郭林林,朱存平,傅卓人,歐漢青

(1.深圳東方鍋爐控制有限公司成都分公司，四川 成都 610000；2.深圳東方鍋爐控制有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

福島核事故后，核電廠在地震條件下的安全性引起了廣泛的關(guān)注[1-2]。全廠失電(station black out，SBO)后備柴油發(fā)電機(jī)是福島核電廠事故后，核電廠增設(shè)的一種后備供電設(shè)備[3]，主要應(yīng)用于核電廠發(fā)生失去主發(fā)電機(jī)和廠外電源事件時(shí)，向核電廠永久非安全有關(guān)負(fù)荷提供交流電源。SBO后備柴油發(fā)電機(jī)作為極端事故下核電廠安全停堆的最后一道屏障，其地位極其重要。

以某核電廠后備柴油發(fā)電機(jī)為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)了以西門(mén)子S7-400H可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)為核心的中央處理器(central processing unit，CPU)硬件冗余控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有編程方便、易于使用、維護(hù)和擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)。在滿(mǎn)足柴油發(fā)電機(jī)日常運(yùn)行邏輯功能的前提下，該控制系統(tǒng)還具有如下特點(diǎn)：①抗震性能優(yōu)，通過(guò)了RCC-E K3期規(guī)定的抗震鑒定試驗(yàn)，并在試驗(yàn)的前、中、后期均滿(mǎn)足功能的完整性[4]； ②在不增加其他硬件設(shè)備的前提下，控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)事件順序記錄(sequence of event，SOE)功能1 ms的精度；③后備柴油發(fā)電機(jī)電壓建立過(guò)程曲線和轉(zhuǎn)速變化曲線，采樣周期不大于50 ms；④應(yīng)急停機(jī)有軟件、硬件兩種實(shí)現(xiàn)方式。

1 工藝流程及概述

1.1 潤(rùn)滑油系統(tǒng)

備用狀態(tài)時(shí)，潤(rùn)滑油預(yù)供泵取油底殼潤(rùn)滑油，送到潤(rùn)滑油熱交換器加熱，經(jīng)止回閥進(jìn)入主油路；然后，經(jīng)溫控閥送入柴油機(jī)進(jìn)行潤(rùn)滑，使柴油機(jī)保持良好的備用狀態(tài)，可以快速啟動(dòng)。運(yùn)行時(shí)，當(dāng)柴油機(jī)本體潤(rùn)滑油壓力小于設(shè)定下限壓力時(shí)，預(yù)供滑油泵自動(dòng)啟動(dòng)；當(dāng)壓力繼續(xù)下降到壓力低低，滿(mǎn)足3取2邏輯時(shí)，禁止柴油機(jī)啟動(dòng)。

1.2 啟動(dòng)空氣系統(tǒng)

啟動(dòng)空氣系統(tǒng)提供柴油機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)用氣源。在啟動(dòng)工況下，用壓縮空氣沖轉(zhuǎn)柴油機(jī)以及提供調(diào)速器控制用氣，直至完成點(diǎn)火啟動(dòng)；在停機(jī)時(shí)，提供控制氣源；在超速時(shí)，提供吹掃氣源；在待機(jī)時(shí)，充注壓縮空氣主儲(chǔ)氣瓶，維持其備用時(shí)的正常壓力。

1.3 燃油系統(tǒng)

燃油系統(tǒng)的作用是：①在柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，為柴油機(jī)提供穩(wěn)定可靠的燃油；②冷卻回流燃油；③收集從柴油機(jī)泄漏出的柴油，進(jìn)行再利用；④保持燃油的流動(dòng)性和清潔度。

1.4 高/低溫水系統(tǒng)

