核電站數(shù)字化控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)邏輯設(shè)計(jì)優(yōu)化
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劉宇穗
(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510663)
摘 要； 傳統(tǒng)統(tǒng)面向繼電器硬接線的驅(qū)動(dòng)級(jí)控制邏輯設(shè)計(jì)方法已無(wú)法滿足、當(dāng)前核電站數(shù)字化控制的需求。針對(duì)系統(tǒng)的特征，研究控制邏輯優(yōu)化設(shè)汁的技術(shù)路線及優(yōu)化流程．并以全開(kāi)全關(guān)電動(dòng)門(mén)驅(qū)動(dòng)控制邏輯為例，闡述了核電站控制邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程及優(yōu)化要點(diǎn)．并將此優(yōu)化沒(méi)計(jì)方法應(yīng)用到嶺澳二期工程及其他核電站常規(guī)島 ,及BOP控制邏輯沒(méi)計(jì)中，形成驅(qū)動(dòng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)模件化，取消部分繼電器，簡(jiǎn)化了邏輯電路，減少差錯(cuò)率， 保證了參數(shù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高機(jī)組的安全和可靠性，帶來(lái)較高的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：核電站，邏輯標(biāo)準(zhǔn)化；安全性：可靠性：經(jīng)濟(jì)效益。
中圖分類(lèi)號(hào)：TM623 DOI：10.11930/j.issn.1004-9649.2016.06.025.05
0引言
中國(guó)當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)不合理，主要依賴火電．帶來(lái)環(huán)境污染嚴(yán)重，鐵路運(yùn)力緊張等一系列問(wèn)題。核電清潔、環(huán)保，但目前僅占全國(guó)總發(fā)電量的1.8%：適當(dāng)發(fā)展核電是解決中國(guó)能源結(jié)構(gòu)不合理問(wèn)題的必然出路之一。2010年中國(guó)制定了《新興能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出到2020年核電裝機(jī)容量將由原來(lái)的4 000萬(wàn)kW提高到7 000萬(wàn)kW。安全高效地利用核能是保障核電高速發(fā)展的前提。
隨著技術(shù)發(fā)展，核電站的控制方式也發(fā)生了變化。早期投產(chǎn)的核電站．其驅(qū)動(dòng)級(jí)設(shè)備控制均采用繼電器硬接線或DCS+繼電器方式。目前，核電站逐步采用DCS來(lái)實(shí)現(xiàn)整套電站的監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)；DCS的應(yīng)用及工程適應(yīng)性問(wèn)題獲得了廣泛的研究。安全性是核電站控制系統(tǒng)的首要指標(biāo)，對(duì)采用DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆保護(hù)功能多樣性和多樣化進(jìn)行了研究。獨(dú)立性是保證多重性和多樣性的前提，討論了核電站DCS設(shè)計(jì)的獨(dú)立性問(wèn)題。研究了核電站數(shù)字化控制系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)方法�？刂品绞降母淖兺瑫r(shí)也對(duì)核電站控制邏輯的設(shè)計(jì)方法提出了新的要求。非常有必要針對(duì)核電站數(shù)字化控制的特征對(duì)控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
作者根據(jù)嶺澳二期及后續(xù)核電站控制邏輯設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，闡述了核電站控制邏輯的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。工程實(shí)踐表明本文提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能有效提高設(shè)計(jì)效率、增加圖紙的可讀性，確保控制邏輯的可靠性，同時(shí)，形成驅(qū)動(dòng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)模件化，取消繼電器，簡(jiǎn)化了邏輯電路，減少差錯(cuò)率，保證了參數(shù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高機(jī)組的安全和可靠性、帶來(lái)較高的經(jīng)濟(jì)效益。
1 控制邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性
