核電廠特種電磁閥控制器研制創新

李 中,徐瑞陽,王環宇,吳晨光,付恒昌

(1.江蘇核電有限公司,江蘇 連云港 222042;2.成都理工大學工程技術學院,四川 樂山 614000;3.北京寶亮網智電子信息技術有限公司,北京 100193)

1 目的

近年來,隨著我國核電事業的發展,國內已有一些建設并投入商業運行的核電站。在現有的核電站中,前期建設發電的核電站采用國外進口的核電技術和設備較多。在核電站運行中,設備的維修、保養及配件更換成為現實的問題。由于在建設初期大量采用進口的原裝設備,導致配件緊缺、維護成本極高的現象必然出現,這也給維護配件逐步國產化帶來空間。為此,江蘇核電有限公司對田灣核電站1、2號機組采用的核安全級俄羅斯進口的監測取樣電磁閥控制器裝置,進行了國產化研制開發,并對該裝置進行了功能擴展。在保持原有功能的基礎上,增加了對所控制電磁閥門的誤動作監測功能,使得取樣監測系統更加準確反映出真實的結果,提高了工作效率。

2 需求分析

電磁閥控制器主要功能是完成核電站放射性氣、液介質的自動循環取樣測量控制,確保核電站重要設備密閉性和人員可居留性監測,為核電站核與輻射安全提供一道屏障。閥門控制器在儀控測量中的功能作用如圖1所示。該電磁閥門的控制器按統一通信協議傳輸信號對閥門的通斷進行控制,并需要對正常的通斷和異常誤動作情況進行指示燈指示和報警。現場電磁閥控制器裝置功能參數需求如表1所示。

圖1 電磁閥控制器的控制功能Fig.1 The control function of the electromagnetic valve controller

表1 電磁閥控制器功能參數需求Table 1 The function parameters of the electromagnetic valve controller

3 功能要求

自主國產化的控制器應該能夠和原有俄羅斯供貨的控制通訊軟件完美銜接,控制功能和響應時間不低于原控制器設備相關參數。

控制器設備面板上較原有的俄供設備增加設計電源指示燈,增加12個控制回路的對應閥門開、關、故障工作狀態指示。

能夠判斷電磁閥在關閉狀態下因氣流等擾動因素,導致的閥門瞬態的半開或非關狀態,并發出指示燈和信號報警。

國產化的控制器閥門連接端口、上層計算機通信控制端口、電源口、安裝位置尺寸等都必須與現場原有的其他設備兼容,成套控制裝置的框架結構如圖2所示。

圖2 電磁閥控制器的上下層接口Fig.2 The lower and upper interface on the electromagnetic valve controller

4 軟件分析

通過對系統控制命令的偵聽讀取和數據分析,解析了上層工控機系統在連續發出讀取反饋電路的控制信號命令代碼。通過連續地讀取1至12路電磁閥門工作的返回數據,上層工控機軟件可以準確判斷其工作狀態。電磁閥控制器軟件偵聽和解析結果如表2所示。

表2 電磁閥控制器軟件偵聽和解析Table 2 Listening to and parsing of the electromagnetic valve controller software

5 功能設計

5.1 電磁閥控制器方案設計

設計的控制方案如圖3所示,上層工控機軟件發出控制命令到接口模塊,計算機接口模塊完成信號命令轉換后,在時序模塊控制下,經譯碼模塊和譯碼鎖存模塊將閥門控制信號送入驅動邏輯分配模塊,根據分配后的邏輯信號,分別控制驅動模塊12個閥門供電回路的供電,實現電磁閥的打開控制。通過光電隔離、驅動反饋、數據反饋編碼模塊以及接口模塊,電磁閥控制器實現了控制軟件上閥門開關狀態的反饋。驅動模塊直接與電磁閥門電氣連接,閥門獲得工作電壓,即可判斷為閥門打開。根據現場功能需求,在驅動模塊的回路中,研究人員創新設計了閥門誤打開動作監測模塊。

計算機接口模塊采用標準的ND-6050模塊(RS485轉DI/DO),該模塊為RS485、8路DO、7路DI接口。在電磁閥控制器中,電路器件采用4000系列 (軍品級)的CMOS器件,主供電電壓采用直流12 V。譯碼模塊、譯碼鎖存模塊、驅動邏輯模塊在時序模塊的統一時序脈沖下工作,由驅動模塊輸出信號驅動電磁閥門工作。由于電磁閥門驅動電壓使用直流24 V,在電磁閥反饋信號時,設計增加了光電隔離電路,將24 V通過光耦轉換為12 V邏輯信號。電磁閥動作信號經過驅動反饋模塊,送到計算機接口模塊的DI端,供上層工控機系統接收。