每臺(tái)柴油機(jī)包括兩個(gè)獨(dú)立的封閉冷卻水系統(tǒng)：一是缸套水冷卻系統(tǒng)，即高溫水系統(tǒng)；二是空冷器/潤(rùn)滑油及柴油回油冷卻系統(tǒng)，即低溫水系統(tǒng)。當(dāng)柴油機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的功能是帶走柴油機(jī)、潤(rùn)滑油等的熱量；當(dāng)柴油機(jī)處于備用狀態(tài)時(shí)，保證機(jī)組處于暖機(jī)狀態(tài)，確保柴油機(jī)順利啟動(dòng)。

2 后備柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

后備柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)采用西門(mén)子PCS7 過(guò)程控制系統(tǒng)。西門(mén)子 PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)是一種分布式控制系統(tǒng)，它采用了局域網(wǎng)技術(shù)、PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)[5]。該控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸入信號(hào)采集的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)SOE功能，從而大量減少系統(tǒng)的硬件配置。對(duì)于部分模擬量數(shù)據(jù)，其可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速歸檔。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝要求，本系統(tǒng)采用西門(mén)子AS410-H 系列硬件冗余PLC作為主控制器。兩臺(tái)CPU之間采用冗余光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)冗余傳輸。當(dāng)某一臺(tái)CPU出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)、無(wú)擾動(dòng)地切換到另一臺(tái)CPU，系統(tǒng)運(yùn)行不受任何影響[6]。 經(jīng)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)中共有模擬量信號(hào)約55個(gè)，數(shù)字量輸入信號(hào)約151個(gè)，數(shù)字量輸出信號(hào)約72個(gè)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)2臺(tái)控制柜，分別命名為控制柜1和控制柜2。其中：硬件冗余CPU、工控機(jī)，顯示器，交換機(jī)、電源模塊、ET200M機(jī)架1、2、3安裝在控制柜1中，ET200M機(jī)架4、5安裝在控制柜2中。2臺(tái)控制柜通過(guò)PROFIBUS-DP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其中：1號(hào)ET200M機(jī)架上全部排布數(shù)字量輸入模塊，需要SOE功能的信號(hào)全部設(shè)計(jì)在1號(hào)機(jī)架的模塊上?？刂葡到y(tǒng)PLC網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)PLC網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在工廠單元發(fā)生故障的同時(shí)，監(jiān)視站將收到大量消息，可在事后以毫秒級(jí)的時(shí)間單位追溯可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)的原因。SOE功能通過(guò)功能塊Pcs7DiIT與功能塊EventTs配合實(shí)現(xiàn)。其中，功能塊Pcs7DiIT中參數(shù)TimeStam需設(shè)置為1，表示時(shí)間戳來(lái)自機(jī)架。如果將功能塊中參數(shù)TimeStam設(shè)置為0，則表示時(shí)間戳來(lái)自CPU，其時(shí)間精度將無(wú)法保證為1 ms。數(shù)字量輸入信號(hào)連入功能塊Pcs7DiIT的輸入端PV_In，功能塊Pcs7DiIT的輸出端TS_Out連入功能塊EventTs的InTS1端。每個(gè)EventTs功能塊均可接入8個(gè)數(shù)字量輸入模塊。

控制系統(tǒng)采用RawData歸檔數(shù)據(jù)連接的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)S7-400 PLC 的高速數(shù)據(jù)采集。PLC將每個(gè)循環(huán)周期所采集的過(guò)程值(或PLC以其他方式得到的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)包)以一定的順序存放在具有一定格式的數(shù)據(jù)塊(data block，DB)塊中。當(dāng)達(dá)到一定的數(shù)量后，PLC可以調(diào)用系統(tǒng)功能塊SFB37，將這個(gè)DB塊主動(dòng)地發(fā)送給WinCC；然后，WinCC會(huì)在后臺(tái)自動(dòng)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)化的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)來(lái)拆解數(shù)據(jù)，并將其按時(shí)間順序保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。在WinCC的過(guò)程畫(huà)面中，可以使用在線趨勢(shì)控件或在線表格控件來(lái)查看所采集的數(shù)據(jù)。

