基于FirmSys平台的核电厂成组控制研究及应用

孙月亮，左 新，孙洪涛，白 玮，王志嘉

(北京广利核系统工程有限公司，北京 100094)

0 引言

华龙一号(HPR1000)示范机组——防城港(FCG)核电二期工程采用了我国完全自主知识产权的三代百万千瓦级核电技术。相比中广核压水堆(CPR1000)——防城港一期工程，其现场执行机构的数量大为增加。为提高设备操作的自动化水平，实现方案之一就是对成组控制的应用。

基于国产化核级仪控平台(FirmSys)，防城港3号机组(简称unit3)设计了设备的成组操作方案，不仅注重功能的充分实现，而且兼顾了执行效率和操作负担的优化。

1 防城港设备控制

1.1 设备操作功能统计

在防城港二期工程单个机组中，基于核级仪控DCS控制的现场设备多达近千个，约为防城港一期工程的3倍。

其中，需要启动、停止操作和手自动模式切换的设备数量远大于一期工程，并且现场设备增加了单列内或跨列冗余配置。

基于核级仪控DCS，防城港一、二期工程单个机组控制设备情况设计如表1所示。

表1 防城港一、二期工程单个机组控制设备情况统计表(基于核级仪控DCS)

注：表1中统计数据均基于本文发稿前的数据统计

1.2 设备响应时间分析

防城港一期工程中，由于设备数量较少，设备控制采取的方式为单个设备控制模式[1]，其设备控制原理如图1所示。

防城港二期工程的所有设备均采取同样的控制方式。经分析计算：从操作员发出控制指令到DCS完成该控制指令输出，时间最长约为690 ms[2]。

图1 防城港一期工程单个设备控制原理图

对于需要同时投运或切换手、自动的设备组，如采用单个设备控制方式，执行完一组设备操作后，理论上至少需使用(690n)ms。这大大增加了操作员操作的负担，并延长了设备组的响应时间。

针对这种设备同时动作的情况，如考虑实施联锁设备控制方案。

防城港一期工程联锁设备控制原理如图2所示[3]。

图2 防城港一期工程联锁设备控制原理图

该方法虽然节省了操作步骤，但系统间的信号传递增加了设备组的响应时间。部分设备的响应时间遵循联锁动作的设备响应时间。

所有设备动作的响应时间为(690n1+960n2)ms，n1+n2=n。参考单个设备控制的模式以及借鉴联锁动作的原理，同时考虑降低响应时间和减少操作员的操作负担，提出从人机界面(human-machine interface,HMI)至现场设备控制的设备成组模式[4]。防城港一期工程设备成组控制原理如图3所示。根据设备响应时间理论分析可知，所有设备并行响应操作员的指令，DCS输出控制指令的时间等于单个设备控制命令的输出时间，同时又减少了操作员的操作数量。

图3 防城港一期工程设备成组控制原理图

2 防城港成组控制方案

本文针对防城港3号机组的执行机构的控制模式、成组指令控制、冗余执行机构的成组配置功能，进行详细分析。

2.1 成组模式控制

现场执行机构通常设置手动控制、自动控制模式。相对于单个设备控制模式，成组控制更能提高设备控制效率。成组模式控制则是用于对成组执行机构进行模式管理，接收来自操作员的成组控制模式选择的手动指令，同时可根据逻辑处理触发模式转换[5]。防城港3号机组成组模式控制功能原理如图4所示。

图4 防城港3号机组成组模式控制功能原理图

单个设备、手、自动运行模式的触发均可以通过DCS逻辑强制、人机界面操作两种方式生效。

在成组模式控制功能中，强制单个设备运行模式命令闭锁强制手、自动成组运行模式命令，具有最高优先级[6]。强制手动成组运行模式命令闭锁强制自动成组运行模式命令，优先级高于强制自动成组模式命令。

成组模式控制的强制命令优先级高于手动命令。当存在强制命令时，手动模式选择命令将被闭锁。对于手动指令之间无优先级，根据当前选择命令执行。

当设备存在强制或手动选择模式命令时，将对应输出已选的运行模式命令，同时复位原运行模式状态。三种运行模式的选择结果互相闭锁。

2.2 成组指令控制

在核电厂中，设备的启、停操作是指令操作的重要部分。成组指令控制就是用于成组模式下一系列设备的成组指令选择，并可以结合成组配置向执行机构发送控制指令。 防城港3号机组成组指令控制功能原理如图5所示。

