核電廠TES 水泥固化線控制策略研究與應用

薄晶杰 林 鋒 劉錦洋 王 星

(深圳中廣核工程設計有限公司1，廣東 深圳 518172;深圳行健自動化股份有限公司2，廣東 深圳 518000)

0 引言

水泥固化線作為一種核電廠運行期間產生的固體廢物的處理工藝，長期以來被國外供貨商壟斷，但近一兩年來，具有自主知識產權的固體廢物處理系統自主化設計方案相繼在國內多個CPR1000 項目上成功實施，徹底打破了國外供貨商的壟斷局面。隨著工業自動化水平和數字化控制水平的日益提高，更加可靠、先進的數字化控制系統也投入應用在水泥固化線生產工藝中，同時更加合理、高效、有針對性的控制策略也應運而生。

1 ISA-S88 標準概述

S88 標準共有4 個部分，分別是S88.01、S88.02、S88.03 和S88.04，水泥固化線控制方案參考了S88.01的模型標準。S88. 01 標準的全稱為ANSI/ISA -88.01 -1995，批處理控制部分1:模型和術語。這一標準得到了國際上的廣泛接受，它被開發并針對用于批處理工業。

在工業行業有很多批處理工藝，同樣在食品、飲料、制藥和造紙也有這樣的工藝。批處理過程的特點之一是如果把不同批次的產品放在一起，很難區分是哪一批生產的產品;其另一個特點是用同一種設備可以生產出不同的最終產品，對設備提出了高度柔性的要求。S88 標準為批處理控制提供了柔性的方法。

S88 標準中包含了模型和術語，用來構建生產過程的結構，其主要概念是把設備的控制和生產的過程相分離，這就使得使用相同的設備、執行不同的過程、生產不同的產品成為可能。該標準是按批處理過程開發，同樣也適用于連續的和離散的過程，如果這些生產過程中需要一定程度的柔性，那么就可以應用S88標準。

S88.01 提供了一種層疊模型，用來對物理設備進行結構化的描述，被稱為物理模型。控制系統工程師可以基于這個模型，對設備所有可能的功能進行編程。

S88 標準不僅是一種軟件、設備和程序標準，更是一種思維方式、設計理念。

2 水泥固化線系統簡介

2.1 系統組成及功能說明

CPR1000 項目中固體廢物處理系統(solid waste treatment system，TES)主要分為兩部分，上游為濃縮液、廢樹脂的收集和貯存;下游則是固體廢物的處理。在某核電廠項目中，即采用水泥固化生產線工藝。水泥固化線的功能是采用水泥作為固化劑，對TES 系統所收集的濃縮液、廢樹脂和廢過濾器芯等濕放射性廢物進行固化或固定，并封存在容器中，以形成穩定的貨物包，便于運輸和長期貯存。

水泥固化線為非安全相關系統，但系統設有屏蔽，使運行人員和公眾所受的輻照劑量率不超過允許限值，同時對各種放射性物質進行密封包裝，以防止其散入環境。

2.2 控制系統簡介

根據3 種主要濕廢物(廢樹脂、濃縮液理、廢過濾芯)的處理工藝，可將固化線的生產過程分為:生產準備、廢物的預處理和裝桶、廢物的固化(或固定)、廢物桶的養護、設備清理以及廢物桶導出等。固化線運行流程根據處理的廢物類型進行確定。

為盡量減少操作人員所受輻照，水泥固化線生產時的所有操作均通過遠程控制完成，并在獨立的數字化控制室實現集中控制。控制系統通過硬接線或網絡通信的方式與水泥固化線主要組成設備相連，如輥道傳輸線、裝桶攪拌站、干混料輸送裝置、廢過濾器芯子下降通道、取封蓋裝置、劑量率檢測裝置、單軌吊車、運輸小車、屏蔽門、吊具、計量槽、屏蔽容器以及一些閥門、泵等，主要實現以下控制功能。

(1)實現控制系統的啟動和正常停止功能。在控制室以及現場主要手操站均提供緊急停止按鈕，用于緊急情況下切斷系統的運行。

(2)根據工藝流程，實現系統功能要求，并可對工藝過程實施手動和自動控制。正常操作通常使用自動模式，自動模式下的控制是以操作員選擇的任務作為輸入依次完成系統運行;手動模式通常用于系統的維護和糾錯。在確保系統安全的前提下，考慮減少操作員的操作，以降低誤操作的可能性。涉及流程走向或系統安全的重要環節，必須設置人工確認。手動操作的設置確保了系統故障或特殊工況下處理的可能性和靈活性。

