核電廠SLC兩系CPU信號不一致問題技術(shù)研究

符 江，練 鍇，劉勝智，潘偉偉

(蘇州熱工研究院有限公司系統(tǒng)工程中心，廣東 深圳 518003)

0 引言

自2015年以來，當(dāng)重要廠用水系統(tǒng)處于泵切換或泵停運(yùn)瞬態(tài)，以及循環(huán)水過濾系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)沖洗水泵切換或沖洗水泵狀態(tài)發(fā)生變化時，紅沿河/寧德/陽江/防城港電廠沖洗水管路多次出現(xiàn)短時的壓力波動現(xiàn)象。

這種短時的壓力波動通常小于100 ms。安全邏輯處理機(jī)柜內(nèi)的兩系CPU信號采集與運(yùn)算周期同為固定的100 ms，但兩系CPU的運(yùn)行是獨(dú)立且不同步的，極易導(dǎo)致兩系CPU中的一系采集到該短時波動信號，而另一系沒有采集到該信號。

根據(jù)安全邏輯處理機(jī)組的自診斷機(jī)制，當(dāng)兩系CPU內(nèi)部組態(tài)不一致時間持續(xù)超過40 s，會自動觸發(fā)機(jī)柜兩系不一致故障報警以及頻繁非預(yù)期啟動水生物捕集器反沖洗電機(jī)和旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)沖洗水泵。

上述問題在紅沿河/寧德/陽江/防城港電廠是共性問題，亟需得到解決。

1 運(yùn)行狀態(tài)分析

目前,中廣核下屬紅沿河/寧德/陽江/防城港核電廠在運(yùn)機(jī)組(除陽江5、6號機(jī)組)安全級控制系統(tǒng)均采用三菱安全級集散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)。該控制系統(tǒng)中的時序邏輯控制(sequential logic control，SLC)機(jī)柜均設(shè)置了兩系CPU對信號進(jìn)行采集，容錯時間為40 s。兩系CPU獨(dú)立且不同步運(yùn)行，均能對采集的現(xiàn)場信號執(zhí)行邏輯功能。

重要廠用水系統(tǒng)均在熱交換器的上游安裝了一臺水生物捕集器，用來過濾水生物。SEC031SP(SEC-重要廠用水系統(tǒng)，SP-壓力開關(guān))監(jiān)測A列SEC001FI(FI-水生物捕集器)出入端差壓值。SEC032SP監(jiān)測SEC002FI出入端差壓值。

循環(huán)水過濾系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)均設(shè)有反沖洗系統(tǒng)，CFI611/614SP(CFI-循壞水系統(tǒng))監(jiān)測CFI031TF(TF-旋轉(zhuǎn)鼓網(wǎng))沖洗水母管壓力值，循環(huán)水過濾系統(tǒng)612/613SP監(jiān)測032TF沖洗水母管壓力值。

反沖洗電機(jī)非預(yù)期啟動示意圖如圖1所示。按照邏輯功能要求，反沖洗電機(jī)應(yīng)是每隔2 h執(zhí)行一次反沖洗工作[1]。但是由于執(zhí)行泵切換操作導(dǎo)致水生物捕集器出入端壓差異常升高，導(dǎo)致啟動反沖洗電機(jī)次數(shù)頻繁。

圖1 反沖洗電機(jī)非預(yù)期啟動示意圖

當(dāng)循環(huán)水過濾系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鼓網(wǎng)沖洗水泵切換或沖洗水泵狀態(tài)發(fā)生變化時，沖洗水管路會出現(xiàn)短時的壓力波動，也會直接導(dǎo)致沖洗水泵異常啟動。

2 CPU信號采集不一致報警根本原因分析

2.1 三菱安全級DCS中SLC機(jī)柜CPU信號處理機(jī)制

機(jī)柜內(nèi)CPU采取的并行冗余配置，冗余配置的CPU獨(dú)立且不同步運(yùn)行。如果信號狀態(tài)發(fā)生變化，在非常短的時間內(nèi)從1到0或者從0到1(0-低電平信號、1-高電平信號)，少于CPU掃描周期100 ms，即使這樣的信號只被一個CPU采集，同樣會執(zhí)行邏輯動作，設(shè)置兩系CPU信號采集不一致的自診斷機(jī)制目的如下。