隨著控制技術(shù)的發(fā)展，核電站控制方式正逐步從常規(guī)控制向全數(shù)字化控制過(guò)渡：控制邏輯設(shè)計(jì)方法也相應(yīng)發(fā)生了變化。表1對(duì)比了深圳大亞灣核電站常規(guī)島部分、深圳嶺澳核電站一期工程、廣東沙角電廠二期工程以及國(guó)內(nèi)近年來(lái)投產(chǎn)的超臨界火力發(fā)電機(jī)組等項(xiàng)目的控制方式及其控制邏輯設(shè)計(jì)方法。可見(jiàn)，數(shù)字化分布式控制系統(tǒng)在火電工程中應(yīng)用較深入、成熟，并逐步推廣到核電站�？刂品绞降母淖儽厝粫�(huì)影響到電站控制邏輯圖紙的設(shè)計(jì)方法。
核電嶺澳一期項(xiàng)曰（嶺澳一期）部分控制邏輯采用P320控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，部分采用繼電器搭建而成。邏輯圖設(shè)計(jì)沒(méi)有采用驅(qū)動(dòng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)邏輯模塊，而采用由分散元件連接起來(lái)的明細(xì)表示法。該方法符合繼電器控制邏輯的設(shè)計(jì)需求，方便施工、調(diào)試。嶺澳二期核電技術(shù)是在嶺澳一期的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。為了工程的安全、可靠，加快核電工程建設(shè)，嶺澳二期儀表及控制系統(tǒng)參照嶺澳一期．其儀表控制系統(tǒng)的功能、邏輯、整定值等基本保持不變。在控制系統(tǒng)方面，嶺澳核電二期全站范圍內(nèi)使用DCS,采用Teleperm XS（簡(jiǎn)稱TXS）系統(tǒng)和Teleperm XP（簡(jiǎn)稱TXP）系統(tǒng)完成整個(gè)核電站的主要監(jiān)控和自動(dòng)處理功能。從控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度看，嶺澳二期控制邏輯采用DCS完成，原來(lái)由繼電器完成的功能都改由計(jì)算機(jī)軟件完成。這部分設(shè)計(jì)工作不需要細(xì)化，僅需要考慮DCS與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接口問(wèn)題�？梢�(jiàn)，嶺澳二期采用數(shù)字化DCS作為其控制系統(tǒng)，必然帶來(lái)邏輯設(shè)計(jì)的變化。
早期核電站的驅(qū)動(dòng)級(jí)設(shè)備采用繼電器（或DCS+繼電器）實(shí)現(xiàn)，且驅(qū)動(dòng)級(jí)設(shè)備控制邏輯圖采用非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)級(jí)模塊內(nèi)外的邏輯關(guān)系不清晰，容易出錯(cuò)，控制邏輯不分層，有誤操作隱患。另外．DCS已經(jīng)在大型火力發(fā)電廠中獲得了成功應(yīng)用：其驅(qū)動(dòng)級(jí)設(shè)備控制邏輯圖的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法在工程實(shí)踐中已經(jīng)獲得了充分驗(yàn)證�？梢�(jiàn)，借鑒常規(guī)火電廠的邏輯圖標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法來(lái)對(duì)數(shù)字化核電站控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化是一條有效的途徑，能減少重復(fù)性工作，降低出錯(cuò)率，提高設(shè)計(jì)效率。
2控制邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
本文旨在借鑒火電機(jī)組相對(duì)先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念對(duì)核電站控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出核電站常規(guī)島及BOP部分驅(qū)動(dòng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)邏輯模塊，并將優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)邏輯模塊應(yīng)用于核電站常規(guī)島及BOP部分邏輯圖設(shè)計(jì)。
目前在常規(guī)火電廠設(shè)計(jì)中，國(guó)內(nèi)雖已經(jīng)形成成熟的驅(qū)動(dòng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)邏輯塊，不能簡(jiǎn)單地將常規(guī)火電廠的驅(qū)動(dòng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)模塊套用于核電工程；因?yàn)楹穗娫O(shè)計(jì)的安全性要求高于常規(guī)火電廠。保證驅(qū)動(dòng)級(jí)設(shè)備的安全運(yùn)行是核電站驅(qū)動(dòng)級(jí)模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。然而，國(guó)內(nèi)至今還沒(méi)有核電站常規(guī)島控制邏輯設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在制定驅(qū)動(dòng)級(jí)模塊設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程中缺乏標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)。調(diào)研表明，核電站常規(guī)島及BOP部分與常規(guī)火電廠基本相同，系統(tǒng)運(yùn)行操作模式也類(lèi)似，故可以借鑒常規(guī)火電廠的設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)范。
