基于常規(guī)模擬技術(shù)和PLC的核化工項目應(yīng)急電源中心控制系統(tǒng)設(shè)計

朱凌佳，劉鑫偉

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

為保證某核化工項目的玻璃固化子廠房的正常運行，當(dāng)廠房內(nèi)正常電源和廠外輔助電源失去后，為其配套修建的應(yīng)急電源中心將為玻璃固化廠房的安全功能和安全相關(guān)功能的執(zhí)行提供動力，為安全運行所需的動力、照明、儀表裝置和通信設(shè)備等安全系統(tǒng)及安全相關(guān)系統(tǒng)的負(fù)荷提供應(yīng)急電源。應(yīng)急電源中心內(nèi)的設(shè)備主要包含應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組、應(yīng)急低壓配電屏、應(yīng)急低壓UPS屏和安全級直接蒸發(fā)式組合空調(diào)機(jī)組等，這些設(shè)備及其使用到的房間均為兩套，之間互為獨立，互不冗余，構(gòu)成了兩序列的應(yīng)急供電回路。

不同于一般民用工程，核工程在為確保應(yīng)急電源中心自身正常運行的前提下還要保證工程的放化安全功能[1]，滿足事故工況下對重要工藝參數(shù)的監(jiān)控要求。因此，控制系統(tǒng)的設(shè)置顯得尤為重要，既能實現(xiàn)本中心各類參數(shù)測點的集中顯示，完成各類設(shè)備的開關(guān)操作和狀態(tài)顯示，達(dá)到關(guān)鍵參數(shù)自動控制的目的，同時又能與全廠DCS系統(tǒng)實現(xiàn)通信，遠(yuǎn)程實時監(jiān)控應(yīng)急電源中心的運行情況。

為確保該核化工項目中放化安全總目標(biāo)，應(yīng)急電源中心內(nèi)的各測量、控制參數(shù)可以分為非安全級和放化安全級，例如適用于防止發(fā)生事故以及在發(fā)生事故時和事故后為保護(hù)工作人員和公眾所需的電氣設(shè)備，屬于放化安全級。針對應(yīng)急電源中心的非安全級和安全級測控需求，本文將PLC和常規(guī)模擬技術(shù)結(jié)合起來，綜合考慮進(jìn)行研究和設(shè)計，給出了一種具體的控制系統(tǒng)方案。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 參數(shù)測量和控制需求

兩路應(yīng)急供電系統(tǒng)的設(shè)計相對獨立又保持一致，因此各工種在兩路供電系統(tǒng)中所提的測量和控制條件均保持一致。應(yīng)急電源中心儀控專業(yè)的設(shè)計任務(wù)來自于暖通、電氣和給排水工種儀表檢測和控制要求。測控參數(shù)按照安全分級[1]分為放化安全級、非安全級有特殊要求的物項和非安全級3類。

1）放化安全級參數(shù)檢測控制要求

放化安全級參數(shù)包括兩序列中的3個柴油發(fā)電機(jī)房溫度（每序列），回風(fēng)總管的溫度（每序列），應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組和應(yīng)急電源中心安全級控制系統(tǒng)之間的電氣接口和安全級直接蒸發(fā)式空調(diào)機(jī)組與應(yīng)急電源中心安全級控制系統(tǒng)的接口。

每序列中柴油發(fā)電機(jī)房溫度需與屋頂風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖控制，回風(fēng)總管的溫度檢測儀表由儀控專業(yè)選型，空調(diào)機(jī)組控制系統(tǒng)由廠家成套供貨。儀表信號按照與廠家的接口要求，經(jīng)安全級儀控橋架送往空調(diào)機(jī)組廠家的安全級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)溫度測點的監(jiān)控及聯(lián)鎖控制后，再由其隔離分配出一路儀表信號送往應(yīng)急電源中心的安全級控制系統(tǒng)顯示。

