仿制設備在秦山核電廠全范圍模擬機上的開發與應用

謝秀娟

【摘 要】本文對秦山核電廠全范圍模擬機的概況與盤裝設備分類、控制信號類型進行了簡述，就目前模擬機盤裝設備出現的問題進行分析匯總，針對盤裝設備存在的問題探索解決途徑，研發仿制設備。并就仿制手操器如何達到預期目標做了詳細方案，對研發過程與結果進行了全面解析，闡明了仿制設備的便利與優點。

【關鍵詞】全范圍模擬機；仿制手操器；控制模塊；光電傳感器

【Abstract】This paper briefly presents the general situation of full-scope simulators for Qinshan Nuclear Power Plant， a classification of panel mounted equipment， and the categories of control signal. In addition， the author focuses on researching and developing a simulated equipment after sufficiently analyzing and summarizing the panel mounted equipment past issues. It also contains a credible plan， which explains how to achieve anticipated goal of the simulated manual-control instrument in detail. After comprehensively analyzing the research process and results， the convenience and advantages of the simulated equipment are demonstrated in the meanwhile.

【Key words】Full-scope simulators；Simulated manual-control instrument；CMOD（control module）；Photoelectric sensor

0 概述

秦山核電廠全范圍模擬機建造于1995年，由珠海亞洲仿真技術有限公司與秦山核電站合作共同研制。作為中國大陸第一臺全范圍核電仿真機，榮獲當年全國十大科技成就獎，建成后一直用于核電站操縱員的培訓和取照考試。模擬機考試是主控室候選操縱員或候選高級操縱員發放核電廠反應堆操縱員或高級操縱員執照的必要條件之一，另外法規還規定已獲得核電站反應堆操縱員執照的主控室操縱員（包括高級操縱員），每年必須經過至少兩周的全范圍培訓模擬機的復訓。

核電廠全范圍模擬機是1：1模擬參考機組控制室環境的設施，包括總體外觀、平面布置、照明特性、通訊連絡設施、辦公設施、各種操作臺盤、控制臺和操作站以及參考機組正常運行操作和故障處理所必需的控制、儀表、報警和其他人機界面。

1 全范圍模擬機盤裝設備簡介

秦山核電廠全范圍模擬機盤裝設備硬件設備主要由儀表、開關、按鈕、指示燈及報警設備構成，整體布置與電廠主控室完全一致，具有與實際設備相同外形和功能。但是模擬機與主控制室信號的來源不同，使得二者的儀表設備也存在差異。

1）盤臺儀表主要分成常規儀表、改裝儀表以及特種儀表；

2）開關從外形上分為轉換開關、鑰匙開關；從功能上分為自保持與自復位兩種；

3）按鈕分為帶燈按鈕與不帶燈按鈕。

4）指示燈外觀各有不同，顏色主要分為紅、綠、白三種，表示設備處于何種狀態。

5）報警設備包括報警光字牌與報警音箱、警鈴。

2 仿制設備研究背景

秦山核電廠模擬機上用的盤裝設備除部分隨模擬機改造更新外，大多從1995年開始使用至今，隨著使用年限的增長，故障率已明顯提高，同時精度、靈敏度等參數與原標準差異大的問題。由于設備老舊、廠家轉型、采購費用高等因素的制約造成有些已經不符合運行要求的設備也只能帶病工作。

目前秦山核電廠全范圍模擬機的盤裝硬件設備現存的主要問題歸納為如下幾點：

1）設備陳舊，價格高

秦山核電廠全范圍模擬機始建于1995年，經過30多年的運行。隨著電子設備科技日新月異的發展，一些老舊落后的設備已被市場逐漸淘汰，原有廠家也已轉型不再生產同類型產品，造成設備采購困難，即使有些廠家為客戶需要保留此產品的流水線也因銷量有限導致價格昂貴，采購成本大幅上升。

2）設備結構復雜，維修不便

為與電廠保持一致性，模擬機盤裝設備與電廠采購的是同型號的產品。實際應用中，電廠主控室的采集信號與模擬機的不同，為保障電廠的安全運行，一個設備須同時有幾路信號接入或者一個信號供幾個設備，而模擬機采用的是一一對應的單個信號，復雜的結構對模擬機而言帶來的只有維修的不便與故障率的增加。

