臨時儀控系統(tǒng)在EPR核電機(jī)組調(diào)試中的應(yīng)用

袁小寧,張旭峰,何 超

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

臺山核電廠一期工程包括兩臺中法聯(lián)合設(shè)計、共同建造的基于歐洲第三代壓水堆核電技術(shù)(european pressurized reactor,EPR)的新型反應(yīng)堆，單機(jī)容量為175萬kW。數(shù)字化儀控系統(tǒng)(digital control system,DCS)是核電廠的神經(jīng)中樞。它為核電廠各組成部分、系統(tǒng)及工藝設(shè)備提供各類控制保護(hù)，并監(jiān)測相關(guān)信息，以保證核電廠的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

作為EPR全球首堆，臺山項目設(shè)計變更繁多，DCS工廠階段改造和驗(yàn)證工作量大，設(shè)備鑒定情況不樂觀。這導(dǎo)致DCS發(fā)貨時間嚴(yán)重滯后，無法在核回路沖洗(nuclear circuit cleaning,NCC)這一工程節(jié)點(diǎn)前實(shí)現(xiàn)功能可用，嚴(yán)重制約了調(diào)試工作的按期開展。在此背景下，臺山核電廠1號機(jī)組開發(fā)投用了臨時儀控系統(tǒng)(temporary instrumentation and control system,TICS)，實(shí)現(xiàn)了NCC關(guān)鍵系統(tǒng)的重要參數(shù)監(jiān)視和設(shè)備控制功能，為工程建設(shè)的順利推進(jìn)作出了貢獻(xiàn)。

1 臨時儀控系統(tǒng)簡介

TICS由兩部分組成：上海新華控制集團(tuán)公司生產(chǎn)的可移動工業(yè)控制系統(tǒng)XDC800[1]和自主研發(fā)的硬手操器。XDC800主要包括分布式數(shù)據(jù)采集處理機(jī)柜、人機(jī)接口站和交換機(jī)等硬件設(shè)備。硬手操器是XDC800的后備手操，主要包括控制單元、保護(hù)單元和電氣連接單元。

1.1 數(shù)據(jù)采集處理機(jī)柜

數(shù)據(jù)采集處理機(jī)柜是TICS的信息處理和控制基本單元。柜內(nèi)安裝新華XCU控制器、電源模塊、通信模塊和輸入輸出(input and output,I/O)信號接口模件等。數(shù)據(jù)采集處理機(jī)柜的主要特點(diǎn)如下。

①XCU控制器、電源模塊、通信模塊均采用1∶1冗余，提高了系統(tǒng)的平均無故障時間。

②每臺機(jī)柜均具有4條I/O分支。每條分支裝有7個標(biāo)準(zhǔn)I/O基座，可根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備接口選型靈活配置信號接口模件類型。

③信號接口模件安裝在I/O基座上。其作為控制器與就地設(shè)備的接口，既可以將儀表信號輸入給XCU控制器使用，又可以將控制器產(chǎn)生的信號輸出到就地執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

④每臺機(jī)柜底部安裝了4只可制動的滾輪，可靈活調(diào)整機(jī)柜擺放位置。

數(shù)據(jù)采集處理機(jī)柜設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集處理機(jī)柜設(shè)備布置圖

1.2 人機(jī)接口站

人機(jī)接口(human machine interface,HMI)站是TICS的運(yùn)行和控制中心，具有以下特點(diǎn)。

①所有的HMI站均運(yùn)行可視化圖形組態(tài)軟件，包括HMI軟件包和XCU控制器軟件包。操作員站可通過授權(quán)升級為工程師站，從而實(shí)現(xiàn)工程師站和操作員站互為熱備用的功能(即HMI站配置為多重冗余)。

②操作員站以便攜式筆記本計算機(jī)為硬件載體，可靈活移動。

③歷史服務(wù)器采用工業(yè)級服務(wù)器，可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的長期、可靠存儲。

1.3 交換機(jī)

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)用于人機(jī)接口站、數(shù)據(jù)采集處理機(jī)柜和歷史服務(wù)器等不同站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換。