2）非安全級有特殊要求的物項檢測控制要求

非安全級有特殊要求的物項參數(shù)包括兩序列的燃油儲罐液位（每序列），送風(fēng)總管溫度（每序列）和新風(fēng)總管的溫度（每序列）。

每序列中，燃油儲罐的液位檢測儀表信號直接送往應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控柜進(jìn)行監(jiān)控和報警；檢測儀表和控制系統(tǒng)箱分別隨燃油儲罐和柴油發(fā)電機(jī)廠家成套供貨；送風(fēng)總管和新風(fēng)總管溫度檢測儀表由儀控專業(yè)選型，儀表信號送往廠家的安全級空調(diào)機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行溫度的監(jiān)控和運行模式的調(diào)節(jié)。

3）非安全級參數(shù)檢測控制要求

非安全級參數(shù)包括儲油間集水坑的液位（每序列），油發(fā)電機(jī)房溫度（每序列）、空壓機(jī)間溫度（每序列）和消防設(shè)備間溫度（每序列）。每序列中，儲油間集水坑的液位檢查信號除了監(jiān)控要求外，還需與對應(yīng)的潛污泵聯(lián)鎖控制。同理，柴油發(fā)電機(jī)房、空壓機(jī)間和消防設(shè)備間溫度檢測信號除了監(jiān)控要求外，分別需與對應(yīng)的電暖風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖控制。

1.2 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)研究和設(shè)計

根據(jù)上述對測點的安全分級和測控需求，本文的控制系統(tǒng)大致可以分成非安全級控制系統(tǒng)與安全級控制系統(tǒng)，兩者之間存在部分的信號互送。該非安全級控制系統(tǒng)設(shè)置在應(yīng)急電源中心內(nèi)，通過交換機(jī)（或光交換機(jī)）與全廠DCS實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，完成正常工況下工藝過程參數(shù)的實時監(jiān)控和管理。

安全級控制系統(tǒng)由兩套安全級常規(guī)模擬儀表盤組成，用于實現(xiàn)兩序列的非安全級有特殊要求和安全級物項測點的監(jiān)控，保證在設(shè)計基準(zhǔn)事故下工藝系統(tǒng)的安全停車及事故后安全重要參數(shù)的連續(xù)監(jiān)控。為了實現(xiàn)各子項的監(jiān)控參數(shù)的統(tǒng)一監(jiān)控和操作，方便管理，應(yīng)急電源中心的安全級控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)將接入某子項的非安全級DCS控制系統(tǒng)，在正常工況下實時監(jiān)測安全級控制系統(tǒng)的儀表信號，同時也對電氣設(shè)備運行狀態(tài)信號予以監(jiān)測。

在安全級控制系統(tǒng)中，把其工作狀態(tài)置于“允許非安全級控制系統(tǒng)操作”時，通過非安全級控制系統(tǒng)進(jìn)行安全級設(shè)備的手動控制。此時，安全級控制系統(tǒng)與非安全級控制系統(tǒng)的手動操作具有同等優(yōu)先級。對于機(jī)房風(fēng)機(jī)的聯(lián)鎖啟停等自動控制邏輯，比手動控制具有更高優(yōu)先級，且無論是否允許非安全級控制系統(tǒng)操作，自動邏輯均在安全級控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，從而保證安全性。

應(yīng)急電源中心的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Control system structure diagram

2 非安全級控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計

DCS作為一個系統(tǒng)，輔以其他計算機(jī)控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)大型項目的監(jiān)控，比較適合點數(shù)較多，操作要求集中的設(shè)計要求。而PLC控制系統(tǒng)則更像是一個小型裝置，非常適合作為相對獨立的輔助控制系統(tǒng)，其具有強(qiáng)大的通訊性能，各方面性能足以滿足本工程的測控要求，并具有一定的擴(kuò)展性。

該PLC控制系統(tǒng)包含中央處理器，主機(jī)架掛有電源模塊、中央處理器和DP通訊模塊（通過Modbus TCP協(xié)議與某子項進(jìn)行通信），同時選用模擬量輸入模塊4個，模擬量輸出模塊1個，數(shù)字量輸入模塊2個，數(shù)字量輸出模塊1個，完成與現(xiàn)場各類非安全級儀表和設(shè)備的信號傳輸。廠房在正常運行期間柴油發(fā)電機(jī)組不啟動，本廠房內(nèi)平時無人值班，并不設(shè)有專門的儀控機(jī)柜間，因此機(jī)柜將布置在通信設(shè)備間內(nèi)，同時為了巡檢方便，在機(jī)柜上放置了一塊觸摸顯示屏作為人機(jī)界面，觸摸屏通過PROFIBUS DP協(xié)議與CPU通信。