3）進口設備采購周期長

模擬機的盤裝設備很多為進口設備，由電廠統一采購。進口設備不僅價格高且受到各種不確定因素影響，造成設備采購周期長，無明確的到貨時間，增加了采購難度。尤其是價值高無備件的設備，如果出現故障，零配件國內市場沒有通用件可替代，此類設備一般在整個模擬機系統運行中有著不可或缺的重要地位，直接對操縱員培訓帶來嚴重影響。

4）二次改造增加使用成本

模擬機的特殊性使得原廠采購的某些產品由于接口信號與電源等級的不匹配，不能直接適用于模擬機，為適應模擬機的運行要求需對原產品進行改造，為此不僅增加了設備使用成本同時也降低了設備的使用壽命。

3 仿制設備研究目標與方法endprint

為解決以上各項問題，研發仿制設備作為模擬機盤裝設備的替代是便利有效的途徑。手操器為盤裝設備的顯示操作儀表，操縱員在培訓過程中使用頻率高且最為重要的設備之一。其整體構造分為垂直顯示與手動操作兩部分，因使用頻繁導致故障率高，且價格昂貴、采購周期長等因素造成該設備備件短缺。通過對國內電子產品市場與儀表廠家生產技術的調研、分析，認為仿制此設備無論從價值還是技術上均具備高度可行性，并對仿制設備需達到的目標與具體方案進行全面探索。

1）人機界面的一致性

保證模擬機與主控室人機界面一致性是仿制設備的必要條件，利用報廢儀表外殼進行改造保證了手操器在顏色與外型與原表一致，不僅降低生產成本同時避免廢棄物對環境的污染。

2）增強耐用性

手操器的按鈕與操縱撥桿為使用頻率高的易損部件，在仿制時需考慮此類部件的強度加固，并在組裝后進行操作頻度測試，降低此類易損部件的故障。

3）控制部件模塊化

原手操器與主控室完全一致，在設計上考慮更多的是電廠的安全性。線路板上的所有元器件與接線直接相連，如某一元器件故障就會導致整個設備無法使用且維修費用極高。經過維修后的設備使用壽命也無法保障，有些僅使用不常時間就再次出現故障。仿制設備僅在模擬機上使用不涉及電廠安全的因素，因此在設計時就考慮簡便性，采用將線路板模塊化，通過接插件形式與所控制的設備相連，當某一元器件出現故障時僅更換相應的線路板就能解決問題，簡化設備維修過程。

4）關注人因工程

人因工程是以人為核心因素，考慮人、機總體性能的優化，以提高人的工作績效，防止人的失誤。仿制儀表在發光源的亮度上需做重點考慮，比如與環境的亮度對比，對眼睛刺激性程度是否干擾操縱員判斷等因素；儀表的操作手感、精度、指針平滑度等盡量考慮與原表保持一致，實現人、機之間的最佳匹配，使操縱員能有效、安全、健康和舒適的進行模擬機教學培訓，真正做到“以人為本”。

5）創新思路

電子產品的快速更新，為仿制設備的研發提供了多種方式。原手操器的調節采用四位波段開關，當手操撥桿移至波盤四個位置中的某一個位置時此點就導通，作為手動調節的關鍵，因使用頻率高，波盤接觸面磨損快導致此部件故障頻發。若按原設計方式單獨加工此部件不僅價格昂貴且質量也無法保證，經過多次探討與研究，決定考慮以光電傳感器代替四位波段開關。

4 研究過程與結果

手操器分為垂直顯示單元與自動/手動操作單元兩部分。顯示單元由一設定撥盤及設定值指示，一個偏差值指示；一個遠方輸入指示，255PH-ECEP則有一個遠方/本地狀態切換開關，二個LED報警指示燈。自動/手動操作單元由一塊回路輸出表、二個自復按鈕、四個LED燈和一個4位置的手操撥動開關組成。其中回路輸出表用于指示回路輸出，按鈕用于手動/自動切換，紅、綠LED燈用于指示自動、手動狀態，二個黃色LED燈用于報警指示，手操撥段開關用于快增、慢增、慢減、快減操作輸出。