①針對硬件故障進(jìn)行自診斷；

②對時鐘頻率的偏差進(jìn)行自診斷；

③對自身軟件的缺陷進(jìn)行自診斷；

④對兩系CPU不一致狀態(tài)進(jìn)行自診斷。

并行冗余CPU的本意是為了提高信號邏輯執(zhí)行的可靠性，而自診斷機(jī)制則是幫助并行冗余的CPU克服上述問題。但自診斷機(jī)械在較好地保證可靠性的前提下也帶來了新的設(shè)備異常啟動問題。

以邏輯中存在ON DELAY延時模塊為例，并行CPU信號處理簡圖如圖2所示。

圖2 并行CPU信號處理簡圖

當(dāng)來自現(xiàn)場小于10 ms的OFF信號被一系CPU讀取到，而另一系CPU沒有讀取到，延時時間結(jié)束后不一致狀態(tài)會被自動清除，但是超過40 s的部分會報警提醒運(yùn)行人員。

2.2 原因分析

根據(jù)并行冗余CPU信號處理及自診斷機(jī)制，對重要廠用水系統(tǒng)經(jīng)歷泵切換或泵停運(yùn)瞬態(tài)時出現(xiàn)小于100 ms的短時壓力波動信號導(dǎo)致反沖洗電機(jī)非預(yù)期啟動并產(chǎn)生SLC機(jī)柜兩系CPU信號不一致報警的原因進(jìn)行分析計算。變化前SEC031SP信號狀態(tài)傳輸簡圖如圖3所示。以A列SEC031SP的信號邏輯為例，對SEC031SP信號狀態(tài)因系統(tǒng)壓力波動發(fā)生變化的過程進(jìn)行分析。

圖3 變化前SEC031SP信號狀態(tài)傳輸簡圖

變化前SEC031SP沒有高壓差信號產(chǎn)生，低電平信號經(jīng)過以下路徑后保持水生物捕集器的反沖洗電機(jī)和排污閥關(guān)閉。

①低電平信號a經(jīng)1 s OFF DELAY延時模塊c仍保持低電平狀態(tài)，信號路徑為a→b→c。

②低電平信號a一分為二，經(jīng)1 s OFF DELAY延時模塊c后的一路信號經(jīng)100 s OFF DELAY延時模塊d回到與門模塊b前取反置“1”形成高電平信號，為采集SEC031SP發(fā)出的高電平信號提供條件。信號路徑為a→b→c→d→b。

③低電平信號a一分為二，經(jīng)1 s OFF DELAY延時模塊c后的另一路信號經(jīng)或門模塊h去往與門模塊e前取反置“1”形成高電平信號。此高電平信號經(jīng)60 s ON DELAY 延時模塊f后繼續(xù)輸出高電平信號，此高電平信號經(jīng)與門模塊j取反后形成低電平信號保持水生物捕集器反沖洗電機(jī)011MO(MO-反沖洗電機(jī))關(guān)閉，低電平信號經(jīng)取反模塊k取反形成高電平信號后保持排污閥021 VE(VE-閥門)關(guān)閉，信號路徑為a→b→c→h→e→f→j→k。

變化后SEC031SP信號狀態(tài)傳輸簡圖如圖4所示。變化后SEC031SP有高壓差信號產(chǎn)生，高電平信號經(jīng)過以下路徑后啟動水生物捕集器的反沖洗電機(jī)和排污閥打開，分析如下。

①高電平信號a經(jīng)1 s OFF DELAY延時模塊c繼續(xù)輸出高電平信號并保持1 s，信號路徑為a→b→c。

②高電平信號a一分為二，經(jīng)1 s OFF DELAY延時模塊c后的一路信號經(jīng)100 s OFF DELAY延時模塊d回到與門模塊b前取反置“0”形成低電平信號并輸出101s，相當(dāng)于保護(hù)電路鎖定了來自現(xiàn)場的信號，信號路徑為a→b→c→d→b。