图5 防城港3号机组成组指令控制功能原理图

考虑到现场执行机构的执行功能，以及不同工艺或设备之间的联锁关系[7]，成组指令控制除了接收来自操作员的手动成组控制指令以外，还要接收来自设备联锁关系的自动成组控制指令。

优先自动命令会闭锁所有手动操作命令，优先自动启(停)命令闭锁非优先自动停(启)命令，优先自动停命令的优先级高于优先自动启命令。非优先自动停命令需在自动模式下生效，并闭锁对应非优先自动启命令。

优先自动命令、非优先自动命令独立于成组闭锁信号，受成组不可用信号闭锁。

手动操作命令在手动模式下，同时受优先自动启停命令、成组闭锁信号和成组不可用信号闭锁。

优先自动命令独立于手自动模式。当处于自动成组模式时，非优先自动命令输出；当处于手动成组模式时，手动操作命令输出。

控制指令在产生相反的控制指令或单个设备运行模式时将复位输出。

2.3 成组配置控制

防城港3号机组成组配置控制功能原理如图6所示。

图6 防城港3号机组成组配置控制功能原理图

防城港3号机组中对于冗余配置的执行机构，需要根据工况运行选择不同的运行配置。此时，可以通过成组配置控制功能来实现冗余配置的投运和切换管理。

成组配置控制可以接收来自操作员的手动配置指令或自动指令，通过逻辑处理成组设备配置状态、指令和相关的故障信息，然后发出成组设备控制指令。

当其他运行列配置故障且需切换本列设备时，触发自动运行配置选择命令。该命令选择本列设备运行配置模式，独立于闭锁信号，受成组运行配置不可用信号闭锁。

手动运行配置选择命令受限于闭锁信号和不可用信号。当闭锁信号或不可用信号存在时，手动运行配置选择命令无效。

当备用设备配置已恢复配置运行或本列配置信号不可用信号时，本列设备运行配置恢复复位。

当本列设备已配置为正常运行状态，同时存在已选配置的成组启动命令时，将产生正常运行列启动命令。本列正常运行配置状态消失或反向指令可将其复位。

本列成组配置发出运行命令，经过设置时间，仍未接收到相应的运行状态反馈，则将产生成组配置运行超时信号。当成组配置运行指令仍存在时，其对应的运行反馈信号消失，则产生状态偏差信号。当运行指令消失或对应反馈信号出现时，偏差信号消失；通过手动复位进行确认。

3 成组控制的HMI设计

3.1 成组模式控制

防城港3号机组的成组模式控制基于自主研发的FirmSys平台，可以灵活地根据成组模式的需求，设置单个设备、手动、自动中的任意二者或三者的模式选择。人机界面可以清晰地显示模式操作按钮和状态显示，同时向操作员提供逻辑触发的模式命令状态。防城港3号机组成组模式控制的人机界面如图7所示。辅助操作员可根据该界面内容进行状态判断和操作[8-9]。

图7 防城港3号机组成组模式控制的人机界面示意图

3.2 成组控制指令

基于FirmSys平台，防城港3号机组实现不仅实现了成组启动、停止指令显示，并且增加了成组启动、停止反馈状态以及成组可用等信息的显示。考虑到成组指令控制与成组模式的密切关系，两种成组控制也可根据需要进行组合使用。

防城港3号机组成组指令控制的人机界面如图8所示。

图8 防城港3号机组成组指令控制的人机界面示意图

3.3 成组配置控制

防城港3号机组参考台山EPR机组成组配置的功能，对成组配置的实现进行了整合和优化。基于FirmSys平台人机操作界面，最多可以实现四种运行配置的设定。防城港3号机组成组指令控制的人机界面如图9所示。当每种配置条件不允许时，其操作按钮处于闭锁不可用状态[10]，如图9中的“D配置运行”。界面中可以实时显示当前运行作用的配置方案，对所有配置方案的偏差设置统一的复位按钮，以此来复位故障报警。

图9 防城港3号机组成组指令控制的人机界面示意图

4 结束语

防城港二期工程单个机组的现场设备近千个，完全依靠手动或自动的单个设备控制，不利于设备的定位，甚至会造成操作响应动作滞后。成组控制功能的应用不仅提高了操作效率保证了设备及时响应，而且降低了操作员的操作负担。本文针对成组控制中典型的成组模式、成组指令和成组配置功能进行了初步分析，提出基于FirmSys平台的实现方案。由于首次应用成组控制方案，仍有不足之处需经过后续的测试和调试继续进行优化。该研究可为其他核电厂的成组控制提供借鉴。