為了將常規(guī)火電廠控制邏輯的設(shè)計(jì)方法成功地借鑒到核電站，必須建立一套行之有效的方法。作者在對(duì)嶺澳二期控制邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，探索出了如下技術(shù)路線：(1)針對(duì)嶺澳一期的設(shè)計(jì)方法．分析研究其驅(qū)動(dòng)級(jí)邏輯圖，確定出驅(qū)動(dòng)級(jí)模塊內(nèi)部、外部功能的界線。(2)針對(duì)參考工程所實(shí)現(xiàn)的功能．結(jié)合常規(guī)火電廠標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)真對(duì)比參考工程的控制要求，并根據(jù)嶺澳二期控制邏輯的變化情況以及業(yè)主的要求，歸納出嶺澳二期邏輯圖的設(shè)計(jì)原則。(3)根據(jù)核電設(shè)計(jì)要求，對(duì)常規(guī)電廠的驅(qū)動(dòng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行修改、完善，形成符合核電設(shè)計(jì)要求的驅(qū)動(dòng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)邏輯模塊。
根據(jù)調(diào)研和技術(shù)分析結(jié)果，制定設(shè)計(jì)核電站常規(guī)島及BOP部分驅(qū)動(dòng)級(jí)邏輯標(biāo)準(zhǔn)模塊的工作流程，如圖1所示。
3實(shí)例分析
以核電站的典型驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)——全開(kāi)全關(guān)電動(dòng)門(mén)控制邏輯優(yōu)化為例具體闡述控制邏輯優(yōu)化問(wèn)題。
圖2所示為嶺澳一期全開(kāi)全關(guān)電動(dòng)門(mén)的完整邏輯圖．描述了電動(dòng)門(mén)的監(jiān)控、連鎖、保護(hù)關(guān)系。圖2虛線框內(nèi)為由DCS實(shí)現(xiàn)的部分，虛線框外為就地實(shí)現(xiàn)部分，包括就地繼電器搭接部分和就地執(zhí)行器的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)部分。DCS與就地實(shí)現(xiàn)部分共有3個(gè)接口信號(hào)：2個(gè)DO（OD開(kāi)指令，CD關(guān)指令）和一個(gè)DI（CP關(guān)到位反饋）。由圖2還可以看出．嶺澳一期電動(dòng)門(mén)驅(qū)動(dòng)邏輯圖將驅(qū)動(dòng)級(jí)的DCS實(shí)現(xiàn)部分和就地實(shí)現(xiàn)部分合到一張圖上表達(dá)．界限不明，且表述不清。嶺澳二期儀表和控制系統(tǒng)較嶺澳一期在硬件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上有很大改進(jìn)，采用了成熟且相對(duì)先進(jìn)的DCS。故必須對(duì)控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)控制系統(tǒng)特征。按照以上所述控制邏輯優(yōu)化的技術(shù)路線。作者歸納了嶺澳二期邏輯優(yōu)化的原則：
(1)一期已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的功能在嶺澳二期中全部保留，在P320中實(shí)現(xiàn)的部分由DCS完成．就地執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制仍由就地執(zhí)行機(jī)構(gòu)邏輯實(shí)現(xiàn)．即OD、CD、CP信號(hào)全保留，且其產(chǎn)生邏輯條件不變，繼電器由軟件代替：(2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)本體上的按鈕AC0004CC和AC0005CC功能不變；(3)就地繼電器實(shí)現(xiàn)的功能盡量用DCS實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)嶺澳二期工程的實(shí)際情況以及業(yè)主的要求，為了充分利用DCS功能，提供更豐富的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)反饋，完善執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制功能，在集控室內(nèi)設(shè)置了手動(dòng)操作手段，并設(shè)置手動(dòng)／自動(dòng)切換操作，保證操作互不干擾。控制邏輯實(shí)現(xiàn)了控制分層，設(shè)手動(dòng)／自動(dòng)／保護(hù)控制方式，且“保護(hù)”方式優(yōu)先，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。
