馮 威 羅 煒 俞 赟 葉 奇

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041）

優(yōu)先級(jí)控制模塊是核電廠安全級(jí)儀控平臺(tái)的一個(gè)重要組成部分，其主要功能是在對(duì)來(lái)自不同安全等級(jí)的自動(dòng)或手動(dòng)命令進(jìn)行優(yōu)先級(jí)處理后驅(qū)動(dòng)專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施及相關(guān)支持系統(tǒng)的泵、閥等設(shè)備。位于執(zhí)行端的驅(qū)動(dòng)裝置（如閥門(mén)，主泵電機(jī)等）需要根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的功能。驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可由多個(gè)系統(tǒng)給出，為了防止信號(hào)之間的沖突導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)裝置動(dòng)作出現(xiàn)異常，優(yōu)先級(jí)控制模塊需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷，確定驅(qū)動(dòng)裝置按照正確的信號(hào)執(zhí)行動(dòng)作。

本文針對(duì)目前核電領(lǐng)域主要應(yīng)用的安全級(jí)儀控平臺(tái)：Triconex、TXS 的優(yōu)先級(jí)控制模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了研究，并探討了優(yōu)先級(jí)控制模塊的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)思路。

1 應(yīng)用方案分析

1.1 TRICONEX

美國(guó)INVENSYS 公司的TRICONEX 平臺(tái)配置了優(yōu)先級(jí)控制模塊PLM(Priority Logic Module)，它基于FPGA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)選功能。PLM 接收1E 級(jí)與非安全級(jí)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)命令，并根據(jù)優(yōu)先級(jí)高低選擇輸出驅(qū)動(dòng)命令，控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。該平臺(tái)在福清、方家山核電項(xiàng)目中已得到應(yīng)用。

PLM 的硬件主體為一個(gè)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）。

輸入：

●四對(duì)輸入信號(hào)（每對(duì)信號(hào)分為A、B 兩路輸入）。

●24V 直流電壓。

輸出：

●一對(duì)開(kāi)關(guān)量輸出（每對(duì)信號(hào)分為A、B 兩路輸出）。

●一對(duì)開(kāi)關(guān)量測(cè)試輸出（每對(duì)信號(hào)分為A、B 兩路輸出）。

圖1 PLM 模塊接口簡(jiǎn)圖

圖1 為PLM 模塊的接口簡(jiǎn)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(gè)（安全級(jí)自動(dòng)控制命令、安全級(jí)手動(dòng)控制命令、多樣化保護(hù)系統(tǒng)（DAS）和ATWT 系統(tǒng)命令、非安全級(jí)控制命令），每個(gè)輸入源都分為兩路輸入（A 組與B 組），A 組信號(hào)用于關(guān)閉（閥門(mén)）或者停止（電機(jī)），B 組信號(hào)用于打開(kāi)（閥門(mén)）或者啟動(dòng)（電機(jī)）。其中DAS、ATWT 系統(tǒng)及非安全級(jí)系統(tǒng)送入PLM 模塊的信號(hào)需要進(jìn)行隔離，確保其不會(huì)影響安全級(jí)設(shè)備的信號(hào)。PLM 模塊共配置5 路輸出，其中OUT-A、OUT-B 為驅(qū)動(dòng)輸出端口；TEST OUT-A、TEST OUT-B作為試驗(yàn)反饋信號(hào)，送給安全級(jí)系統(tǒng)。

PLM 優(yōu)先級(jí)的高低為：1A/1B>2A/2B>3A/3B>4A/4B，且在同一通道內(nèi)，A 組信號(hào)的優(yōu)先級(jí)大于B 組。TEST 端口則用于定期試驗(yàn)時(shí)判斷輸出信號(hào)的狀態(tài)。各輸入輸出的邏輯關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 PLM 優(yōu)先級(jí)邏輯關(guān)系表