應(yīng)急電源中心的非安全級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 非安全級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of non-safety level control system

3 安全級控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計

3.1 分析和選型

隨著數(shù)字化控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，經(jīng)過多年的實踐驗證與總結(jié)，在安全性和可靠性得到充分保障的情況下，安全級DCS控制系統(tǒng)已在核電廠應(yīng)用十分廣泛[3]。

在應(yīng)急電源中心安全級控制系統(tǒng)的選擇上，由于核燃料后處理項目的特殊性，僅能夠選用國產(chǎn)安全級DCS系統(tǒng)。目前國產(chǎn)安全級DCS處于初步階段，沒有大規(guī)模的實際應(yīng)用，同時核電和核化項目對于核安全的分級標(biāo)準(zhǔn)并不一致，對于工程來說其相關(guān)風(fēng)險依然不可控[4]。同時，后處理工藝流程及安全分級與核電存在較大差別。從全球范圍來看，在役的所有核化工項目均采用傳統(tǒng)的常規(guī)模擬系統(tǒng)（以下簡稱常規(guī)模擬儀表盤）來實現(xiàn)安全級參數(shù)的監(jiān)控，其在國內(nèi)外核化工項目中已經(jīng)有著較廣泛的應(yīng)用經(jīng)驗，技術(shù)上來說成熟可靠。相對于DCS來說，常規(guī)模擬儀表盤盤內(nèi)的設(shè)計比較復(fù)雜，布置較為松散，對電路邏輯控制回路的設(shè)計理解能力要求較高。在應(yīng)急電源中心，安全級控制系統(tǒng)與其他主工藝子項獨立，規(guī)模較小，設(shè)計難度也相對小些，使用常規(guī)模擬儀表盤的方案非常適合。因此，將使用常規(guī)模擬儀表盤作為應(yīng)急電源中心的安全級控制系統(tǒng)。

3.2 基于常規(guī)模擬儀表盤的控制系統(tǒng)的設(shè)計方法

常規(guī)模擬儀表盤的設(shè)計將滿足遵循單一故障、獨立性、冗余性等原則。常規(guī)模擬儀表盤設(shè)置硬接線的控制按鈕和顯示儀表，系統(tǒng)內(nèi)部部件及其與安全相關(guān)系統(tǒng)和非安全系統(tǒng)之間在電氣上和結(jié)構(gòu)上都保持了彼此相互獨立，滿足了控制系統(tǒng)的獨立性設(shè)計要求。設(shè)計過程同樣需要滿足實體分隔準(zhǔn)則，例如布線和電纜通道滿足最小分隔距離。為實現(xiàn)動力電纜和控制電纜的隔離，采用配電盤的方式，兩種電纜分別布置于機(jī)柜兩側(cè)的走線槽中，保證了二者的安全距離，同時使用獨立的電源柜供電方式予以實現(xiàn)動力電纜與儀表電纜的隔離[5]。對于儀表電纜和控制電纜的隔離，將通過獨立的信號隔離器予以實現(xiàn)。

對于常規(guī)模擬儀表盤與非安全級DCS的數(shù)據(jù)通信接口，包括硬接線輸入信號接口和硬接線輸出信號。其中，硬接線信號分為模擬量信號和數(shù)字量信號。模擬量信號采用運算放大器設(shè)計隔離分配模塊，可有效實現(xiàn)與現(xiàn)場傳感器信號的隔離，而數(shù)字量信號則采用繼電器進(jìn)行隔離。

3.3 安全級控制系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

考慮到應(yīng)急電源中心平時無人值守的情況，安全級控制系統(tǒng)將放置在某廠房的控制室內(nèi)，采用由符合相應(yīng)安全等級的一次儀表、二次儀表、按鈕、指示燈、報警器、隔離器及繼電器等元件組成的常規(guī)控制方案構(gòu)建，通過硬接線與某子項的非安全級DCS相接并實現(xiàn)光電信號的隔離，圖3為應(yīng)急電源中心的安全級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖3 安全級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of safety level control system