1.4 硬手操器

硬手操器內(nèi)部為硬接線設(shè)計，可通過電氣盤柜實(shí)體接口控制工藝系統(tǒng)設(shè)備(泵、閥門、電機(jī)等)啟停，還可搭配開關(guān)量傳感器，利用閾值觸發(fā)對設(shè)備進(jìn)行自動保護(hù)。當(dāng)XDC800出現(xiàn)異常時，可通過硬手操器緊急干預(yù)，避免出現(xiàn)設(shè)備損壞的情況。

1.5 TICS的功能

TICS是一個小型的運(yùn)行控制中心，主要功能如下。

①具有標(biāo)準(zhǔn)的操作員站監(jiān)視和控制功能。

②允許系統(tǒng)管理員配置、維護(hù)和運(yùn)行XDC800系統(tǒng)。

③在工程師站搭建控制邏輯組態(tài)和工藝流程畫面。

④對重要設(shè)備提供緊急干預(yù)。

2 滿足NCC的TICS設(shè)計策略

2.1 NCC相關(guān)測點(diǎn)梳理

根據(jù)NCC最小試驗(yàn)范圍，涉及安全注入系統(tǒng)、化學(xué)和容積控制系統(tǒng)、重要廠用水系統(tǒng)在內(nèi)的若干工藝系統(tǒng)，需要監(jiān)視的測點(diǎn)按類型可分為模擬量和開關(guān)量兩部分。開關(guān)量測點(diǎn)主要包括閥門、泵和電機(jī)的啟?？刂疲y門力矩開關(guān)和行程開關(guān)反饋；模擬量測點(diǎn)主要包括壓力(泵出口、泵入口、水箱)、溫度(電機(jī)繞組、電機(jī)軸承、泵軸承)和流量(泵出口管線)。

2.2 I/O模件配置

臨時儀控系統(tǒng)TICS總體I/O規(guī)模約1 200點(diǎn)，包括模擬量智能輸入模件(電流)、模擬量智能輸入模件(熱電阻)、開關(guān)量智能輸入模件(干接點(diǎn))和開關(guān)量智能輸出模件(有源)，按需分布在不同的可移動數(shù)據(jù)采集處理機(jī)柜。

2.2.1 電流輸入模件

電流輸入模件使用雙路冗余24 V DC電源供電，每個模件可接入8路模擬量信號，輸入信號范圍可以是0～20 mA或4～20 mA。

接線方式有兩種：對外供電接線方式和不對外供電接線方式。

2.2.2 熱電阻輸入模件

熱電阻輸入模件使用雙路冗余24 V DC電源供電。每個模件可接入8路模擬量信號，輸入信號為Pt100熱電阻信號。

此模件測量原理為三線制恒流源，當(dāng)現(xiàn)場測量電纜為四線制時，需將熱電阻同一側(cè)的2根線芯并接在1個接入點(diǎn)上。

2.2.3 開關(guān)量輸入模件

開關(guān)量輸入模件是一塊高性能智能型的接口模件。它適用于各種開關(guān)量輸入，由雙路冗余24 V DC電源供電。每個模件可接入16路開關(guān)量信號。

2.2.4 開關(guān)量輸出模件

開關(guān)量輸出模件使用雙路冗余24 V DC電源供電。每個模件可輸出16路有源信號。

2.3 軟件組態(tài)

由于TICS的操作員站具有工程師站功能，因此可以使用預(yù)裝的圖形組態(tài)軟件對NCC相關(guān)測點(diǎn)進(jìn)行組態(tài)，使得I/O模件能夠正常工作。在此過程中，主要配置工作如下。

①進(jìn)行系統(tǒng)初始配置，包括工程路徑、歷史文件存儲路徑和操作員站節(jié)點(diǎn)配置等。

②在點(diǎn)目錄數(shù)據(jù)庫中建立約1 200個測點(diǎn)，定義每個測點(diǎn)的描述信息，包括模擬量的量程和顯示位數(shù)、開關(guān)量0和1等。

③使用預(yù)裝的圖形組態(tài)編程軟件，在不同的控制器工程中為相關(guān)測點(diǎn)分配I/O模件及硬件通道，并對相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行控制功能和自動保護(hù)功能進(jìn)行組態(tài)。