PLM 的輸入還包括兩個(gè)試驗(yàn)使能信號(hào)，一個(gè)由就地開(kāi)關(guān)控制，一個(gè)由上游安全級(jí)DCS 控制。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)均置于有效位置時(shí)則進(jìn)入試驗(yàn)?zāi)Ｊ?。兩個(gè)信號(hào)分別為：Test Enable2、Test Enable1。當(dāng)PLM 進(jìn)入試驗(yàn)?zāi)Ｊ胶螅?A/1B/2A/2B/3A/3B 信號(hào)產(chǎn)生的輸出命令被閉鎖，TEST 端口將試驗(yàn)反饋信號(hào)送回上游系統(tǒng)以判斷試驗(yàn)結(jié)果。4A/4B 信號(hào)則不受閉鎖的影響，可正常驅(qū)動(dòng)下游設(shè)備。

1.2 TELEPERM XS

德國(guó)西門(mén)子公司的TXS 平臺(tái)由AV42 模塊執(zhí)行優(yōu)先級(jí)控制功能。該平臺(tái)已在田灣、嶺澳核電項(xiàng)目中得到應(yīng)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(dòng)指令的優(yōu)選與輸出、采集現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)器的反饋信息、執(zhí)行定期試驗(yàn)等功能。Processor 包括微處理器、PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)控制器及內(nèi)存等，主要負(fù)責(zé)傳輸非安全級(jí)系統(tǒng)控制命令、PROFIBUS 通訊控制、驅(qū)動(dòng)器及優(yōu)選模塊狀態(tài)反饋、自診斷等功能。

圖2 PLD與processor功能圖

AV42 模塊包括面板上的開(kāi)關(guān)信號(hào)，通過(guò)硬接線連接的從安全級(jí)系統(tǒng)來(lái)的自動(dòng)信號(hào)和手動(dòng)信號(hào)，通過(guò)總線連接的非安全級(jí)系統(tǒng)來(lái)的自動(dòng)信號(hào)和手動(dòng)信號(hào)等，優(yōu)先級(jí)從高到低分為以下幾類(lèi)：

1）面板上的就地開(kāi)關(guān)信號(hào)接口，用于開(kāi)、關(guān)、診斷三種功能。其中關(guān)信號(hào)優(yōu)先級(jí)最高，診斷信號(hào)優(yōu)先級(jí)最低。面板上的開(kāi)關(guān)信號(hào)具有最高的優(yōu)先級(jí)，即使在自動(dòng)控制系統(tǒng)失效的情況下也可以對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行就地控制。

2）安全級(jí)系統(tǒng)信號(hào)接口，為第二優(yōu)先級(jí)。該信號(hào)又劃分為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別，級(jí)別1 高于級(jí)別2。

3）控制室信號(hào)接口，接收來(lái)自?xún)蓚€(gè)控制室的信號(hào)。

4）來(lái)自非安全級(jí)系統(tǒng)的信號(hào)接口，通過(guò)通訊總線連接，優(yōu)先級(jí)最低。

對(duì)于每個(gè)信號(hào)源而言，其內(nèi)部命令還具有優(yōu)先級(jí)。

●面板開(kāi)關(guān)命令：關(guān)閉＞打開(kāi)＞診斷/停止；

●安全級(jí)設(shè)備命令：1# 關(guān)閉＞1# 打開(kāi)＞2# 關(guān)閉＞2# 打開(kāi)；

●控制室命令：關(guān)閉＞打開(kāi)＞停止；

●非安全級(jí)設(shè)備：打開(kāi)、關(guān)閉、停止、附加按鍵開(kāi)關(guān)控制。

AV42 模塊送給驅(qū)動(dòng)設(shè)備的信號(hào)為三個(gè)：CMDOFF（關(guān)閉信號(hào)）、CMDON（開(kāi)信號(hào)）、CONTROL（Check command）阻塞信號(hào)，即此輸出為高時(shí)，OFF、ON 無(wú)效；為低時(shí)，OFF、ON 有效。

AV42 模塊還設(shè)置了控制室切換控制端口。根據(jù)輸入信號(hào)的狀態(tài)，優(yōu)選模塊可對(duì)來(lái)自控制室的命令進(jìn)行使能控制，達(dá)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(mén)狗電路，可以檢測(cè)微處理器的循環(huán)操作和PLD 的基本功能?？撮T(mén)狗發(fā)現(xiàn)故障將使微處理器復(fù)位。

●低電壓監(jiān)測(cè)電路。當(dāng)供給模塊的電壓低于定值時(shí)，低壓監(jiān)視電路將會(huì)把驅(qū)動(dòng)電路輸出置為0。

