基于FirmSys平臺(tái)的核電廠成組控制研究及應(yīng)用

孫月亮，左 新，孫洪濤，白 瑋，王志嘉

(北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094)

0 引言

華龍一號(hào)(HPR1000)示范機(jī)組——防城港(FCG)核電二期工程采用了我國(guó)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代百萬(wàn)千瓦級(jí)核電技術(shù)。相比中廣核壓水堆(CPR1000)——防城港一期工程，其現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)量大為增加。為提高設(shè)備操作的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)方案之一就是對(duì)成組控制的應(yīng)用。

基于國(guó)產(chǎn)化核級(jí)儀控平臺(tái)(FirmSys)，防城港3號(hào)機(jī)組(簡(jiǎn)稱unit3)設(shè)計(jì)了設(shè)備的成組操作方案，不僅注重功能的充分實(shí)現(xiàn)，而且兼顧了執(zhí)行效率和操作負(fù)擔(dān)的優(yōu)化。

1 防城港設(shè)備控制

1.1 設(shè)備操作功能統(tǒng)計(jì)

在防城港二期工程單個(gè)機(jī)組中，基于核級(jí)儀控DCS控制的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備多達(dá)近千個(gè)，約為防城港一期工程的3倍。

其中，需要啟動(dòng)、停止操作和手自動(dòng)模式切換的設(shè)備數(shù)量遠(yuǎn)大于一期工程，并且現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備增加了單列內(nèi)或跨列冗余配置。

基于核級(jí)儀控DCS，防城港一、二期工程單個(gè)機(jī)組控制設(shè)備情況設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 防城港一、二期工程單個(gè)機(jī)組控制設(shè)備情況統(tǒng)計(jì)表(基于核級(jí)儀控DCS)

注：表1中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均基于本文發(fā)稿前的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

1.2 設(shè)備響應(yīng)時(shí)間分析

防城港一期工程中，由于設(shè)備數(shù)量較少，設(shè)備控制采取的方式為單個(gè)設(shè)備控制模式[1]，其設(shè)備控制原理如圖1所示。

防城港二期工程的所有設(shè)備均采取同樣的控制方式。經(jīng)分析計(jì)算：從操作員發(fā)出控制指令到DCS完成該控制指令輸出，時(shí)間最長(zhǎng)約為690 ms[2]。

圖1 防城港一期工程單個(gè)設(shè)備控制原理圖

對(duì)于需要同時(shí)投運(yùn)或切換手、自動(dòng)的設(shè)備組，如采用單個(gè)設(shè)備控制方式，執(zhí)行完一組設(shè)備操作后，理論上至少需使用(690n)ms。這大大增加了操作員操作的負(fù)擔(dān)，并延長(zhǎng)了設(shè)備組的響應(yīng)時(shí)間。

針對(duì)這種設(shè)備同時(shí)動(dòng)作的情況，如考慮實(shí)施聯(lián)鎖設(shè)備控制方案。

防城港一期工程聯(lián)鎖設(shè)備控制原理如圖2所示[3]。

圖2 防城港一期工程聯(lián)鎖設(shè)備控制原理圖

該方法雖然節(jié)省了操作步驟，但系統(tǒng)間的信號(hào)傳遞增加了設(shè)備組的響應(yīng)時(shí)間。部分設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間遵循聯(lián)鎖動(dòng)作的設(shè)備響應(yīng)時(shí)間。

所有設(shè)備動(dòng)作的響應(yīng)時(shí)間為(690n1+960n2)ms，n1+n2=n。參考單個(gè)設(shè)備控制的模式以及借鑒聯(lián)鎖動(dòng)作的原理，同時(shí)考慮降低響應(yīng)時(shí)間和減少操作員的操作負(fù)擔(dān)，提出從人機(jī)界面(human-machine interface,HMI)至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制的設(shè)備成組模式[4]。防城港一期工程設(shè)備成組控制原理如圖3所示。根據(jù)設(shè)備響應(yīng)時(shí)間理論分析可知，所有設(shè)備并行響應(yīng)操作員的指令，DCS輸出控制指令的時(shí)間等于單個(gè)設(shè)備控制命令的輸出時(shí)間，同時(shí)又減少了操作員的操作數(shù)量。

圖3 防城港一期工程設(shè)備成組控制原理圖

2 防城港成組控制方案

本文針對(duì)防城港3號(hào)機(jī)組的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制模式、成組指令控制、冗余執(zhí)行機(jī)構(gòu)的成組配置功能，進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 成組模式控制

現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常設(shè)置手動(dòng)控制、自動(dòng)控制模式。相對(duì)于單個(gè)設(shè)備控制模式，成組控制更能提高設(shè)備控制效率。成組模式控制則是用于對(duì)成組執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行模式管理，接收來(lái)自操作員的成組控制模式選擇的手動(dòng)指令，同時(shí)可根據(jù)邏輯處理觸發(fā)模式轉(zhuǎn)換[5]。防城港3號(hào)機(jī)組成組模式控制功能原理如圖4所示。