在充分消化吸收常規(guī)火電廠全開(kāi)全關(guān)電動(dòng)門(mén)驅(qū)動(dòng)級(jí)邏輯模塊基礎(chǔ)上，對(duì)嶺澳一期的控制邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了滿足核電設(shè)計(jì)要求的驅(qū)動(dòng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)模塊。其全開(kāi)全關(guān)電動(dòng)門(mén)驅(qū)動(dòng)級(jí)邏輯模塊的外部邏輯如圖3所示，內(nèi)部邏輯關(guān)系如圖4所示。
與常規(guī)電廠控制邏輯模塊相比，本文設(shè)計(jì)的控制邏輯具有更加適合核電站的特征，主要體現(xiàn)在：(1)增加了保護(hù)開(kāi)指令對(duì)自動(dòng)關(guān)、手動(dòng)關(guān)的閉鎖功能，如圖4中云狀圖“A”所示；(2)增加了開(kāi)過(guò)程與關(guān)過(guò)程的狀態(tài)信號(hào)，如云狀圖“B”所不；(3)增加了對(duì)開(kāi)故障狀態(tài)和關(guān)故障狀態(tài)的判斷，如云狀圖“C”所示；(4)增加了雙零和雙一故障判斷信號(hào)，如云狀圖“D”所示。通過(guò)以上優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步確保了控制邏輯的可靠性．更適合核電站應(yīng)用需求。
對(duì)圖3和f4進(jìn)行綜合分析，可知通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)級(jí)邏輯模塊提供了更加豐富的功能．增加了控制邏輯設(shè)計(jì)的靈活性。功能包括：(1)提供了集控室內(nèi)手動(dòng)操作和手動(dòng)／自動(dòng)切換操作，保證操作互不干擾：(2)控制分層，設(shè)手動(dòng)／自動(dòng)／保護(hù)控制方式，“保護(hù)”信號(hào)優(yōu)先，保證設(shè)備安全運(yùn)行；(3)提供更加豐富的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)反饋，如：全開(kāi)位置／全關(guān)位置、開(kāi)過(guò)程／關(guān)過(guò)程、開(kāi)故障／關(guān)故障、執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障、雙零故障、雙一故障、綜合故障、遠(yuǎn)控狀態(tài)等供控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用。
從以上全開(kāi)全關(guān)電動(dòng)門(mén)控制邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)范例可看出，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可獲得標(biāo)準(zhǔn)化程度高、控制界面清晰、便于閱讀理解的核電站驅(qū)動(dòng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)邏輯模塊。此設(shè)計(jì)方法可簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)級(jí)控制邏輯設(shè)計(jì)，取消相關(guān)的邏輯繼電器，在驅(qū)動(dòng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)邏輯模塊中采用控制分層策略，操作層次清晰，能有效防止誤操作，提高沒(méi)備運(yùn)行的安全性。
作者將本文提出的控制邏輯優(yōu)化方法應(yīng)用到嶺澳二期的核電站常規(guī)島邏輯圖設(shè)計(jì)項(xiàng)目；并對(duì)設(shè)計(jì)效率進(jìn)行了統(tǒng)汁，如表2所示。
采用優(yōu)化后的標(biāo)準(zhǔn)邏輯模塊能提高工作效率．提高安全和可靠性，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，所需設(shè)計(jì)、安裝用時(shí)比優(yōu)化前節(jié)省大于40%，表中所示系統(tǒng)節(jié)省繼電器上千個(gè)，整個(gè)機(jī)組節(jié)省數(shù)萬(wàn)個(gè)．節(jié)省相關(guān)連線材料若干。后期控制系統(tǒng)調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)情況進(jìn)一步證實(shí)了本文提出的控制邏輯優(yōu)化沒(méi)計(jì)方法的優(yōu)越性，從核電數(shù)十臺(tái)機(jī)組推廣情況來(lái)看：提高控制系統(tǒng)連鎖、保護(hù)的安全和可靠率40%，接口簡(jiǎn)單、更標(biāo)準(zhǔn)化，減少差錯(cuò)率30%。
4結(jié)語(yǔ)
隨著數(shù)字化控制系統(tǒng)在核電站中應(yīng)用的進(jìn)一步深入，其驅(qū)動(dòng)級(jí)控制邏輯也需要隨之發(fā)生相應(yīng)變化。為了適應(yīng)核電站數(shù)字化控制系統(tǒng)要求，作者通過(guò)調(diào)研、總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)、對(duì)比參照工程方案．提出了一套驅(qū)動(dòng)級(jí)控制邏輯的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和步驟，并將該方法應(yīng)用到嶺澳二期工程，工程應(yīng)用表明本文提出的控制邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能有效解決工程中重復(fù)出圖、效率低、差錯(cuò)率高等問(wèn)題。