(3)提供必要的聯鎖控制、報警功能，確保不因誤操作造成放射性物質泄漏和設備損壞。

(4)向核輔助廠房集中控制系統反饋水泥固化線狀態信息包括如下內容:固化線的運行狀態(正常運行、故障、檢修);固化線正常運行時處理的廢物類型(廢樹脂、濃縮液、廢過濾器芯子);固化線的故障類型(系統外部故障、系統內部故障)。

(5)系統自檢功能。控制系統上電后對整個水泥固化線系統進行自檢，檢查系統是否有報警以及所有設備是否都在安全位置，如有報警或設備位置有誤，應給出報警提示，操作人員消除報警以及糾正設備位置后系統顯示可用。

(6)提供友好的人機界面和合理便捷的操作手段，便于操作員對整條水泥固化線進行控制和管理。

控制系統架構圖如圖1 所示。

圖1 控制系統架構圖Fig.1 Architecture of the control system

3 水泥固化線控制策略研究與應用

3.1 水泥固化線控制特點

水泥固化線處理的廢物主要有3 種類型:廢樹脂、濃縮液以及廢過濾芯。主要的工藝過程包括:固化準備、廢樹脂處理、濃縮液處理、廢濾芯處理、廢物桶運出、設備清洗以及特殊處理。

與核電廠其他大部分系統不同，在水泥固化線系統的被控設備中，除了流體系統中常見的泵、閥門、儀表之外，還有大量的機械傳動設備對金屬桶進行一系列的吊裝、傳輸、升降、取蓋、封蓋、堆棧等順控操作和批量處理。該系統是一個典型的同時具備一定特殊性的機-電-儀自動化系統，其具有如下顯著特點:

(1)典型的Sequence 控制、Batch 控制;

(2)設備單元化，部分單元設備有較高的集成度和復雜的內部部件級聯鎖;

(3)完整的批次及時序要求，批量處理過程需要實時監控和全程跟蹤;

(4)設備的閉鎖關系以及操作流程的聯鎖關系明確;

(5)設備的初始化設置和故障位設置;

(6)機械設備定位精度要求高、流體計量準確度要求高，機械系統與流體系統可并行運行并在特定情況下互相配合;

(7)異常工況下有較高的自動化干預、處理能力，緊急狀況時的報警、急停、退出機制。

3.2 S88 標準適用性研究分析

水泥固化線系統對不同類型的廢物處理過程中存在大量的相同操作。為便于系統的操作和管理，同時確保系統運行的獨立性和靈活性，將整個工藝流程劃分為多個工序，每個工序對應一個子任務，執行某一子任務即系統自動完成該工序的所有操作。當正常運行時，通過順序執行子任務的方式，將所需工序組合起來，形成完整的工藝流程。

子任務劃分原則:子任務作為一個完整工藝流程的某一工序，其任務繁簡、參與設備多少及工作時間無嚴格定義，子任務的設置應盡量能夠被不同的工藝流程任務所調用。劃分后的子任務可單獨被視為一個高度自動化的設備，子任務也可在非自動控制時單獨完成某一控制功能。

通過以上對水泥固化線控制特點的分析和對其主要流程按子任務劃分策略的說明，該系統比較適合采用基于ISA -S88 標準的技術進行開發。整條生產線所包含的傳感器、執行機構以及自帶控制器的集成裝置均使用標準化模型模塊代碼。每個子任務所包含的檢測與控制設備根據工藝要求組合成相對完整的工藝單元，根據工藝流程的要求進行邏輯聯鎖和組態調用，最終滿足多工況、多批次固體廢物處理的要求。

3.3 控制策略實施解析

(1)根據水泥固化線控制要求定制功能模塊，其中程序應包括但不限于如下功能模塊:上電初始化和基本控制組件、Phase 管理和Sequence 管理、過程配方管理、批次全程追蹤、狀態鎖定與記錄、工藝聯鎖、復位與重運行、仿真測試、設備自檢、安全保護與緊急停車、設備手動維護和異常處理。