3.3.1 測量邏輯的實現(xiàn)

現(xiàn)場儀表的信號通過隔離分配器輸出兩路信號，一路用于安全級控制系統(tǒng)內(nèi)部使用，另一路再輸出到非安全級控制系統(tǒng)，如圖4。

圖4 安全級信號隔離分配示意圖Fig.4 Schematic diagram of safety level signal isolation and distribution

第一路供電系統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)房溫度的3個安全級儀表信號首先進(jìn)入安全級機(jī)柜間1中安全級機(jī)柜中符合相應(yīng)安全等級的“一入兩出”信號隔離器（允許HART雙向通過）隔離，兩路輸出信號一路送至某主控室安全級操作盤1的二次儀表（數(shù)顯儀）顯示，另一路送至機(jī)柜間內(nèi)非安全級控制系統(tǒng)。為實現(xiàn)設(shè)備管理系統(tǒng)對安全級儀表和非安全級儀表的統(tǒng)一管理，HART協(xié)議又自非安全級控制系統(tǒng)引至設(shè)備管理系統(tǒng)。同理，另一路供電系統(tǒng)進(jìn)入安全級機(jī)柜間2分配后，送往某子項應(yīng)急監(jiān)控室。安全級控制系統(tǒng)1和2的顯示信號不互送，但在非安全級控制系統(tǒng)中可同時監(jiān)視。

3.3.2 顯示和控制邏輯的實現(xiàn)

圖5是應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的電氣信號與應(yīng)急電源中心控制系統(tǒng)信號互送的接口示意圖。

圖5 柴油發(fā)電機(jī)組與控制系統(tǒng)信號互送的接口示意圖Fig.5 Interface diagram of signal transmission between diesel generator set and control system

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組送往安全級控制系統(tǒng)的輸入信號，分別通過硬接線的方式接入常規(guī)模擬儀表盤，通過指示燈實現(xiàn)信號的顯示，而安全級控制系統(tǒng)送給柴油發(fā)電機(jī)組的輸出信號則通過手動按鈕實現(xiàn)操作。

每路供電系統(tǒng)中柴油發(fā)電機(jī)房溫度的測點均設(shè)置為3個，且測量要求一致。考慮到暖通工種對儀表的冗余設(shè)置，因此儀控工種不再進(jìn)行儀表的冗余設(shè)計。同時，兩臺安全級風(fēng)機(jī)需要與發(fā)電機(jī)房溫度實現(xiàn)聯(lián)鎖啟停，以保證柴油機(jī)組啟動時其在合適范圍內(nèi)。具體的聯(lián)鎖要求為：柴油發(fā)電機(jī)組運行時，當(dāng)測點溫度上升到24℃，啟動風(fēng)機(jī)1；當(dāng)溫度高于27℃，則再啟動風(fēng)機(jī)2；若溫度低于18.5℃，首先停止風(fēng)機(jī)2，風(fēng)機(jī)1繼續(xù)運行；當(dāng)溫度低于15.5℃，則風(fēng)機(jī)1也將停止運行。若柴油機(jī)停止運行，運行的風(fēng)機(jī)延遲30min關(guān)閉。溫度聯(lián)鎖控制兩臺風(fēng)機(jī)時，考慮到兩臺風(fēng)機(jī)并不是一備一用的關(guān)系，先要采用“三選二”優(yōu)選模塊進(jìn)行邏輯判斷，避免單一儀表故障時自動控制邏輯的漏觸發(fā)和誤觸發(fā)。

圖6示出了其中一路供電系統(tǒng)中帶有自動控制功能的安全級風(fēng)機(jī)的測控邏輯。

圖6 安全級風(fēng)機(jī)的聯(lián)鎖控制邏輯示意圖Fig.6 Interlock control logic diagram of safety level fan

在數(shù)據(jù)采集部分選用3塊擁有四通道數(shù)字量信號輸出信號的數(shù)字指示調(diào)節(jié)器，分別接入3塊安全級儀表信號，根據(jù)4個不同的溫度設(shè)定值4個通道將分別輸出信號，如圖7。

