核電站順序控制技術(shù)設(shè)計(jì)原則與基本要求

黃 勇，何伯陽，郭 偉

（1.中廣核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086；2.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031）

0 引言

順序控制是自動(dòng)控制領(lǐng)域中最基本的應(yīng)用，又是應(yīng)用最廣泛的一個(gè)方面。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步和新型控制器的不斷誕生，順序控制技術(shù)也煥然一新，取代了傳統(tǒng)繼電器邏輯控制電路中大量的時(shí)間繼電器和中間繼電器，簡化控制線路、提高系統(tǒng)可靠性與工業(yè)自動(dòng)化水平。

20年來，隨著中國核電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，從以模擬控制為主的大亞灣核電到全數(shù)字化控制的田灣核電，電站的自動(dòng)化水平越來越高，順序控制技術(shù)在田灣核電站中得到了大量的應(yīng)用。因此，順序控制技術(shù)在核電站必將獲得越來越廣泛的應(yīng)用。本文將對(duì)控制對(duì)象納入順序控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出順序控制技術(shù)設(shè)計(jì)原則與順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求。

1 核電站納入順序控制系統(tǒng)對(duì)象的主要思路

核電站發(fā)電過程順序流程示意圖如圖1所示。根據(jù)核電站設(shè)計(jì)的工作原理和工藝過程，可以將工藝過程分為6個(gè)功能區(qū)，分別為：輔助系統(tǒng)、一回路系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)、汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、最終熱阱系統(tǒng)、廢物處理系統(tǒng)，每個(gè)功能區(qū)下再分功能組，部分功能組下再細(xì)分為功能子組。

圖1 核電站發(fā)電過程順序流程示意圖Fig.1 The sequence flow diagram of power generation process of nuclear power plant

功能分組的目標(biāo)是將同樣的功能放在DCS的同一功能組中進(jìn)行處理，以盡量減少通過網(wǎng)上進(jìn)行交換的數(shù)據(jù)量；合理的分組可降低系統(tǒng)復(fù)雜性，提高系統(tǒng)可靠性。同時(shí)各個(gè)功能組功能滿足獨(dú)立性原則，不同功能組之間的功能相對(duì)獨(dú)立，便于系統(tǒng)的調(diào)試、安裝，以及機(jī)組的啟動(dòng)、停機(jī)和正常的功率輸出。功能分組還用于指導(dǎo)過程控制機(jī)柜的信號(hào)分配和組態(tài)，以及主控室人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。

因此，將核電站納入順序控制系統(tǒng)對(duì)象的思路如下：

1）從可行性的角度分析，如果被控對(duì)象本身不具備順序控制的設(shè)計(jì)要求或沒有設(shè)計(jì)順序控制的功能要求，不納入順序控制考慮。對(duì)于大部分需要進(jìn)行手動(dòng)操作要求的設(shè)備群，也不納入順序控制考慮。

2）從安全角度分析，順序控制不執(zhí)行安全功能，順序控制的功能屬于非安全級(jí)功能。所以，那些工藝上明確已定義為安全級(jí)功能的系統(tǒng)與設(shè)備不適合納入順序控制考慮。

3）功能相對(duì)獨(dú)立，又比較專用的特殊系統(tǒng)（如堆芯儀表系統(tǒng)、電廠控制系統(tǒng)等），考慮到其平臺(tái)的特殊性，不適合納入順序控制考慮。

4）從安全級(jí)與非安全級(jí)功能滿足隔離要求的角度分析，某些控制功能在工藝上明確定義為非安全級(jí)，但又包含安全級(jí)設(shè)備與控制指令混搭的情況，不適合納入順序控制考慮。