圖4 變化后SEC031SP信號狀態(tài)傳輸簡圖

③高電平信號a一分為二，經(jīng)1 s OFF DELAY延時模塊c后的另一路信號經(jīng)或門模塊h去往與門模塊。e前取反置“0”形成低電平信號經(jīng)60s ON DELAY 延時模塊f繼續(xù)輸出低電平信號。此低電平信號經(jīng)與門模塊j前取反置“1”后形成高電平信號啟動水生物捕集器反沖洗電機(jī)011MO打開。此高電平信號經(jīng)取反模塊k取反置“0”形成低電平信號后打開排污閥021VE，信號路徑為a→b→c→h→e→f→j→k。

閃發(fā)信號失去后SEC031SP信號狀態(tài)傳輸簡圖如圖5所示。SEC031SP壓力信號由1→0后，由于60 s ON DELAY延時模塊f的工作機(jī)制，當(dāng)與門模塊e輸出低電平信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖叫盘柡?，仍需持續(xù)保持輸出60 s低電平信號后才能輸出高電平信號，信號狀態(tài)才能轉(zhuǎn)變，所以每次閃發(fā)信號出現(xiàn)后也意味著水生物捕集器反沖洗電機(jī)和排污閥需要非預(yù)期啟動60 s。但是并不是水生物捕集器堵塞，冷卻水不能到達(dá)設(shè)備冷卻水換熱器的真實(shí)工況。經(jīng)計算，在60 s ON DELAY延時模塊f輸出信號端，采集到閃發(fā)信號的CPU執(zhí)行邏輯的時間為(小于100 ms的閃發(fā)信號時間)61 s，超過SLC機(jī)柜兩系CPU的容錯時間40 s。

圖5 閃發(fā)信號失去后SEC031SP信號狀態(tài)傳輸簡圖

機(jī)柜兩系CPU信號不一致報警的原因進(jìn)行分析計算[1-2]。變化前CFI611SP信號狀態(tài)傳輸簡圖如圖6所示。以A列CFI611SP的信號邏輯為例，CFI611SP的信號邏輯電路實(shí)際非常復(fù)雜，對邏輯進(jìn)行簡化表示，可以比較直觀地表達(dá)壓力波動出現(xiàn)后的信號邏輯。

圖6 變化前CFI611SP信號狀態(tài)傳輸簡圖

變化前CFI611SP沒有低壓力信號產(chǎn)生，壓力正常信號經(jīng)過下述路徑不啟動旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)沖洗母管沖洗水泵，分析如下。

壓力正常信號a依次經(jīng)過與門模塊b、或門模塊c、與門模塊d后繼續(xù)輸出壓力正常信號，不會啟動對應(yīng)的沖洗水泵CFI101PO(PO-泵)。

變化后CFI611SP信號狀態(tài)傳輸簡圖如圖7所示。

圖7 變化后CFI611SP信號狀態(tài)傳輸簡圖

低電平信號依次經(jīng)過與門模塊b、或門模塊c、與門模塊d、或門模塊c后形成了自保持回路。在無運(yùn)行人員操作的前提下，對應(yīng)的沖洗水泵將持續(xù)運(yùn)行，自保持回路的時間將遠(yuǎn)大于40 s，所以每次閃發(fā)信號出現(xiàn)后，也意味著旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的沖洗水泵會非預(yù)期持續(xù)啟動。

但這并不表示旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)沖洗水壓力低的真實(shí)工況，沖洗水管擔(dān)負(fù)著為旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)清污的功能。若是非預(yù)期啟動沖洗水泵，不但不利于設(shè)備健康，還會給運(yùn)行人員沖洗水管壓力低的錯誤信息，加重了運(yùn)行人員的監(jiān)盤壓力。因?yàn)槿粢Ｖ箾_洗水泵需要運(yùn)行人員執(zhí)行相關(guān)操作。