構(gòu)建全程網(wǎng)格化監(jiān)管、食品藥品可追溯、技術(shù)支撐、社會(huì)共治“四個(gè)體系”。昆明市局率先在全省構(gòu)建了市縣食品藥品稽查體系，以政府購(gòu)買(mǎi)服務(wù)方式，配備工作人員4600多名，形成市縣鄉(xiāng)三級(jí)監(jiān)管機(jī)構(gòu)、市縣鄉(xiāng)村四級(jí)監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)。建立了生產(chǎn)管理、入市備案、進(jìn)銷(xiāo)記錄等制度，加強(qiáng)初始管控，構(gòu)建系統(tǒng)的溯源鏈條。此外，還建立了以市級(jí)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)為核心、縣級(jí)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)為支撐、鄉(xiāng)和市場(chǎng)快檢室為基礎(chǔ)的檢測(cè)體系。開(kāi)展立體式宣傳，連續(xù)13年組織家庭小藥箱清理暨用藥安全宣傳月活動(dòng)。

3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵性能的實(shí)現(xiàn)

3.1 抗震功能

根據(jù)核電廠設(shè)計(jì)要求，控制系統(tǒng)需滿(mǎn)足“1E級(jí)電氣設(shè)備抗震鑒定試驗(yàn)技術(shù)條件”的規(guī)定。試驗(yàn)采用三軸時(shí)程試驗(yàn)，包含5次基準(zhǔn)地震(operating-basis earthquake,OBE)試驗(yàn)和1次安全停堆地震(safety shutdown earthquake,SSE)試驗(yàn)[7]。對(duì)此，控制系統(tǒng)所有組成元器件均采用無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)，降低故障率?？刂葡到y(tǒng)柜體采用抗震設(shè)計(jì)，柜體框架通過(guò)采用輥扎成型的多重彎曲框架結(jié)構(gòu)，使得框架質(zhì)量輕、剛性強(qiáng)。為增強(qiáng)控制柜柜體整體的抗震性能，增設(shè)抗震底座及抗震套件，確保在發(fā)生強(qiáng)震時(shí)，柜體不會(huì)出現(xiàn)任何變形。

抗震鑒定試驗(yàn)結(jié)果如下。

①抗震鑒定試驗(yàn)前后，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整無(wú)裂痕，外觀無(wú)損傷及形變，內(nèi)部無(wú)元器件脫落。

②抗震鑒定試驗(yàn)前后測(cè)試結(jié)果表明，控制系統(tǒng)所有開(kāi)關(guān)量通道正常，所有模擬量通道正常，系統(tǒng)內(nèi)所有元器件工作正常。

③抗震鑒定試驗(yàn)?zāi)M地震中，選取的開(kāi)關(guān)量信號(hào)變化正常，選取的模擬量信號(hào)通道信號(hào)無(wú)斷續(xù)，可編程邏輯控制器、工控機(jī)、顯示器均工作正常。

3.2 事件順序記錄

事件順序記錄功能主要用于記錄故障發(fā)生的時(shí)間和事件類(lèi)型，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間設(shè)置為6個(gè)月，時(shí)間分辨率為1 ms，可為系統(tǒng)的故障分析提供精確的順序數(shù)據(jù)。人機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)SOE數(shù)據(jù)查詢(xún)。

控制系統(tǒng)的SOE功能均設(shè)置在1號(hào)機(jī)架的8個(gè)數(shù)字量采集模塊，根據(jù)實(shí)際使用情況，可采集的通道數(shù)可達(dá)128個(gè)。

在進(jìn)行SOE功能測(cè)試時(shí)，從8個(gè)數(shù)字量采集模塊上分別選取1個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，使用SOE信號(hào)發(fā)生器發(fā)出8路開(kāi)關(guān)量信號(hào)。每路開(kāi)關(guān)量信號(hào)前后間隔1 ms，每路開(kāi)關(guān)量信號(hào)周期為1 000 ms。在測(cè)試結(jié)果中，紅色感嘆號(hào)表示信號(hào)為1，信號(hào)到達(dá)；綠色感嘆號(hào)表示信號(hào)為0，信號(hào)離開(kāi)。分布在8個(gè)不同模塊上的8個(gè)通道分別間隔1 ms依次到達(dá)；經(jīng)過(guò)1 000 ms后，8個(gè)通道上的信號(hào)分別間隔1 ms依次離開(kāi)。測(cè)試結(jié)果表明，SOE功能符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 模擬量數(shù)據(jù)高速采集