●開(kāi)路和短路監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)開(kāi)路、短路、超載時(shí)，PLD 可將狀態(tài)信號(hào)反饋給微處理器。

2 國(guó)產(chǎn)化研發(fā)思路

優(yōu)先級(jí)控制模塊作為安全級(jí)儀控平臺(tái)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(jí)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)優(yōu)先級(jí)判斷、輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)、采集驅(qū)動(dòng)設(shè)備狀態(tài)信息等功能，同時(shí)需滿足高可靠性及響應(yīng)時(shí)間要求。

通過(guò)上述國(guó)外供貨商采用的設(shè)計(jì)方案可以看出，兩大平臺(tái)都是基于FPGA 或者CPLD 技術(shù)，不采用軟件直接用“與、或”門(mén)搭建功能。FPGA 技術(shù)既提供了高效的邏輯處理能力，同時(shí)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(jí)設(shè)備，但其接收的信號(hào)也包括非安全級(jí)部分，應(yīng)進(jìn)行不同安全級(jí)信號(hào)的隔離，以保證故障不會(huì)從低安全級(jí)系統(tǒng)向高安全級(jí)系統(tǒng)蔓延。隔離功能可考慮在優(yōu)選模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)，也可設(shè)置單獨(dú)的隔離機(jī)柜。

安全級(jí)優(yōu)選模塊輸入信號(hào)與整個(gè)系統(tǒng)所需功能密切相關(guān)，一般包括就地控制命令、專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全級(jí)自動(dòng)控制命令、緊急控制盤(pán)（ECP）的手動(dòng)控制命令、后備盤(pán)（BUP）的手動(dòng)控制命令、DAS系統(tǒng)的非安全級(jí)自動(dòng)控制命令、控制系統(tǒng)的非安全級(jí)自動(dòng)控制信號(hào)等。

Tricon 平臺(tái)的優(yōu)選模塊邏輯簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)；而TXS 平臺(tái)則引入了更多的輸入信號(hào)，PLD 根據(jù)條件判定同類(lèi)信號(hào)的優(yōu)先級(jí)。TXS 平臺(tái)的優(yōu)選模塊可回讀驅(qū)動(dòng)設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)，并結(jié)合信號(hào)優(yōu)先級(jí)控制設(shè)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(dòng)信號(hào)反饋回上級(jí)設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)設(shè)備的狀態(tài)由其他系統(tǒng)進(jìn)行采集。

上述兩種平臺(tái)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(jí)管理和驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能。優(yōu)選模塊的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)可以借鑒其成熟經(jīng)驗(yàn)，在保證基本功能的前提下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加設(shè)備的可用性與擴(kuò)展性。

除此之外，優(yōu)選模塊還應(yīng)具備故障監(jiān)測(cè)能力，既要對(duì)模塊內(nèi)部進(jìn)行自診斷，還需對(duì)輸入輸出回路進(jìn)行監(jiān)測(cè)。模塊自診斷不應(yīng)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(jí)系統(tǒng)定期試驗(yàn)，優(yōu)先級(jí)控制模塊需設(shè)置閉鎖功能。當(dāng)電廠運(yùn)行時(shí)，部分現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)器受工況的限制不能真實(shí)驅(qū)動(dòng)。優(yōu)選模塊通過(guò)閉鎖輸出且反饋驅(qū)動(dòng)信號(hào)的方式，配合系統(tǒng)完成定期試驗(yàn)。

3 總結(jié)

優(yōu)先級(jí)控制模塊是安全級(jí)儀控平臺(tái)的重要組成部分，其性能直接影響電廠運(yùn)行的安全。優(yōu)選模塊設(shè)計(jì)應(yīng)確保系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，同時(shí)在不影響可靠性的情況下優(yōu)化設(shè)計(jì)，為運(yùn)行維護(hù)提供便利。

［1］IEEE Std 338.IEEE Standard Criteria for the Periodic Surveillance Testing of Nuclear Power Generating Station Safety Systems[S].2006.

［2］IEEE 603.IEEE Standard Criteria for Safety Systems for Nuclear Power Generating Stations [S].1998.

［3］IEEE 7-4.3.2.IEEE Standard Criteria for Digital Computers in Safety Systems of Nuclear Power Generating Stations [S].2003.