圖4 防城港3號(hào)機(jī)組成組模式控制功能原理圖

單個(gè)設(shè)備、手、自動(dòng)運(yùn)行模式的觸發(fā)均可以通過(guò)DCS邏輯強(qiáng)制、人機(jī)界面操作兩種方式生效。

在成組模式控制功能中，強(qiáng)制單個(gè)設(shè)備運(yùn)行模式命令閉鎖強(qiáng)制手、自動(dòng)成組運(yùn)行模式命令，具有最高優(yōu)先級(jí)[6]。強(qiáng)制手動(dòng)成組運(yùn)行模式命令閉鎖強(qiáng)制自動(dòng)成組運(yùn)行模式命令，優(yōu)先級(jí)高于強(qiáng)制自動(dòng)成組模式命令。

成組模式控制的強(qiáng)制命令優(yōu)先級(jí)高于手動(dòng)命令。當(dāng)存在強(qiáng)制命令時(shí)，手動(dòng)模式選擇命令將被閉鎖。對(duì)于手動(dòng)指令之間無(wú)優(yōu)先級(jí)，根據(jù)當(dāng)前選擇命令執(zhí)行。

當(dāng)設(shè)備存在強(qiáng)制或手動(dòng)選擇模式命令時(shí)，將對(duì)應(yīng)輸出已選的運(yùn)行模式命令，同時(shí)復(fù)位原運(yùn)行模式狀態(tài)。三種運(yùn)行模式的選擇結(jié)果互相閉鎖。

2.2 成組指令控制

在核電廠中，設(shè)備的啟、停操作是指令操作的重要部分。成組指令控制就是用于成組模式下一系列設(shè)備的成組指令選擇，并可以結(jié)合成組配置向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送控制指令。 防城港3號(hào)機(jī)組成組指令控制功能原理如圖5所示。

圖5 防城港3號(hào)機(jī)組成組指令控制功能原理圖

考慮到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行功能，以及不同工藝或設(shè)備之間的聯(lián)鎖關(guān)系[7]，成組指令控制除了接收來(lái)自操作員的手動(dòng)成組控制指令以外，還要接收來(lái)自設(shè)備聯(lián)鎖關(guān)系的自動(dòng)成組控制指令。

優(yōu)先自動(dòng)命令會(huì)閉鎖所有手動(dòng)操作命令，優(yōu)先自動(dòng)啟(停)命令閉鎖非優(yōu)先自動(dòng)停(啟)命令，優(yōu)先自動(dòng)停命令的優(yōu)先級(jí)高于優(yōu)先自動(dòng)啟命令。非優(yōu)先自動(dòng)停命令需在自動(dòng)模式下生效，并閉鎖對(duì)應(yīng)非優(yōu)先自動(dòng)啟命令。

優(yōu)先自動(dòng)命令、非優(yōu)先自動(dòng)命令獨(dú)立于成組閉鎖信號(hào)，受成組不可用信號(hào)閉鎖。

手動(dòng)操作命令在手動(dòng)模式下，同時(shí)受優(yōu)先自動(dòng)啟停命令、成組閉鎖信號(hào)和成組不可用信號(hào)閉鎖。

優(yōu)先自動(dòng)命令獨(dú)立于手自動(dòng)模式。當(dāng)處于自動(dòng)成組模式時(shí)，非優(yōu)先自動(dòng)命令輸出；當(dāng)處于手動(dòng)成組模式時(shí)，手動(dòng)操作命令輸出。

控制指令在產(chǎn)生相反的控制指令或單個(gè)設(shè)備運(yùn)行模式時(shí)將復(fù)位輸出。

2.3 成組配置控制

防城港3號(hào)機(jī)組成組配置控制功能原理如圖6所示。

圖6 防城港3號(hào)機(jī)組成組配置控制功能原理圖

防城港3號(hào)機(jī)組中對(duì)于冗余配置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要根據(jù)工況運(yùn)行選擇不同的運(yùn)行配置。此時(shí)，可以通過(guò)成組配置控制功能來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余配置的投運(yùn)和切換管理。

成組配置控制可以接收來(lái)自操作員的手動(dòng)配置指令或自動(dòng)指令，通過(guò)邏輯處理成組設(shè)備配置狀態(tài)、指令和相關(guān)的故障信息，然后發(fā)出成組設(shè)備控制指令。

當(dāng)其他運(yùn)行列配置故障且需切換本列設(shè)備時(shí)，觸發(fā)自動(dòng)運(yùn)行配置選擇命令。該命令選擇本列設(shè)備運(yùn)行配置模式，獨(dú)立于閉鎖信號(hào)，受成組運(yùn)行配置不可用信號(hào)閉鎖。