在一般的PLC控制系統(tǒng)中，模擬量的采集周期和顯示周期最小為250 ms。后備柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)要求電壓建立曲線和機(jī)組轉(zhuǎn)速曲線的采集周期和顯示周期最大不超過(guò)50 ms，即要求監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)高速變化的過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔記錄。

在出廠試驗(yàn)過(guò)程中，使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生電流信號(hào)，并快速手動(dòng)調(diào)節(jié)該電流信號(hào)，模擬現(xiàn)場(chǎng)采集的機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)在1 s內(nèi)共采集到20個(gè)數(shù)據(jù)，信號(hào)采集和顯示周期不大于50 ms。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，該功能均穩(wěn)定、可靠。

3.4 機(jī)組應(yīng)急停機(jī)

系統(tǒng)軟件應(yīng)急停機(jī)示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件應(yīng)急停機(jī)示意圖

后備柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)急停機(jī)功能通過(guò)硬件(硬接線)、軟件(PLC)兩種方式實(shí)現(xiàn)，充分考慮并優(yōu)化硬件回路和軟件回路的電源獨(dú)立、信號(hào)分配、線路走向，確保硬回路功能絕對(duì)獨(dú)立。在PLC失效(無(wú)法完成軟件應(yīng)急停機(jī))時(shí)，可通過(guò)應(yīng)急停機(jī)按鈕，115%超速3取2，潤(rùn)滑油進(jìn)機(jī)口壓力低3取2，差動(dòng)保護(hù)等硬接線電話自動(dòng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急停機(jī)。

在硬接線停機(jī)電路中，3個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)分別接入3個(gè)轉(zhuǎn)速變送器。當(dāng)轉(zhuǎn)速變送器采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)超過(guò)115%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速變送器將開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出至?xí)r間繼電器，經(jīng)過(guò)1 s的延時(shí)，將轉(zhuǎn)速115%超速3取2信號(hào)輸出至應(yīng)急停機(jī)繼電器；3個(gè)潤(rùn)滑油進(jìn)機(jī)口壓力信號(hào)分別進(jìn)入3個(gè)配電器，配電器判斷電流大小輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)至?xí)r間繼電器，經(jīng)過(guò)1 s的延時(shí)，將3取2信號(hào)輸出至應(yīng)急停機(jī)繼電器；按下應(yīng)急停機(jī)按鈕，差動(dòng)保護(hù)等信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)應(yīng)急停機(jī)繼電器進(jìn)行應(yīng)急停機(jī)。

軟件應(yīng)急停機(jī)回路通過(guò)對(duì)采集進(jìn)控制系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行邏輯處理后，再輸出應(yīng)急停機(jī)信號(hào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在分析后備柴油發(fā)電機(jī)的工藝流程及運(yùn)行邏輯特性的基礎(chǔ)上，綜合工藝指標(biāo)、安全、穩(wěn)定、可靠等諸多要求，設(shè)計(jì)了完整的后備柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了歷時(shí)半年的樣機(jī)研發(fā)、試驗(yàn)、認(rèn)證，以及歷時(shí)一年的產(chǎn)品生產(chǎn)、出廠試驗(yàn)，并聯(lián)機(jī)調(diào)試。出廠試驗(yàn)及運(yùn)行結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)完全滿(mǎn)足后備柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的各工藝指標(biāo)要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。該設(shè)計(jì)方案將有效降低核電廠應(yīng)急電源部分的建造成本，可推廣應(yīng)用到國(guó)內(nèi)外其他核電廠，具有廣闊的應(yīng)用前景[8]。