基于FirmSys平臺的核電廠成組控制研究及應用

孫月亮，左 新，孫洪濤，白 瑋，王志嘉

(北京廣利核系統工程有限公司，北京 100094)

0 引言

華龍一號(HPR1000)示范機組——防城港(FCG)核電二期工程采用了我國完全自主知識產權的三代百萬千瓦級核電技術。相比中廣核壓水堆(CPR1000)——防城港一期工程，其現場執行機構的數量大為增加。為提高設備操作的自動化水平，實現方案之一就是對成組控制的應用。

基于國產化核級儀控平臺(FirmSys)，防城港3號機組(簡稱unit3)設計了設備的成組操作方案，不僅注重功能的充分實現，而且兼顧了執行效率和操作負擔的優化。

1 防城港設備控制

1.1 設備操作功能統計

在防城港二期工程單個機組中，基于核級儀控DCS控制的現場設備多達近千個，約為防城港一期工程的3倍。

其中，需要啟動、停止操作和手自動模式切換的設備數量遠大于一期工程，并且現場設備增加了單列內或跨列冗余配置。

基于核級儀控DCS，防城港一、二期工程單個機組控制設備情況設計如表1所示。

表1 防城港一、二期工程單個機組控制設備情況統計表(基于核級儀控DCS)

注：表1中統計數據均基于本文發稿前的數據統計

1.2 設備響應時間分析

防城港一期工程中，由于設備數量較少，設備控制采取的方式為單個設備控制模式[1]，其設備控制原理如圖1所示。

防城港二期工程的所有設備均采取同樣的控制方式。經分析計算：從操作員發出控制指令到DCS完成該控制指令輸出，時間最長約為690 ms[2]。

圖1 防城港一期工程單個設備控制原理圖

對于需要同時投運或切換手、自動的設備組，如采用單個設備控制方式，執行完一組設備操作后，理論上至少需使用(690n)ms。這大大增加了操作員操作的負擔，并延長了設備組的響應時間。

針對這種設備同時動作的情況，如考慮實施聯鎖設備控制方案。

防城港一期工程聯鎖設備控制原理如圖2所示[3]。

圖2 防城港一期工程聯鎖設備控制原理圖

該方法雖然節省了操作步驟，但系統間的信號傳遞增加了設備組的響應時間。部分設備的響應時間遵循聯鎖動作的設備響應時間。

所有設備動作的響應時間為(690n1+960n2)ms，n1+n2=n。參考單個設備控制的模式以及借鑒聯鎖動作的原理，同時考慮降低響應時間和減少操作員的操作負擔，提出從人機界面(human-machine interface,HMI)至現場設備控制的設備成組模式[4]。防城港一期工程設備成組控制原理如圖3所示。根據設備響應時間理論分析可知，所有設備并行響應操作員的指令，DCS輸出控制指令的時間等于單個設備控制命令的輸出時間，同時又減少了操作員的操作數量。

圖3 防城港一期工程設備成組控制原理圖

2 防城港成組控制方案

本文針對防城港3號機組的執行機構的控制模式、成組指令控制、冗余執行機構的成組配置功能，進行詳細分析。

2.1 成組模式控制

現場執行機構通常設置手動控制、自動控制模式。相對于單個設備控制模式，成組控制更能提高設備控制效率。成組模式控制則是用于對成組執行機構進行模式管理，接收來自操作員的成組控制模式選擇的手動指令，同時可根據邏輯處理觸發模式轉換[5]。防城港3號機組成組模式控制功能原理如圖4所示。

圖4 防城港3號機組成組模式控制功能原理圖

單個設備、手、自動運行模式的觸發均可以通過DCS邏輯強制、人機界面操作兩種方式生效。

在成組模式控制功能中，強制單個設備運行模式命令閉鎖強制手、自動成組運行模式命令，具有最高優先級[6]。強制手動成組運行模式命令閉鎖強制自動成組運行模式命令，優先級高于強制自動成組模式命令。

成組模式控制的強制命令優先級高于手動命令。當存在強制命令時，手動模式選擇命令將被閉鎖。對于手動指令之間無優先級，根據當前選擇命令執行。

當設備存在強制或手動選擇模式命令時，將對應輸出已選的運行模式命令，同時復位原運行模式狀態。三種運行模式的選擇結果互相閉鎖。

2.2 成組指令控制

在核電廠中，設備的啟、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備的成組指令選擇，并可以結合成組配置向執行機構發送控制指令。 防城港3號機組成組指令控制功能原理如圖5所示。

