核電廠優(yōu)先級控制模塊研究設計方案

1、核電廠優(yōu)先級控制模塊的研究與設計- 機電論文核電廠優(yōu)先級控制模塊的研究與設計馮威，羅煒，俞赟，葉奇（中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術(shù)重點實驗室，四川成都610041 ）【摘要】優(yōu)先級控制模塊是核電廠安全級儀控平臺的一個重要組成部分，其主要功能是在對來自不同安全等級的自動或手動命令進行優(yōu)先級處理后，驅(qū)動專設安全設施及相關(guān)支持系統(tǒng)的泵、閥等驅(qū)動設備 , 從而完成系統(tǒng)規(guī)定的安全功能。針對目前國際核電領(lǐng)域主要應用的安全級儀控平臺：Tricon 、TXS 的優(yōu)先級控制模塊的設計與實現(xiàn)方案進行了研究，詳細分析了各平臺優(yōu)選模塊的設計特性，并對模塊的定期試驗方案、接口方案、供電方案等內(nèi)容進行了深入研究

2、，最終提出了優(yōu)先級控制模塊的國產(chǎn)化研發(fā)思路。關(guān)鍵詞 安全級平臺；優(yōu)先級控制；定期試驗作者簡介：馮威（ 1982 ），男，漢族，工程師，四川成都人，從事核電站儀控設計工作。優(yōu)先級控制模塊是核電廠安全級儀控平臺的一個重要組成部分，其主要功能是在對來自不同安全等級的自動或手動命令進行優(yōu)先級處理后驅(qū)動專設安全設施及相關(guān)支持系統(tǒng)的泵、閥等設備。位于執(zhí)行端的驅(qū)動裝置（如閥門，主泵電機等）需要根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動信號執(zhí)行相應的功能。驅(qū)動裝置的驅(qū)動信號可由多個系統(tǒng)給出，為了防止信號之間的沖突導致驅(qū)動裝置動作出現(xiàn)異常，優(yōu)先級控制模塊需要對信號進行判斷，確定驅(qū)動裝置按照正確的信號執(zhí)行動作。本文針對目前核電領(lǐng)域主要應

3、用的安全級儀控平臺：Triconex 、TXS 的優(yōu)先級控制模塊的設計與實現(xiàn)方案進行了研究，并探討了優(yōu)先級控制模塊的國產(chǎn)化研發(fā)思路。1 應用方案分析1.1TRICONEX美國INVENSYS公司的TRICONEX平臺配置了優(yōu)先級控制模塊PLM(Priority Logic Module)，它基于 FPGA 技術(shù)實現(xiàn)優(yōu)選功能。 PLM 接收 1E級與非安全級設備的驅(qū)動命令，并根據(jù)優(yōu)先級高低選擇輸出驅(qū)動命令，控制現(xiàn)場設備。該平臺在福清、方家山核電項目中已得到應用。PLM 的硬件主體為一個FPGA 模塊，采用 24V 供電，并由以下部件組成：FPGA 芯片。LED 指示燈（輸入、輸出、電源的） 。輸

4、入：四對輸入信號（每對信號分為A、B 兩路輸入）。24V 直流電壓。輸出：一對開關(guān)量輸出（每對信號分為A、B 兩路輸出）。一對開關(guān)量測試輸出（每對信號分為A、B 兩路輸出）。圖 1 為 PLM 模塊的接口簡圖， 它展示了 PLM 模塊的輸入及輸出接口。 PLM的輸入源一共有四個 （安全級自動控制命令、 安全級手動控制命令、 多樣化保護系統(tǒng)（ DAS ）和 ATWT 系統(tǒng)命令、非安全級控制命令） ，每個輸入源都分為兩路輸入（ A 組與 B 組），A 組信號用于關(guān)閉（閥門）或者停止（電機） ，B 組信號用于打開（閥門）或者啟動（電機） 。其中 DAS 、ATWT 系統(tǒng)及非安全級系統(tǒng)送入PLM 模塊