圖3 國產化的閥門控制器功能框圖Fig.3 Localization of the valve controller function block diagram

在物理結構上,電磁閥控制器的箱體進行了抗地震、防靜電、防浪涌、防電磁輻射、防水、防塵等多方面的設計。

5.2 電磁閥控制器控制邏輯設計

根據核電站輻射控制區多個測量點循環取樣測量的邏輯控制需求和上層工控機控制軟件的控制功能,設計了完整的電磁閥控制器控制和反饋信號真值表[1],如表3所示。其中S0、S1的邏輯值代表了閥門狀態反饋信號的編碼器使能端。

表3 電磁閥控制器控制和反饋信號真值表[1]Table 3 Truth table of control and feedback signals for the solenoid valve control device

續表

5.3 誤動作監測模塊設計

根據現場放射性氣體取樣電磁閥控制功能需求,設計電磁閥控制器的誤動作監測電路,基本框架如圖4所示。閥門電感線圈回路同時是誤動作控制電路中的驅動模塊,依據法拉第電磁感應定律動生電原理,電磁閥在沒得到系統指令信號的電壓時,如果電磁閥鐵芯受到管道內流體瞬間推動,鐵芯將在電感線圈中抖動,電感線圈回路就會產生感生電動勢,回路檢測電路將檢測出電流值。該電流值被轉換為電壓信號后,與閥門誤動作參考電壓進行比較和反相處理,處理后的信號送入邏輯觸發器。觸發器將輸出高電平,推動報警電路報警或點亮LED發光管。

圖4 電磁閥誤動作監測電路流程圖Fig.4 The misoperation monitoring circuit of the electromagnetic valve1—閥門電感線圈回路;2—回路電流檢測;3—電壓比較器;4—反相器;5—觸發器;6—復位電路;7—誤動作信號輸出;8—分壓器;9—反相器;10—閥門誤動作參考電壓

電磁閥門正常工作的驅動電壓,通過誤動作檢測電路中的分壓器和反相器,形成信號電壓。該信號電壓被送入誤動作邏輯觸發器,確保該觸發器在閥門正常控制動作時不進行誤動作信號檢測,實現閥門無工作電壓狀態下的誤動作檢測目的。如果誤動作監測模塊出現了閥門誤動作信號輸出,可以通過復位電路予以確認并消除。

5.4 誤動作監測電路邏輯設計

根據現有的電磁閥結構和控制器控制及反饋信號,設計電磁閥誤動作監測模塊的邏輯關系,如表4所示[2]。

表4 閥門誤動作監測模塊運算邏輯表[2]Table 4 Operational logic of the valve misoperation monitoring module

6 試驗和比較

自主研制的電磁閥控制器樣機根據現場設備級別要求,此次執行了抗震鑒定試驗、電磁兼容(EMC)試驗、IP等級試驗、現場運行試驗,結果全部合格。其中,依據核電站相關建筑物標高地震譜進行了抗地震檢測試驗,加速度時程、反應譜和實物圖如圖5～圖7所示。

圖5 SSE試驗X向臺面加速度時程Fig.5 Acceleration time history for SSE test mesa of X direction

圖6 SSE試驗X向臺面加速度反應譜Fig.6 Acceleration response spectrum for SSE test mesa of X direction

圖7 抗震試驗實物圖片Fig.7 Seismic test

因功能需求的特殊性,目前國內外市場上沒有與該成果樣機功能完全一致的成熟產品。與俄羅斯原有設計供貨的電磁閥控制器產品各方面性能進行比較,具備如表5所示的顯著特點。

表5 國產化研制的控制器與俄供控制器的性能對比Table 5 Performance contrast between localized controllers with Russia supplied controllers

續表

7 結論

在田灣核電站現場,通過在線運行測試,自主研制的電磁閥控制器完全滿足系統要求。經運行驗證、抗震試驗、EMC試驗、IP等級試驗,自主研制的電磁閥控制器全部符合核電站相關等級要求。該項目目前已經獲得國家兩項專利授權,具有獨立的自主知識產權,經中國核工業集團公司成果鑒定 (鑒定證書編號:中核科鑒字〔2017〕第156號),到達國際先進水平。

該項目的順利完成,實現了電磁閥控制器的設備國產化,并創新實現了誤動作監視功能,經濟效益和社會效益顯著,可以在田灣核電擴建工程和國內外其他核電站推廣使用。