5）與通訊相關(guān)的廣播、告警、尋呼、電話等系統(tǒng)，及消防系統(tǒng)不納入順序控制考慮。

6）全廠輔助系統(tǒng)（Balance of Plant，BOP）子項(xiàng)儀控不適合納入順序控制考慮。

7）常規(guī)島汽輪機(jī)的控制、診斷和保護(hù)系統(tǒng)，由廠家集成配套后可納入順序控制考慮。

8）適合采用分布式控制的連續(xù)和順序過程與核島和常規(guī)島的機(jī)組運(yùn)行有一定關(guān)系，且僅用于單臺(tái)機(jī)組的BOP，應(yīng)盡可能納入順序控制系統(tǒng)。

2 順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程及通用設(shè)計(jì)原則

順序控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程分為需求分析、需求定義、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、測試、工程運(yùn)維。順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟如圖2所示。

2.1 需求分析

需求分析階段是對(duì)系統(tǒng)所需求的最終目標(biāo)，及實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的設(shè)備、器件等控制對(duì)象進(jìn)行分析、理解。要實(shí)現(xiàn)這些需求，必須具備關(guān)于控制裝置、控制器件、控制系統(tǒng)的知識(shí)。

需求分析工程中需要把握的原則有：把握系統(tǒng)所需求的最終目標(biāo)；對(duì)設(shè)備、器件等檢測對(duì)象的了解；關(guān)于控制裝置、控制器件等控制系統(tǒng)知識(shí)的整理；設(shè)備器件的運(yùn)行方式及監(jiān)視方式等控制功能的抽出與分析。

2.2 需求定義

需求定義階段是對(duì)需求進(jìn)行分析，把分析結(jié)果作為規(guī)格來定義。在需求分析中，為達(dá)到系統(tǒng)所需求的最終目標(biāo)，要對(duì)控制對(duì)象、控制系統(tǒng)及功能這3個(gè)部分進(jìn)行分析，上述3個(gè)部分并不是各自獨(dú)立的，而是相互關(guān)聯(lián)的。因此，在需求定義中必須確定能滿足控制對(duì)象、控制系統(tǒng)和功能三者之間關(guān)系的規(guī)范，作為確定規(guī)范的各種文件。

需求定義工程中需要把握的原則有：控制功能的確定；控制功能流程的確定。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段需要確定控制裝置及外圍裝置各自的功能及接口，PC的輸入、輸出信號(hào)，程序的結(jié)構(gòu)等。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要把握的原則有：功能區(qū)分及接口的確定；輸入輸出信號(hào)的確定與分配；程序結(jié)構(gòu)的確定。

2.4 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)階段的工作主要是控制器件、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組裝。硬件設(shè)計(jì)包含的原則有：硬件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)與軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一并考慮；硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)選用經(jīng)典電路和常用的控制器件，實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化；在滿足系統(tǒng)功能需求的前提下，硬件系統(tǒng)的設(shè)備配置應(yīng)留有二次開發(fā)的空間；硬件系統(tǒng)各電子元器件應(yīng)盡可能做到性能的相互匹配，使得系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定；硬件系統(tǒng)應(yīng)考慮可靠性及抗干擾能力的設(shè)計(jì)；硬件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能力的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足外接電路正常工作的要求；要選擇標(biāo)準(zhǔn)化以及抗損性好的器件或電路；CPU能滿足系統(tǒng)功能需求，不需要追求太高的性能；CPU應(yīng)選擇成熟、穩(wěn)定、集成度高的產(chǎn)品，簡化系統(tǒng)控制電路，以提高系統(tǒng)的可靠性；CPU選型還應(yīng)具有豐富的應(yīng)用軟件支持。

2.5 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)階段是把在需求定義以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程中所描述的控制功能邏輯具體實(shí)現(xiàn)。把握再利用設(shè)計(jì)；主程序的設(shè)計(jì)；非標(biāo)準(zhǔn)程序的設(shè)計(jì)三原則，可使該軟件具有高效率、無差錯(cuò)，避免人為因素所造成的偏差，使非熟練者達(dá)到熟練者的程度。

