核電廠特種電磁閥控制器研制創(chuàng)新

李 中,徐瑞陽,王環(huán)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(xué)工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂山 614000;3.北京寶亮網(wǎng)智電子信息技術(shù)有限公司,北京 100193)

1 目的

近年來,隨著我國核電事業(yè)的發(fā)展,國內(nèi)已有一些建設(shè)并投入商業(yè)運行的核電站。在現(xiàn)有的核電站中,前期建設(shè)發(fā)電的核電站采用國外進口的核電技術(shù)和設(shè)備較多。在核電站運行中,設(shè)備的維修、保養(yǎng)及配件更換成為現(xiàn)實的問題。由于在建設(shè)初期大量采用進口的原裝設(shè)備,導(dǎo)致配件緊缺、維護成本極高的現(xiàn)象必然出現(xiàn),這也給維護配件逐步國產(chǎn)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(jiān)測取樣電磁閥控制器裝置,進行了國產(chǎn)化研制開發(fā),并對該裝置進行了功能擴展。在保持原有功能的基礎(chǔ)上,增加了對所控制電磁閥門的誤動作監(jiān)測功能,使得取樣監(jiān)測系統(tǒng)更加準確反映出真實的結(jié)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(zhì)的自動循環(huán)取樣測量控制,確保核電站重要設(shè)備密閉性和人員可居留性監(jiān)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(tǒng)一通信協(xié)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(xiàn)場電磁閥控制器裝置功能參數(shù)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(shù)需求Table 1 The function parameters of the electromagnetic valve controller

3 功能要求

自主國產(chǎn)化的控制器應(yīng)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(yīng)時間不低于原控制器設(shè)備相關(guān)參數(shù)。

控制器設(shè)備面板上較原有的俄供設(shè)備增加設(shè)計電源指示燈,增加12個控制回路的對應(yīng)閥門開、關(guān)、故障工作狀態(tài)指示。

能夠判斷電磁閥在關(guān)閉狀態(tài)下因氣流等擾動因素,導(dǎo)致的閥門瞬態(tài)的半開或非關(guān)狀態(tài),并發(fā)出指示燈和信號報警。

國產(chǎn)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(xiàn)場原有的其他設(shè)備兼容,成套控制裝置的框架結(jié)構(gòu)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(tǒng)控制命令的偵聽讀取和數(shù)據(jù)分析,解析了上層工控機系統(tǒng)在連續(xù)發(fā)出讀取反饋電路的控制信號命令代碼。通過連續(xù)地讀取1至12路電磁閥門工作的返回數(shù)據(jù),上層工控機軟件可以準確判斷其工作狀態(tài)。電磁閥控制器軟件偵聽和解析結(jié)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(shè)計

5.1 電磁閥控制器方案設(shè)計

設(shè)計的控制方案如圖3所示,上層工控機軟件發(fā)出控制命令到接口模塊,計算機接口模塊完成信號命令轉(zhuǎn)換后,在時序模塊控制下,經(jīng)譯碼模塊和譯碼鎖存模塊將閥門控制信號送入驅(qū)動邏輯分配模塊,根據(jù)分配后的邏輯信號,分別控制驅(qū)動模塊12個閥門供電回路的供電,實現(xiàn)電磁閥的打開控制。通過光電隔離、驅(qū)動反饋、數(shù)據(jù)反饋編碼模塊以及接口模塊,電磁閥控制器實現(xiàn)了控制軟件上閥門開關(guān)狀態(tài)的反饋。驅(qū)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(jù)現(xiàn)場功能需求,在驅(qū)動模塊的回路中,研究人員創(chuàng)新設(shè)計了閥門誤打開動作監(jiān)測模塊。

計算機接口模塊采用標準的ND-6050模塊(RS485轉(zhuǎn)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(qū)動邏輯模塊在時序模塊的統(tǒng)一時序脈沖下工作,由驅(qū)動模塊輸出信號驅(qū)動電磁閥門工作。由于電磁閥門驅(qū)動電壓使用直流24 V,在電磁閥反饋信號時,設(shè)計增加了光電隔離電路,將24 V通過光耦轉(zhuǎn)換為12 V邏輯信號。電磁閥動作信號經(jīng)過驅(qū)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(tǒng)接收。

圖3 國產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(shè)計。

5.2 電磁閥控制器控制邏輯設(shè)計

根據(jù)核電站輻射控制區(qū)多個測量點循環(huán)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(shè)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(tài)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(xù)表

5.3 誤動作監(jiān)測模塊設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場放射性氣體取樣電磁閥控制功能需求,設(shè)計電磁閥控制器的誤動作監(jiān)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(qū)動模塊,依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律動生電原理,電磁閥在沒得到系統(tǒng)指令信號的電壓時,如果電磁閥鐵芯受到管道內(nèi)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(chǎn)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(zhuǎn)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(fā)器。觸發(fā)器將輸出高電平,推動報警電路報警或點亮LED發(fā)光管。

圖4 電磁閥誤動作監(jiān)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(fā)器;6—復(fù)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(qū)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(fā)器,確保該觸發(fā)器在閥門正?？刂苿幼鲿r不進行誤動作信號檢測,實現(xiàn)閥門無工作電壓狀態(tài)下的誤動作檢測目的。如果誤動作監(jiān)測模塊出現(xiàn)了閥門誤動作信號輸出,可以通過復(fù)位電路予以確認并消除。

5.4 誤動作監(jiān)測電路邏輯設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)有的電磁閥結(jié)構(gòu)和控制器控制及反饋信號,設(shè)計電磁閥誤動作監(jiān)測模塊的邏輯關(guān)系,如表4所示[2]。

表4 閥門誤動作監(jiān)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(jù)現(xiàn)場設(shè)備級別要求,此次執(zhí)行了抗震鑒定試驗、電磁兼容(EMC)試驗、IP等級試驗、現(xiàn)場運行試驗,結(jié)果全部合格。其中,依據(jù)核電站相關(guān)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(yīng)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(yīng)譜Fig.6 Acceleration response spectrum for SSE test mesa of X direction

圖7 抗震試驗實物圖片F(xiàn)ig.7 Seismic test

因功能需求的特殊性,目前國內(nèi)外市場上沒有與該成果樣機功能完全一致的成熟產(chǎn)品。與俄羅斯原有設(shè)計供貨的電磁閥控制器產(chǎn)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(chǎn)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(xù)表

7 結(jié)論

在田灣核電站現(xiàn)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(tǒng)要求。經(jīng)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(guān)等級要求。該項目目前已經(jīng)獲得國家兩項專利授權(quán),具有獨立的自主知識產(chǎn)權(quán),經(jīng)中國核工業(yè)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(xiàn)了電磁閥控制器的設(shè)備國產(chǎn)化,并創(chuàng)新實現(xiàn)了誤動作監(jiān)視功能,經(jīng)濟效益和社會效益顯著,可以在田灣核電擴建工程和國內(nèi)外其他核電站推廣使用。