④使用預(yù)裝的HMI軟件包，為NCC相關(guān)工藝系統(tǒng)創(chuàng)建監(jiān)視控制畫面，并與數(shù)據(jù)庫中的測點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)。

⑤在“報警一覽“中，針對重要工藝過程參數(shù)，設(shè)置閾值監(jiān)測和報警功能。

2.4 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

EPR機(jī)組共有4列安全廠房，彼此相互獨(dú)立。由于工藝系統(tǒng)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)分布在不同列，為了減少臨時電纜敷設(shè)長度，將7臺數(shù)據(jù)采集處理機(jī)柜布置在4個分區(qū)，彼此通過光纖通信。TICS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為雙冗余容錯光纖環(huán)網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 TICS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

2.5 臨時端接設(shè)計

TICS作為臨時監(jiān)視控制手段，需盡可能減少臨時電纜敷設(shè)和端接數(shù)量，以便將來與電廠DCS進(jìn)行切換。

TICS的數(shù)據(jù)采集處理機(jī)柜放置在4列安全廠房內(nèi)，臨近DCS機(jī)柜。就地設(shè)備到安全廠房轉(zhuǎn)接柜使用正式電纜，不影響正式電纜的敷設(shè)和端接。轉(zhuǎn)接柜和數(shù)據(jù)采集處理機(jī)柜之間則使用臨時電纜。臨時電纜通過正式電纜托盤，以免影響正式電纜敷設(shè)或?qū)頍o法抽出。硬手操器由于電纜敷設(shè)較少，可靈活放置在電氣盤柜側(cè)或就地設(shè)備側(cè)。

3 TICS的調(diào)試過程

3.1 集成測試

軟件及畫面組態(tài)開發(fā)完成后，為了驗(yàn)證組態(tài)功能的正確性，需開展集成測試[2]。

集成測試策略為：采用虛擬主控技術(shù)和虛擬網(wǎng)卡模擬TICS的一層運(yùn)行環(huán)境，將組態(tài)數(shù)據(jù)下裝到虛擬控制器，通過一層和二層接口信號的模擬觸發(fā)，觀察一層和二層的正確響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對下列項目的驗(yàn)證:項目的過程模塊組態(tài)參數(shù)設(shè)置、一層和二層連接、二層動態(tài)填充、報警顯示和聲音以及自動控制邏輯。

3.2 I/O接口測試

對機(jī)柜進(jìn)行上電操作，將組態(tài)數(shù)據(jù)下裝到真實(shí)XCU控制器，并在臨時測量控制電纜尚未接入TICS的情況下開展I/O接口測試[3]。

對于開關(guān)量輸入信號，使用短接線將待測通道的兩個端子直接短接，模擬現(xiàn)場閾值繼電器觸點(diǎn)動作，并在TICS監(jiān)控畫面上確認(rèn)顯示是否正確。

對于模擬量輸入信號，使用信號發(fā)生器在機(jī)柜側(cè)模擬輸入信號(4～20 mA或電阻信號)，并在TICS監(jiān)控畫面上確認(rèn)顯示誤差在允許范圍內(nèi)。一般選取0%、50%和100%測試點(diǎn)。

對于開關(guān)量輸出信號，使用基于LabVIEW技術(shù)搭建的便攜式移動測試終端[4]模擬泵、閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)，確認(rèn)指令信號和反饋信號均正常動作。

3.3 通道測試

I/O接口測試完成后，將TICS運(yùn)入EPR核島安全廠房并放置在指定位置，進(jìn)行臨時電纜的敷設(shè)和端接。端接完畢后，便可根據(jù)現(xiàn)場條件開展通道測試。

3.3.1 模擬量通道測試方法

①斷開機(jī)柜側(cè)和就地側(cè)接線，進(jìn)行信號電纜絕緣檢查和接地連續(xù)性檢查。

②恢復(fù)機(jī)柜側(cè)接線，使用信號發(fā)生器在就地側(cè)模擬輸入信號(4～20 mA或電阻信號)，讀取TICS監(jiān)控畫面顯示數(shù)值；在系統(tǒng)測試報告上記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與通道驗(yàn)收準(zhǔn)則進(jìn)行比較，確認(rèn)滿足要求。此時，應(yīng)選取0%、25%、50%、75%和100%測試點(diǎn)[5]。