2.6 測試

讓設(shè)計(jì)的軟件在PC上動(dòng)作，進(jìn)行單元試驗(yàn)及系統(tǒng)試驗(yàn)，驗(yàn)證軟硬件的兼容性，以及是否能夠滿足用戶的要求。

2.7 工程運(yùn)維

完成單元試驗(yàn)及系統(tǒng)試驗(yàn)的驗(yàn)證之后，現(xiàn)場安裝調(diào)試，進(jìn)行工程運(yùn)用及維護(hù)。

3 核電站順序控制設(shè)計(jì)原則

根據(jù)文獻(xiàn)[5-9]及第2節(jié)核電站納入順序控制的主要思路，提煉出如下11條作為核電站順序控制設(shè)計(jì)的主要原則：

1）如增加操縱員負(fù)荷的單調(diào)或重復(fù)性的任務(wù)，宜采用順序控制。

2）負(fù)荷或工況變化需要操作或異常工況手操來不及時(shí)的任務(wù)，宜采用順序控制。

3）機(jī)組運(yùn)行過程中，控制參數(shù)及設(shè)定值的改變與檢查，宜采用順序控制。

4）繁瑣的、操作順序規(guī)律固定的、不需操縱員判定的設(shè)備組或輔助工藝系統(tǒng)的啟/停順序。

5）在機(jī)組正常運(yùn)行、啟停期間，需要頻繁執(zhí)行或持續(xù)長時(shí)間的任務(wù)、大量參與的系統(tǒng)以及緊急的操作，宜采用順序控制。

6）機(jī)組運(yùn)行因缺少某些功能而導(dǎo)致復(fù)雜動(dòng)作的任務(wù)，宜采用順序控制。

7）機(jī)組運(yùn)行因某些手動(dòng)執(zhí)行的功能而導(dǎo)致操縱員負(fù)荷增加，宜采用順序控制。

8）機(jī)組運(yùn)行時(shí)，需同時(shí)監(jiān)測多個(gè)參數(shù)的操作，宜采用順序控制。

9）在機(jī)組運(yùn)行、啟停期間，某些需要單獨(dú)執(zhí)行的功能，該功能簡便但會(huì)增加操縱員負(fù)荷的任務(wù)，宜采用順序控制。

10）可以提高機(jī)組利用率及減少啟停時(shí)間的任務(wù)，宜采用順序控制。

11）能減少因人工操作錯(cuò)誤而引發(fā)故障和事故的情況，宜采用順序控制。

4 核電站順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本要求

根據(jù)文獻(xiàn)[1，4-10]等，可總結(jié)出在進(jìn)行順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)基本要求有：

1）確定一個(gè)項(xiàng)目能夠采用順序控制，要根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)需求、過程控制設(shè)備所具備的條件來考慮。

2）采用順序控制時(shí)，每個(gè)被控對(duì)象宜在就地或輔助盤上設(shè)單獨(dú)的控制手段。順序控制的啟、停、中斷等指令機(jī)構(gòu)，可根據(jù)該局部系統(tǒng)的重要性，布置在主要控制臺(tái)或輔助盤上；而對(duì)常規(guī)控制開關(guān)或按鈕，屬于重要的處理事故所需的，應(yīng)布置在控制臺(tái)上；其余可根據(jù)盤、臺(tái)布置條件，布置在輔助盤或就地盤上[1]。

3）控制順序及方式由工藝特點(diǎn)及運(yùn)行方式?jīng)Q定。順序控制的操作步驟應(yīng)做到簡單、實(shí)用；工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也應(yīng)盡量簡化；控制程序應(yīng)模塊化、通用性強(qiáng)。另外，順序控制系統(tǒng)的被控對(duì)象需要有良好的可控性。

4）操作人員應(yīng)能在操作盤臺(tái)上操作任何一個(gè)被控對(duì)象。為了防止操作員的誤操作，在手動(dòng)操作的過程中必須設(shè)有許可條件。邏輯中應(yīng)設(shè)計(jì)相關(guān)的聯(lián)鎖保護(hù)，以防設(shè)備在非安全或潛在危險(xiǎn)工況下運(yùn)行。