手動(dòng)運(yùn)行配置選擇命令受限于閉鎖信號(hào)和不可用信號(hào)。當(dāng)閉鎖信號(hào)或不可用信號(hào)存在時(shí)，手動(dòng)運(yùn)行配置選擇命令無(wú)效。

當(dāng)備用設(shè)備配置已恢復(fù)配置運(yùn)行或本列配置信號(hào)不可用信號(hào)時(shí)，本列設(shè)備運(yùn)行配置恢復(fù)復(fù)位。

當(dāng)本列設(shè)備已配置為正常運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)存在已選配置的成組啟動(dòng)命令時(shí)，將產(chǎn)生正常運(yùn)行列啟動(dòng)命令。本列正常運(yùn)行配置狀態(tài)消失或反向指令可將其復(fù)位。

本列成組配置發(fā)出運(yùn)行命令，經(jīng)過(guò)設(shè)置時(shí)間，仍未接收到相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)反饋，則將產(chǎn)生成組配置運(yùn)行超時(shí)信號(hào)。當(dāng)成組配置運(yùn)行指令仍存在時(shí)，其對(duì)應(yīng)的運(yùn)行反饋信號(hào)消失，則產(chǎn)生狀態(tài)偏差信號(hào)。當(dāng)運(yùn)行指令消失或?qū)?yīng)反饋信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，偏差信號(hào)消失；通過(guò)手動(dòng)復(fù)位進(jìn)行確認(rèn)。

3 成組控制的HMI設(shè)計(jì)

3.1 成組模式控制

防城港3號(hào)機(jī)組的成組模式控制基于自主研發(fā)的FirmSys平臺(tái)，可以靈活地根據(jù)成組模式的需求，設(shè)置單個(gè)設(shè)備、手動(dòng)、自動(dòng)中的任意二者或三者的模式選擇。人機(jī)界面可以清晰地顯示模式操作按鈕和狀態(tài)顯示，同時(shí)向操作員提供邏輯觸發(fā)的模式命令狀態(tài)。防城港3號(hào)機(jī)組成組模式控制的人機(jī)界面如圖7所示。輔助操作員可根據(jù)該界面內(nèi)容進(jìn)行狀態(tài)判斷和操作[8-9]。

圖7 防城港3號(hào)機(jī)組成組模式控制的人機(jī)界面示意圖

3.2 成組控制指令

基于FirmSys平臺(tái)，防城港3號(hào)機(jī)組實(shí)現(xiàn)不僅實(shí)現(xiàn)了成組啟動(dòng)、停止指令顯示，并且增加了成組啟動(dòng)、停止反饋狀態(tài)以及成組可用等信息的顯示。考慮到成組指令控制與成組模式的密切關(guān)系，兩種成組控制也可根據(jù)需要進(jìn)行組合使用。

防城港3號(hào)機(jī)組成組指令控制的人機(jī)界面如圖8所示。

圖8 防城港3號(hào)機(jī)組成組指令控制的人機(jī)界面示意圖

3.3 成組配置控制

防城港3號(hào)機(jī)組參考臺(tái)山EPR機(jī)組成組配置的功能，對(duì)成組配置的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了整合和優(yōu)化。基于FirmSys平臺(tái)人機(jī)操作界面，最多可以實(shí)現(xiàn)四種運(yùn)行配置的設(shè)定。防城港3號(hào)機(jī)組成組指令控制的人機(jī)界面如圖9所示。當(dāng)每種配置條件不允許時(shí)，其操作按鈕處于閉鎖不可用狀態(tài)[10]，如圖9中的“D配置運(yùn)行”。界面中可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前運(yùn)行作用的配置方案，對(duì)所有配置方案的偏差設(shè)置統(tǒng)一的復(fù)位按鈕，以此來(lái)復(fù)位故障報(bào)警。

圖9 防城港3號(hào)機(jī)組成組指令控制的人機(jī)界面示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

防城港二期工程單個(gè)機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備近千個(gè)，完全依靠手動(dòng)或自動(dòng)的單個(gè)設(shè)備控制，不利于設(shè)備的定位，甚至?xí)斐刹僮黜憫?yīng)動(dòng)作滯后。成組控制功能的應(yīng)用不僅提高了操作效率保證了設(shè)備及時(shí)響應(yīng)，而且降低了操作員的操作負(fù)擔(dān)。本文針對(duì)成組控制中典型的成組模式、成組指令和成組配置功能進(jìn)行了初步分析，提出基于FirmSys平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方案。由于首次應(yīng)用成組控制方案，仍有不足之處需經(jīng)過(guò)后續(xù)的測(cè)試和調(diào)試?yán)^續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。該研究可為其他核電廠的成組控制提供借鑒。