5、的信號需要進行隔離，確保其不會影響安全級設備的信號。PLM 模塊共配置 5 路輸出，其中 OUT-A 、OUT-B 為驅(qū)動輸出端口； TEST OUT-A 、TESTOUT-B 作為試驗反饋信號，送給安全級系統(tǒng)。PLM 優(yōu)先級的高低為： 1A/1B2A/2B3A/3B4A/4B，且在同一通道內(nèi)， A 組信號的優(yōu)先級大于B 組。 TEST 端口則用于定期試驗時判斷輸出信號的狀態(tài)。各輸入輸出的邏輯關(guān)系見表1 。PLM 的輸入還包括兩個試驗使能信號，一個由就地開關(guān)控制， 一個由上游安全級 DCS 控制。當兩個信號均置于有效位置時則進入試驗模式。兩個信號分別為 ： TestEnable2、 TestE

6、nable1。 當PLM進 入 試 驗 模 式 后 ，1A/1B/2A/2B/3A/3B信號產(chǎn)生的輸出命令被閉鎖，TEST 端口將試驗反饋信號送回上游系統(tǒng)以判斷試驗結(jié)果。4A/4B信號則不受閉鎖的影響，可正常驅(qū)動下游設備。1.2TELEPERM XS德國西門子公司的TXS 平臺由 AV42 模塊執(zhí)行優(yōu)先級控制功能。 該平臺已在田灣、嶺澳核電項目中得到應用。如圖 2 所示，AV42 模塊由兩大部分組成PLD 與 processor 。PLD 采用硬件電路，主要完成驅(qū)動指令的優(yōu)選與輸出、采集現(xiàn)場驅(qū)動器的反饋信息、執(zhí)行定期試驗等功能。 Processor 包括微處理器、 PROFIBUS 網(wǎng)絡控制器

7、及內(nèi)存等，主要負責傳輸非安全級系統(tǒng)控制命令、PROFIBUS 通訊控制、驅(qū)動器及優(yōu)選模塊狀態(tài)反饋、自診斷等功能。AV42模塊包括面板上的開關(guān)信號，通過硬接線連接的從安全級系統(tǒng)來的自動信號和手動信號，通過總線連接的非安全級系統(tǒng)來的自動信號和手動信號等，優(yōu)先級從高到低分為以下幾類：1）面板上的就地開關(guān)信號接口，用于開、關(guān)、診斷三種功能。其中關(guān)信號優(yōu)先級最高， 診斷信號優(yōu)先級最低。 面板上的開關(guān)信號具有最高的優(yōu)先級，即使在自動控制系統(tǒng)失效的情況下也可以對驅(qū)動器進行就地控制。2）安全級系統(tǒng)信號接口，為第二優(yōu)先級。該信號又劃分為兩個優(yōu)先級別，級別 1 高于級別 2。3 ）控制室信號接口，接收來自兩個控制

8、室的信號。4 ）來自非安全級系統(tǒng)的信號接口，通過通訊總線連接，優(yōu)先級最低。對于每個信號源而言，其內(nèi)部命令還具有優(yōu)先級。面板開關(guān)命令：關(guān)閉打開診斷 / 停止；安全級設備命令： 1# 關(guān)閉 1# 打開 2# 關(guān)閉 2# 打開；控制室命令：關(guān)閉打開停止；非安全級設備：打開、關(guān)閉、停止、附加按鍵開關(guān)控制。AV42 模塊送給驅(qū)動設備的信號為三個：CMDOFF （關(guān)閉信號）、CMDON（開信號）、CONTROL（ Check command）阻塞信號，即此輸出為高時， OFF、ON 無效；為低時， OFF、 ON 有效。AV42模塊還設置了控制室切換控制端口。根據(jù)輸入信號的狀態(tài)，優(yōu)選模塊可對來自控制室的命