手操器的交換信號分為四類：模擬量輸入AI、模擬量輸出AO、數字量輸入DI、數字量輸出DO。

模擬量輸出信號AO： 0～10VDC電壓信號，用于驅動手操器的垂直顯示與回路輸出指示。

模擬量輸入信號AI： 0～10VDC電壓信號，調節手操器的設定值。

開關量輸出信號DO：集電極開路的OC門輸出信號，OC門輸出為低電位時，表示正邏輯的“0”，若點燈，燈亮；OC門輸出為高電位時，表示正邏輯的“1”，可使燈滅，用于手操器的自動、手動狀態與報警指示。

開關量輸入信號DI：干接點輸入信號，所有開關、按鈕的閉合和斷開，對應于“真（TRUE）”和“假（FALSE）”，用于手動/自動按鈕及波段開關的四位輸出。

a）垂直顯示單元

此部分的研發考慮利用原有的外殼，內部電路和機械結構從以下相對獨立的部分著手，即為：

指示部分的動圈儀表：采用磁電式儀表，為提高儀表的穩定性在儀表內框上繞上Ф0.2X16圈銅絲用于增加動圈的阻尼。

撥盤設定部分：當撥盤從0位到100%位撥動時，有一個0～10VDC的輸出.同時給偏差值指示（紅針）一個相反等值的直流電源.

LED指示燈報警部分：當儀表±15VDC接通后，二個LED燈微亮，表示儀表電源正常，儀表處于正常工作狀態；當儀表LED燈顯示明亮時，表示顯示值高、低位報警。

b）電源部分

電源是保證設備安全穩定運行的核心，采用±15VDC供電。電源部分考慮按原產品電路圖設計，在儀表組裝完成進行測試時，因電源正負極反接造成儀表損壞，此問題現使用儀表也存在。為解決設備安全隱患，對電源部分的設計進行改進，增加反接保護，如若正負極接反，自保護啟動，儀表拒動。

仿制設備電源設計考慮了過壓保護、過流保護和反接保護，本保護為自恢復形式，具體電路原理如下圖所示：

圖1

電路參數為：室溫下直流超過18V開始過壓保護，電流超過0.6A開始保護，電源反接直接保護。

c）手動/自動按鈕，LED指示燈部分

此部分采用接插件方式和主線路板連接，方便更換和調試，解決了因設備一體化帶來的此部件故障后只能整體報廢的弊病。設備測試過程中發現因加工的支撐桿與支撐孔因間隙過大，造成按鈕與指示燈部分容易松脫，需重新加工支撐桿，增大兩端截面積，減小二者的裝配間隙以保證設備安裝的牢固度，具體電路原理圖如下：

d）手動輸出操作部分

采用槽型光電傳感器代替原來的波段開關。光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號，光電傳感器由光源、光學通路和光電元件三部分組成。

槽型光電傳感器把一個光發射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側的是槽形光電。發光器發出紅外光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關便動作。輸出一個開關控制信號，接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離只有幾厘米，無實際接觸，反映靈敏，性能穩定，操作器手感良好。

4 總結

仿制手操器經過前期的市場調研、多次討論，認為完全具備可實施性。從圖紙設計，零部件開模、模塊測試、單機調試，與模擬機聯調成功后正式投入使用共耗時近一年，在此過程中形成的測試記錄與經驗積累為以后模擬機盤裝設備的更新替代與研制開發提供了依據。盤裝設備的仿制不僅能降低生產成本為公司帶來經濟效益同時還有利于提高技術人員的創新能力。

【參考文獻】

[1]EJ/T 1043—2004，核電廠操縱人員的執照考核標準[S].

[2]NB/T 20015-2010，核電廠操縱人員培訓及考試用模擬機[S].

[3]中國核工業集團公司核電培訓教材，CP300全范圍模擬機管理.

[責任編輯：朱麗娜]endprint