5）操作盤臺(tái)上的設(shè)計(jì)應(yīng)能顯示順序控制系統(tǒng)各設(shè)備的工作狀態(tài)，還應(yīng)設(shè)有順序控制設(shè)備的故障報(bào)警信號(hào)。設(shè)計(jì)復(fù)雜的順序控制系統(tǒng)時(shí)，必須顯示每一個(gè)操作要求和步驟。

6）順序控制系統(tǒng)中每執(zhí)行一步操作均應(yīng)得到被控對(duì)象反饋信號(hào)的確認(rèn)，并監(jiān)視該動(dòng)作的執(zhí)行時(shí)間。若該動(dòng)作執(zhí)行超出設(shè)定的時(shí)間，則產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，禁止執(zhí)行下一步動(dòng)作。當(dāng)運(yùn)行人員消除故障后，可再次啟動(dòng)順序程序，繼續(xù)執(zhí)行下去。

7）順序控制系統(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)行期間，若被控對(duì)象出現(xiàn)故障或操作員發(fā)出中斷信號(hào)，則應(yīng)中斷正在執(zhí)行的指令，使被控對(duì)象向安全方向動(dòng)作。當(dāng)運(yùn)行人員排除故障并經(jīng)確認(rèn)后，可啟動(dòng)程序并繼續(xù)執(zhí)行下去。

8）順序控制系統(tǒng)的啟停、聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以保護(hù)被控設(shè)備為主，并保證機(jī)組的正常運(yùn)行。

9）優(yōu)先級(jí)排隊(duì)。設(shè)備的操作方式分為3種：手動(dòng)、自動(dòng)、聯(lián)鎖保護(hù)。其中聯(lián)鎖保護(hù)的優(yōu)先級(jí)最高，自動(dòng)操作指令則比手動(dòng)操作指令優(yōu)先。

10）順序控制系統(tǒng)宜以子功能組為主。對(duì)于每一個(gè)子組及其相關(guān)設(shè)備，它們的狀態(tài)、啟動(dòng)許可條件、操作順序和運(yùn)行方式，均應(yīng)在顯示器畫面上顯示[7]。

11）操作指導(dǎo)及提示信息。在進(jìn)行手動(dòng)操作時(shí)，應(yīng)為運(yùn)行人員提供操作指導(dǎo)，指導(dǎo)信息應(yīng)采用圖形的方式顯示，并顯示需要執(zhí)行的步驟，在畫面上用不同顏色表示設(shè)備狀態(tài)的變化。

12）在滿足安全要求的情況下，操作員可通過手動(dòng)控制執(zhí)行下一步指令。

13）互鎖設(shè)計(jì)。為了使某些特定狀態(tài)不同時(shí)發(fā)生，比如被控對(duì)象的啟動(dòng)與停止、開與關(guān)、正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)等，應(yīng)采用互鎖設(shè)計(jì)，被控對(duì)象執(zhí)行的指令應(yīng)向安全方向動(dòng)作。

14）為防止信號(hào)源或回路斷電而產(chǎn)生誤動(dòng)作，用于保護(hù)的繼電器觸點(diǎn)、開關(guān)觸點(diǎn)宜采用動(dòng)合型的。

5 結(jié)束語

本文提出了將控制對(duì)象納入順序控制系統(tǒng)的基本原則，為核電站順序控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。遵循上述原則，最大范圍的采用順序控制技術(shù)，可以提高核電站的自動(dòng)化水平，減少操作員的操作次數(shù)，降低工作強(qiáng)度。同時(shí)，也有助于縮小控制盤和監(jiān)視畫面的占地空間。最重要的是有利于操作員在緊急情況下和運(yùn)行方式多變情況下做出正確的選擇，有利于機(jī)組的安全運(yùn)行。