③恢復(fù)所有接線。

3.3.2 干接點(diǎn)開關(guān)量輸入通道測試方法

①斷開機(jī)柜側(cè)接線，用萬用表測量信號電纜對地電壓，確認(rèn)無電壓出現(xiàn)。

②斷開就地側(cè)接線，進(jìn)行信號電纜絕緣檢查和接地連續(xù)性檢查。

③恢復(fù)機(jī)柜側(cè)接線，在就地側(cè)通過物理打壓或短接線短接的方式，模擬現(xiàn)場閾值繼電器觸點(diǎn)動作，確認(rèn)TICS畫面顯示狀態(tài)正確。

④恢復(fù)所有接線。

3.3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)通道測試方法

①斷開電氣盤柜側(cè)動力電纜，用萬用表測量動力電纜對地電壓，確認(rèn)無電壓出現(xiàn)。

②進(jìn)行動力電纜絕緣檢查和接地連續(xù)性檢查。

③斷開機(jī)柜側(cè)接線，用萬用表測量信號電纜對地電壓，確認(rèn)無電壓出現(xiàn)。

④斷開電氣盤柜側(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)側(cè)信號電纜，進(jìn)行信號電纜絕緣檢查和接地連續(xù)性檢查。

⑤恢復(fù)所有接線。

⑥對帶試驗(yàn)位的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如泵、電機(jī)等)，在試驗(yàn)位進(jìn)行傳動試驗(yàn)，檢查指令和反饋回路工作是否正常[6]。

⑦對不帶試驗(yàn)位的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如閥門等)，需要在工作位進(jìn)行傳動試驗(yàn)，檢查指令和反饋回路工作是否正常。試驗(yàn)前，需確認(rèn)試驗(yàn)風(fēng)險[7]。

4 TICS在NCC中的應(yīng)用及恢復(fù)

在NCC試驗(yàn)過程中，工藝系統(tǒng)試驗(yàn)人員通過TICS對重要廠用水泵、設(shè)備冷卻水泵、上充泵、安全注入泵等核安全關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測，以及時發(fā)現(xiàn)NCC試驗(yàn)過程中的各種異常情況。此外，工藝系統(tǒng)試驗(yàn)人員還完成了多臺泵和閥門的多次啟停操作。整個試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)誤報警、誤停運(yùn)或設(shè)備不可操的異常情況，也未發(fā)生設(shè)備損壞事件。

上述實(shí)踐結(jié)果表明，采用TICS實(shí)現(xiàn)重要過程參數(shù)監(jiān)視和關(guān)鍵設(shè)備控制是安全可行的。

當(dāng)證明并宣布DCS可用后，相關(guān)設(shè)備的監(jiān)視和控制操作需及時切換到正式DCS。通常選擇工藝系統(tǒng)消缺窗口。此時，絕大部分就地設(shè)備處于停運(yùn)狀態(tài)，設(shè)備誤動風(fēng)險較小。拆除臨時電纜，端接正式電纜，然后重新開展通道測試，確保相關(guān)測點(diǎn)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以正常監(jiān)視及操作。

5 結(jié)束語

核回路沖洗試驗(yàn)是核電廠調(diào)試過程中首次進(jìn)行的多系統(tǒng)聯(lián)合試驗(yàn)。試驗(yàn)風(fēng)險高、實(shí)施難度較大、數(shù)字化儀控系統(tǒng)功能不可用的等問題，嚴(yán)重制約了工藝系統(tǒng)調(diào)試按期開展。臺山核電廠積極探索，從核回路沖洗試驗(yàn)相關(guān)工藝系統(tǒng)的監(jiān)視和控制需求入手，對臨時儀控系統(tǒng)的輸入輸出接口類型、軟硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、端接方案和功能驗(yàn)證方法進(jìn)行了深入分析，切實(shí)提高了臨時儀控系統(tǒng)抗單一故障能力和抗共模故障能力[8]。

臺山核電廠在DCS不可用的情況下成功實(shí)施了NCC試驗(yàn)，具有積極的社會意義，也為后續(xù)核電廠首次調(diào)試啟動提供了參考。