圖5 防城港3號機組成組指令控制功能原理圖

考慮到現場執行機構的執行功能，以及不同工藝或設備之間的聯鎖關系[7]，成組指令控制除了接收來自操作員的手動成組控制指令以外，還要接收來自設備聯鎖關系的自動成組控制指令。

優先自動命令會閉鎖所有手動操作命令，優先自動啟(停)命令閉鎖非優先自動停(啟)命令，優先自動停命令的優先級高于優先自動啟命令。非優先自動停命令需在自動模式下生效，并閉鎖對應非優先自動啟命令。

優先自動命令、非優先自動命令獨立于成組閉鎖信號，受成組不可用信號閉鎖。

手動操作命令在手動模式下，同時受優先自動啟停命令、成組閉鎖信號和成組不可用信號閉鎖。

優先自動命令獨立于手自動模式。當處于自動成組模式時，非優先自動命令輸出；當處于手動成組模式時，手動操作命令輸出。

控制指令在產生相反的控制指令或單個設備運行模式時將復位輸出。

2.3 成組配置控制

防城港3號機組成組配置控制功能原理如圖6所示。

圖6 防城港3號機組成組配置控制功能原理圖

防城港3號機組中對于冗余配置的執行機構，需要根據工況運行選擇不同的運行配置。此時，可以通過成組配置控制功能來實現冗余配置的投運和切換管理。

成組配置控制可以接收來自操作員的手動配置指令或自動指令，通過邏輯處理成組設備配置狀態、指令和相關的故障信息，然后發出成組設備控制指令。

當其他運行列配置故障且需切換本列設備時，觸發自動運行配置選擇命令。該命令選擇本列設備運行配置模式，獨立于閉鎖信號，受成組運行配置不可用信號閉鎖。

手動運行配置選擇命令受限于閉鎖信號和不可用信號。當閉鎖信號或不可用信號存在時，手動運行配置選擇命令無效。

當備用設備配置已恢復配置運行或本列配置信號不可用信號時，本列設備運行配置恢復復位。

當本列設備已配置為正常運行狀態，同時存在已選配置的成組啟動命令時，將產生正常運行列啟動命令。本列正常運行配置狀態消失或反向指令可將其復位。

本列成組配置發出運行命令，經過設置時間，仍未接收到相應的運行狀態反饋，則將產生成組配置運行超時信號。當成組配置運行指令仍存在時，其對應的運行反饋信號消失，則產生狀態偏差信號。當運行指令消失或對應反饋信號出現時，偏差信號消失；通過手動復位進行確認。

3 成組控制的HMI設計

3.1 成組模式控制

防城港3號機組的成組模式控制基于自主研發的FirmSys平臺，可以靈活地根據成組模式的需求，設置單個設備、手動、自動中的任意二者或三者的模式選擇。人機界面可以清晰地顯示模式操作按鈕和狀態顯示，同時向操作員提供邏輯觸發的模式命令狀態。防城港3號機組成組模式控制的人機界面如圖7所示。輔助操作員可根據該界面內容進行狀態判斷和操作[8-9]。

圖7 防城港3號機組成組模式控制的人機界面示意圖

3.2 成組控制指令

基于FirmSys平臺，防城港3號機組實現不僅實現了成組啟動、停止指令顯示，并且增加了成組啟動、停止反饋狀態以及成組可用等信息的顯示?？紤]到成組指令控制與成組模式的密切關系，兩種成組控制也可根據需要進行組合使用。

防城港3號機組成組指令控制的人機界面如圖8所示。

圖8 防城港3號機組成組指令控制的人機界面示意圖

3.3 成組配置控制

防城港3號機組參考臺山EPR機組成組配置的功能，對成組配置的實現進行了整合和優化?；贔irmSys平臺人機操作界面，最多可以實現四種運行配置的設定。防城港3號機組成組指令控制的人機界面如圖9所示。當每種配置條件不允許時，其操作按鈕處于閉鎖不可用狀態[10]，如圖9中的“D配置運行”。界面中可以實時顯示當前運行作用的配置方案，對所有配置方案的偏差設置統一的復位按鈕，以此來復位故障報警。

圖9 防城港3號機組成組指令控制的人機界面示意圖

4 結束語

防城港二期工程單個機組的現場設備近千個，完全依靠手動或自動的單個設備控制，不利于設備的定位，甚至會造成操作響應動作滯后。成組控制功能的應用不僅提高了操作效率保證了設備及時響應，而且降低了操作員的操作負擔。本文針對成組控制中典型的成組模式、成組指令和成組配置功能進行了初步分析，提出基于FirmSys平臺的實現方案。由于首次應用成組控制方案，仍有不足之處需經過后續的測試和調試繼續進行優化。該研究可為其他核電廠的成組控制提供借鑒。