目前群廠(紅沿河、寧德、陽江、防城港)冷源系統(tǒng)中的水錘波效應(yīng)比較普遍，這也是工藝系統(tǒng)的固有特性。當(dāng)經(jīng)歷泵切換、停運(yùn)、啟動等瞬態(tài)變化勢必會引起水錘波效應(yīng)，本文涉及的儀表及相關(guān)的控制系統(tǒng)均有聯(lián)鎖邏輯、報警提示和自診斷機(jī)制，壓力波動產(chǎn)生的短時信號會帶來虛假信息。針對上述問題，提出解決方案，消除壓力波動對設(shè)備以及運(yùn)行人員的不利影響[3]。

3 改進(jìn)措施研究

以寧德核電廠1號機(jī)組為例，2017年8月至2018年8月，重要廠用水系統(tǒng)主管道在SEC泵狀態(tài)發(fā)生變化時SEC031SP閃發(fā)導(dǎo)致反沖洗電機(jī)非預(yù)期啟動以及水錘波效應(yīng)持續(xù)時間如表1所示。

表1 反沖洗電機(jī)非預(yù)期啟動以及水錘波效應(yīng)持續(xù)時間

為了過濾當(dāng)重要廠用水系統(tǒng)經(jīng)歷泵切換、停運(yùn)、啟動瞬態(tài)時引起的壓力波動以及循環(huán)水過濾系統(tǒng)沖洗水母管壓力波動，需要在重要廠用水系統(tǒng)031/032SP HIGH信號后和循環(huán)水過濾系統(tǒng)611/612/613/614SP INSUFFICIENT信號后添加0.5s ON DELAY前延時模塊[4]。SEC031SP增加0.5 s ON DELAY延時模塊、CFI611SP增加0.5 s ON DELAY延時模塊如圖8、圖9所示。

圖8 SEC031SP增加0.5 s ON DELAY延時模塊

本措施選取0.5 s ON DELAY前延時模塊，基本可以覆蓋現(xiàn)場壓力波動閃發(fā)信號對系統(tǒng)設(shè)備的影響。當(dāng)真實(shí)壓力低或高信號出現(xiàn)后，雖然水生物捕集器反沖洗電機(jī)以及旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)沖洗水泵會晚啟動0.5 s，但是并不會對機(jī)組運(yùn)行帶來負(fù)面影響。對于水生物捕集器來說，當(dāng)其兩側(cè)壓差達(dá)到10 kPa時會啟動反沖洗電機(jī)對水生物捕集器進(jìn)行沖洗[5]，正常情況下SEC母管內(nèi)壓力約為249～285 kPa。監(jiān)測水生物捕集器出入端的差壓開關(guān)高設(shè)定值如表2所示。

圖9 CFI611SP增加0.5 s ON DELAY延時模塊

表2 定值統(tǒng)計表

當(dāng)真實(shí)壓差高工況出現(xiàn)時，因?yàn)槎氯蔷徛兓倪^程，預(yù)估每秒上升1 kPa計算，并考慮SEC/RRI設(shè)備冷卻水換熱器的壓差不能低于設(shè)定值，否則將影響RRI端熱量導(dǎo)出至熱阱，影響機(jī)組運(yùn)行[6]。按照最不利的情況考慮，當(dāng)水生物捕集器出入端壓差達(dá)到高設(shè)定值30 kPa時，增加0.5 s延時后，水生物捕集器兩端壓差將達(dá)到30.5 kPa。SEC目前壓力249 kPa減去30.5 kPa等于218 kPa，遠(yuǎn)高于SEC/RRI換熱器能夠工作的最低壓差值100 kPa，是能夠保證設(shè)備正常工作的。又因?yàn)槎氯^程是緩慢變化的，本方案增加0.5 s延時的目的只是為了過濾壓力波動對設(shè)備的不利影響，并不會對設(shè)備造成不利影響，是可行的。

針對旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)沖洗母管611/612/613/614SP INSUFFICIENT信號后添加0.5 s ON DELAY前延時模塊同樣是為了過濾壓力波動對設(shè)備造成的不利影響。正常情況下，旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)轉(zhuǎn)速為2.5 m/min。當(dāng)沖洗母管真實(shí)壓力低信號出現(xiàn)后，由于增加0.5 s的原因，備用泵將比增加延時前晚啟動0.5 s，旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)走過了2 cm的長度。而沖洗水泵的沖洗水的目的是為了清除旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的堵塞物，而堵塞是緩慢變化的過程，晚啟動0.5 s造成了旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)2 cm長度上沒有沖洗，對旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的影響微乎其微，所以是可行的[6-7]。

