如AM 模塊就根據接收的信號不同分為AM_CV(電流和電壓)和AM_TM(溫度測量)，圖符如圖1 所示。

表1 EPR 項目的專用驅動模塊Tab. 1 The dedicated drive blocks in EPR project

圖1 AM 模塊圖符Fig.1 Symbol of AM block

EPR 項目中，詳細定義了每個工藝功能模塊的功能、輸入、輸出以及參數，并給出了簡易的邏輯。以電動閥MOV 模塊為例(圖符如圖2 所示)，其功能主要是管理電動閥門，通過獲得控制命令、反饋信號以及動力電、控制電喪失等信號來提供開關控制命令給閥門，或者提供閥門開關狀態給人機界面或者其他控制。所以MOV 的主要輸入是開關命令、手自動模式以及控制電失去信號和動力電失去信號，這幾類輸入對于電動閥來說可以滿足所有輸入要求。而輸出主要是開關狀態和手自動模式狀態。這些輸入輸出都有確定而且唯一的縮寫，針對各個功能塊都適用。

圖2 MOV 模塊圖符Fig.2 Symbol of MOV block

參數設置相對基本功能模塊內容較多也很全面，既有設備主要信息也有設計要求。例如MOV 的主要參數就有安全等級、地震等級、是否有應急供電、是否要求嚴重事故供電、開關優先位置、PICS 或者SICS 顯示等這類設計要求，也有閥門開關時間、力矩延時時間等這類設備信息。這些參數都會對閥門的設計和控制產生影響，所以大部分參數都需要仔細填寫。

功能模塊最核心的內容還是內部邏輯，這些內部邏輯的設計需要在明確設備需求，完整地定義輸入、輸出和參數以后才能完成。MOV 功能模塊的內部邏輯，主要分成開命令、關命令和控制模式3 大塊。每一塊都有明確的輸入和輸出和相應邏輯，但是對于開、關命令各自的優選邏輯并沒有完全體現，而只是明確了各命令的優先級，具體邏輯處于黑匣子中。所以優選邏輯作為模塊設計的核心內容并沒有在EPR 相關文件中有所體現，相應的報警邏輯的設計也是如此。AREVA 充分利用功能模塊設計來保護核心技術與知識產權。

2 功能模塊的設計

2.1 功能模塊的設計現狀

目前，國內關于功能模塊的設計還比較落后，各家核電設計院都沒有比較完整的功能模塊的設計，CPR1000 項目只有常規島部分邏輯圖設計有使用專門的專用驅動功能模塊。基于國內目前功能模塊的應用現狀，國內核電設計院有必要對功能模塊進行更深入的研究。基于前期對于功能模塊的了解和研究，本人也參與了部分功能模塊的設計。

2.2 基本功能模塊設計

基本功能的設計相對簡單，主要工作是梳理出控制邏輯圖中使用的基本功能模塊。在參考CPR1000、EPR 和AP1000 的基本功能模塊使用情況，并遵循IEC 60617 -12 -1997［1］和標準GB 4728.12.2008《二進制邏輯元件》［2］后，整理出文件《儀控基本功能單元》。此文件共包含基本功能模塊62 個，并按照輸入為模擬量和數字量進行分類，每個模塊都按照GB 16901.1 -2008《技 術 文 件 圖 形 符 號 表 示 規 則》［3］和 GB 20063.6 -2006《簡圖用圖形符號 第6 部分測量與控制功能》［4］要求來規范圖形符號并包含名稱、圖標、功能描述、輸入輸出和參數等內容。此文件整理出的基本功能模塊是整個功能模塊設計的基礎。

2.3 優選模塊的設計

在EPR 項目的專用驅動功能模塊中，優選模塊是黑匣子設計，非設計人員無法知曉內部邏輯，而優選邏輯也是整個功能模塊設計的基礎和難點。在參考CPR1000 和EPR 優選設計的情況下，確定了信號的優先級，如表2 所示。根據確定的優先級關系，高優先級命令閉鎖低優先級命令，再加上手自動命令，就形成了優先級管理模塊。這個模塊適用于任何一個專用驅動功能模塊，模塊沒有的控制命令引腳只需空著即可。

表2 信號優先級Tab. 2 Priorities of signals

2.4 報警模塊的設計

在EPR 項目的專用驅動功能模塊中，報警模塊同樣也是黑匣子設計。在設計時需要確定哪些情況需要報警，產生報警的邏輯是什么。經過討論，確定開啟超時故障、關閉超時故障、雙1 故障、雙0 故障、開關盤故障、綜合故障、開啟響應故障、關閉響應故障、運行故障/緊急停、運行故障/緊急開啟、保護關命令、保護開命令、其他故障等報警信息。這些報警的產生都由相應的命令與反饋經過一定的邏輯所產生，每一個報警確定了含義，邏輯也就自然產生。這些報警邏輯組合在一起就形成了報警模塊。報警模塊也是一個通用模塊，無需專用驅動功能模塊即可使用。

2.5 專用驅動功能模塊的設計

專用驅動功能模塊的設計是在優選模塊和報警模塊的基礎上完成的，在開發每一類專用驅動功能模塊之前，必須清楚專用控制模塊的功能需求，這是專用控制模塊設計最核心的設計輸入。定義各類專用控制模塊的功能需求的過程就是對已有核電廠設計的積累和總結的過程，分析和歸納各類執行機構、傳感器、控制器的特點和控制要求。以電動閥MOV 模塊為例，輸入主要是開關命令和模式選擇信號，輸出主要是閥門狀態和模式狀態。參數包括閥門的開關時間、開關命令的優先級和安全位置等，這是完成MOV 模塊邏輯的前提。

3 后續專用功能模塊設計的思考

目前國內的控制邏輯圖的設計上很少使用專用驅動功能模塊，只有少數用于常規島控制邏輯圖設計中的執行器。基于國內目前專用控制模塊的應用現狀，更深入地開發和研究十分必要，而且功能模塊的研發必須考慮與DCS 平臺的兼容。目前國內DCS 廠家的強勢發展，為國內設計院和國內DCS 供貨商的合作創造了非常好的條件。

4 結束語

功能模塊的應用是核電廠儀控設計長期積累的必然結果，也是大勢所趨。在當今世界三代核電技術都使用功能模塊的情況下，國內核電設計也應積極考慮功能模塊的應用，在滿足相應標準和法規的要求情況下，深入研究，多使用功能塊設計，既可以減少不必要的工作量，也可以做到核心技術的保護。同時，針對國內在功能模塊法規標準上的欠缺，也可以深入研究，保證功能模塊使用的規范化和統一性。

［1］國際電工委員會.IEC 60617-12-1997 二進制邏輯單元［S］.1997.

［2］ 國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 4728.12.2008 二進制邏輯元件［S］.2008.

［3］國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 16901.1 -2008 技術文件圖形符號表示規則［S］.2008.

［4］國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 20063.6 -2006 簡圖用圖形符號 第6 部分測量與控制功能［S］.2006.