所有輸入輸出、HMI 操作、相關設備自檢測、報警與處理、設備仿真、工藝聯鎖、流程聯鎖等都在標準設備模型中已經考慮。所有設備都可看作是已經標準化后的工藝單元，該工藝單元有其狀態指示、操控、相關邏輯和聯鎖保護等屬性，只需根據工藝控制盒聯鎖要求對設備對象進行組態，程序即可完成。

(2)基于S88 標準進行功能開發的主要步驟如下。

第一步，構建主要工藝設備單元數組。設備單元的元素，不僅僅是傳統意義上的物理點，還包括很多由程序根據外在條件而判斷或者計算的中間變量。根據設備單元的元素，編寫自身的內部邏輯。

第二步，Phase 的應用。這里所說的Phase，可以理解為組成水泥固化線工藝流程的各個子任務。根據邏輯圖中各個子任務的邏輯，Phase 應用指針、堆棧等方式，按照順序調用各個工藝設備;在執行Phase 的過程中，監視單元設備的狀態，例如運行狀態、停止狀態、故障報警、自動運行狀態等;同時，決定Phase 的輸出狀態，例如正常運行、互鎖、暫停保持、復位、終止等。

第三步，Sequence 的應用。Sequence 在這里可以看成子任務的組合，即水泥固化線各主要工藝流程。有些Sequence 僅由一兩個子任務完成，有些則需要多個子任務的邏輯組合。開發者根據工藝控制要求調用一個Sequence 所需的全部子任務，通過設置各個Phase 的接口狀態和相互之間的邏輯關系，實現工藝流程的自動化順序控制、批量控制。

3.4 程序的模型結構

TES 水泥固化線的控制程序采用3 層程序架構，如圖2 所示。

在這三層架構中，在工藝流程序列層和工藝子任務層建立Phase 結構，而在設備模型層將根據現場執行機構種類進行分類，并建立獨自的內部邏輯。

圖2 控制程序架構圖Fig.2 Architecture of the control program

根據整個工藝過程，將廢樹脂、濃縮液以及廢過濾芯的執行的所有步驟分成11 個獨立的序列。其中，有些序列是單獨屬于某類廢物處理過程的，有些序列是公用的。每個序列序列都有啟動、暫停、解列、復位、急停、閉鎖等幾個輸入命令，也有相應的狀態信息，每個序列都有一定步數。某個序列的運行將會根據步驟和順序依次啟動某個子任務，當其中一個序列運行時，為安全起見，其余的序列將會閉鎖。

整個TES 水泥固化線系統根據所有的執行過程分成52 個子任務，子任務與序列的結構相似，其中少數子任務是單獨屬于某個序列的，大部分子任務是公用的。而在不互鎖的情況下，子任務的運行可以批處理進行。

程序最終實現的工藝設備動作將由設備模型進行，子任務將根據各自的步驟和順序，在不互鎖的情況下批量啟動或者停止部分相關設備。

舉例說明，當進行廢樹脂固化處理時，序列1 第一步就調用子任務1，而子任務1 第一步啟動B 電機，第二步啟動C 電機，…，最后一步關閉B 閥門后，子任務1 結束，并把結束標志給序列1，序列1 進入第二步，調用子任務2。以此類推，序列1 結束后，程序調用序列2，…，當某個序列結束后，就完成了廢樹脂工藝的處理。同理，濃縮液固化處理也有類似的工藝流程。

而當TES 系統發生緊急停止命令時，將會閉鎖所有的序列和子任務，所有的閉鎖狀態都需要再次進行人工確認，在緊急停止信號消除后才能清除。

4 結束語

采用基于ISA-S88 標準技術的控制策略在數字化控制平臺上實現，應用到核電廠水泥固化線國產化項目中，目前已經成功完成某核電現場的調試工作并移交給用戶。測試結果表明，此方案很好地實現了系統的全部工藝流程，自動化程度高、功能完善、人機界面簡潔實用，為日后該生產線的正式投運奠定了良好的基礎。

［1］ ANSI. ISA S 88.01. 批處理控制.第1 部分:模型和術語［S］.1995.

［2］ IEC 61512 -1. Batch control part 1. Models and terminology［S］.1997.