圖7 數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)示意圖Fig.7 Schematic diagram of data acquisition

其中，1～12分別表示調(diào)節(jié)器對應(yīng)的輸出通道。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)房溫度達(dá)到調(diào)節(jié)器的設(shè)定值時，相應(yīng)通道輸出常“1”信號。當(dāng)溫度大于24℃時，通道3、7和11輸出信號“1”，否則輸出信號“0”；當(dāng)溫度到達(dá)27℃之后，4、8和12通道開始輸出“1”信號。而當(dāng)溫度降到18.5℃時，通道2、6和10信號由“0”變?yōu)椤?”，當(dāng)溫度繼續(xù)降到15.5℃之后，通道2、6和10繼續(xù)輸出信號，而1、5和9通道開始輸出信號“1”。調(diào)節(jié)器的輸出信號通過搭建繼電器回路，實現(xiàn)一入二出，繼電器的兩副觸點均送往相應(yīng)的“三選二”邏輯控制回路。不同于安全級DCS通過算法實現(xiàn)四選二或三選二邏輯，在安全級模擬儀表盤中只能通過搭建繼電器的形式予以實現(xiàn)。考慮到每臺風(fēng)機(jī)同時只能接收啟動和停機(jī)命令中的一種，所以在“三選二”邏輯控制回路中分別加入互鎖信號，保證風(fēng)機(jī)在收到啟動命令的時候，停止風(fēng)機(jī)的“三選二”邏輯控制回路處于斷路狀態(tài)，反之亦然，其控制邏輯電路如圖8。

從圖8中可以看出“三選二”邏輯控制回路保障了風(fēng)機(jī)的正常聯(lián)鎖啟停，避免了自動控制邏輯的漏觸發(fā)和誤觸發(fā)。由于風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖啟動的先決條件是柴油發(fā)電機(jī)組必須運行，在設(shè)計主控制回路的時候，通過搭建接收柴油發(fā)電機(jī)組的啟動狀態(tài)信號的繼電器回路，把狀態(tài)信號串入啟動風(fēng)機(jī)的主控制回路，再將啟動命令送至風(fēng)機(jī)的電控柜，完成風(fēng)機(jī)的聯(lián)鎖啟動。

圖8 邏輯控制回路Fig.8 Logic control circuit

對于風(fēng)機(jī)的聯(lián)鎖停機(jī)控制回路，一旦柴油發(fā)電機(jī)組停機(jī)之后，無論此時風(fēng)機(jī)處于什么狀態(tài)，在安全級控制系統(tǒng)收到柴油發(fā)電機(jī)組停機(jī)信號的30min后，風(fēng)機(jī)將停止。與風(fēng)機(jī)的啟動控制回路相似，在設(shè)計安全級控制系統(tǒng)控制回路的時候，通過搭建接收柴油發(fā)電機(jī)組的停機(jī)狀態(tài)信號的繼電器回路，把狀態(tài)信號串入停止風(fēng)機(jī)的控制回路，再將停止命令送至風(fēng)機(jī)的電控柜，完成風(fēng)機(jī)的聯(lián)鎖停止。為了滿足延時停機(jī)的要求，在搭建繼電器回路的時候?qū)⑦x用電子時間繼電器，通過旋轉(zhuǎn)開關(guān)預(yù)設(shè)所需時間功能，達(dá)到30min延時停止風(fēng)機(jī)的控制要求。控制風(fēng)機(jī)的主回路如圖9。

4 結(jié)論

本文在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中充分考慮了模擬控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)各自的特點，根據(jù)PLC控制系統(tǒng)具有獨立運算能力的特點以及常規(guī)模擬儀表盤自身的優(yōu)勢，將兩者結(jié)合應(yīng)用到某核化工電源中心控制系統(tǒng)的設(shè)計中，實現(xiàn)了參數(shù)測量顯示、控制和邏輯運算以及信號隔離和二次分配的功能要求，保障了廠房在正常工況和事故工況后的運行。

圖9 風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖控制主回路Fig.9 Fan interlocking control main circuit