本措施增加的0.5 s ON DELAY前延時模塊需要修改安全級DCS，修改費(fèi)用約為50萬元/臺，統(tǒng)籌考慮14臺機(jī)組共計需700萬元。

4 實(shí)施驗(yàn)證

目前，改進(jìn)措施一已經(jīng)得到了紅沿河、寧德、陽江、防城港核電廠的認(rèn)可，并且紅沿河核電廠1/2號機(jī)組已執(zhí)行修改，陽江核電廠1號機(jī)組已經(jīng)執(zhí)行了修改。寧德核電廠1/3/4號機(jī)組已經(jīng)執(zhí)行了修改，實(shí)施后效果顯著，已實(shí)施機(jī)組沒有再發(fā)生上述問題。

5 技術(shù)研究的拓展

目前，紅沿河、寧德、陽江、防城港核電廠同樣大量存在因水錘波效應(yīng)產(chǎn)生的壓力波動引起的兩系CPU信號采集不一致，以及非預(yù)期啟動安全級電機(jī)、泵或是無法啟動電機(jī)、泵導(dǎo)致定期試驗(yàn)不成功的相似共性問題。

①每兩個月執(zhí)行一次的RRI(RRI-設(shè)備冷卻水系統(tǒng))-009/010(A/B列備用泵啟動試驗(yàn))因壓力波動導(dǎo)致SEC021/022SP輸出短時信號閃發(fā)SEC001/002KA報警，報警產(chǎn)生會記第一組I0，最終解決方案為增加0.5 s ON DELAY延時模塊。

②每個循環(huán)執(zhí)行一次的RRI-023/024(失去SEC B列時A列自動啟動試驗(yàn)/失去SEC A列時B列自動啟動試驗(yàn))因壓力波動導(dǎo)致RRI001/004SP達(dá)到設(shè)定值而超時啟動備用列泵，從而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。超時啟動可能影響設(shè)備冷卻水的熱量導(dǎo)出，影響機(jī)組安全，最終解決方案為增加3 s ON DELAY延時模塊。

③運(yùn)行人員定期執(zhí)行A/B列互相切換操作中因壓力波動導(dǎo)致RRI025/026SP閃發(fā)壓力不正常信號在未完成計時的情況下導(dǎo)致切列失敗，最終解決方案為增加0.5 s ON DELAY延時模塊。

本文所提出的研究成果為解決上述問題提供了參考和依據(jù)。上述問題的解決采用了與本研究成果的研究思路和方法[8-9]。

6 結(jié)論

本文針對紅沿河、寧德、陽江、防城港電廠中重要廠用水系統(tǒng)和循環(huán)水過濾系統(tǒng)泵切換或泵停運(yùn)瞬態(tài)的固有特性所引起的短時壓力波動時，這種短時波動信號閃發(fā)時間小于100 ms，將導(dǎo)致SLC機(jī)柜兩系CPU出現(xiàn)采集不一致的工況。除了直接導(dǎo)致安全級機(jī)柜兩系CPU采集到的信號不一致時間超過40 s產(chǎn)生兩系不一致報警KCS005/006KA，還會非預(yù)期啟動相應(yīng)的反沖洗電機(jī)和沖洗水泵。但是這既不是水生物捕集器堵塞需要沖洗的真實(shí)工況，也不是旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)沖洗母管壓力低的真實(shí)工況，而是反饋給運(yùn)行人員錯誤的信息。通過在壓力開關(guān)前端增加0.5 s ON DELAY的延時模塊較好地解決了上述問題，利于設(shè)備健康運(yùn)行，也利于運(yùn)行人員監(jiān)盤，增加延時模塊的方法易實(shí)施、周期短、結(jié)果可靠，是解決上述問題的有效可靠途徑。本文的技術(shù)研究成果也為未來解決相似的問題提供了參考。