9、令進行使能控制，達到控制室切換的目的。AV42 模塊提供了以下硬件自檢能力：與 PLD 連接的看門狗電路，可以檢測微處理器的循環(huán)操作和PLD 的基本功能?？撮T狗發(fā)現(xiàn)故障將使微處理器復位。低電壓監(jiān)測電路。當供給模塊的電壓低于定值時，低壓監(jiān)視電路將會把驅(qū)動電路輸出置為 0 。開路和短路監(jiān)測，出現(xiàn)開路、短路、超載時，PLD 可將狀態(tài)信號反饋給微處理器。2 國產(chǎn)化研發(fā)思路優(yōu)先級控制模塊作為安全級儀控平臺的重要組成部分，其性能直接影響核電廠的安全性。 優(yōu)先級控制模塊主要實現(xiàn)驅(qū)動信號優(yōu)先級判斷、輸出驅(qū)動信號、 采集驅(qū)動設備狀態(tài)信息等功能，同時需滿足高可靠性及響應時間要求。通過上述國外供貨商采用的設計方案可

10、以看出，兩大平臺都是基于FPGA 或者 CPLD 技術(shù)，不采用軟件直接用“與、或”門搭建功能。FPGA 技術(shù)既提供了高效的邏輯處理能力， 同時保持了“硬邏輯”的特質(zhì)，使其不受軟件共模故障的影響。優(yōu)選模塊為安全級設備，但其接收的信號也包括非安全級部分，應進行不同安全級信號的隔離， 以保證故障不會從低安全級系統(tǒng)向高安全級系統(tǒng)蔓延。功能可考慮在優(yōu)選模塊內(nèi)實現(xiàn)，也可設置單獨的隔離機柜。安全級優(yōu)選模塊輸入信號與整個系統(tǒng)所需功能密切相關(guān)，一般包括就地控制隔離命令、專設安全設施驅(qū)動系統(tǒng)的安全級自動控制命令、緊急控制盤（ECP）的手動控制命令、后備盤（ BUP ）的手動控制命令、 DAS 系統(tǒng)的非安全級自動控

11、制命令、控制系統(tǒng)的非安全級自動控制信號等。Tricon 平臺的優(yōu)選模塊邏輯簡單， 便于實現(xiàn)；而 TXS 平臺則引入了更多的輸入信號， PLD 根據(jù)條件判定同類信號的優(yōu)先級。TXS 平臺的優(yōu)選模塊可回讀驅(qū)動設備的狀態(tài)信號，并結(jié)合信號優(yōu)先級控制設備輸出，Tricon的優(yōu)選模塊只是將優(yōu)選模塊執(zhí)行的驅(qū)動信號反饋回上級設備，其驅(qū)動設備的狀態(tài)由其他系統(tǒng)進行采集。上述兩種平臺優(yōu)選模塊輸入輸出的處理方式雖然略有不同，但都能完成優(yōu)先級管理和驅(qū)動現(xiàn)場設備的功能。優(yōu)選模塊的國產(chǎn)化研發(fā)可以借鑒其成熟經(jīng)驗，在保證基本功能的前提下進行優(yōu)化設計，增加設備的可用性與擴展性。除此之外，優(yōu)選模塊還應具備故障監(jiān)測能力，既要對模塊內(nèi)

12、部進行自診斷，還需對輸入輸出回路進行監(jiān)測。模塊自診斷不應妨礙系統(tǒng)安全功能的執(zhí)行。故障信息可反饋至上游系統(tǒng)， 也能在模塊指示燈上顯示。 為了配合安全級系統(tǒng)定期試驗，優(yōu)先級控制模塊需設置閉鎖功能。當電廠運行時， 部分現(xiàn)場驅(qū)動器受工況的限制不能真實驅(qū)動。 優(yōu)選模塊通過閉鎖輸出且反饋驅(qū)動信號的方式，配合系統(tǒng)完成定期試驗。3 總結(jié)優(yōu)先級控制模塊是安全級儀控平臺的重要組成部分，其性能直接影響電廠運行的安全。優(yōu)選模塊設計應確保系統(tǒng)簡單可靠，同時在不影響可靠性的情況下優(yōu)化設計，為運行維護提供便利。參考文獻 IEEE Std 338. IEEE Standard Criteria for the Periodic SurveillanceTesting of Nuclear Power Generating Stat