孫月亮，左 新，孫洪濤，白 瑋，王志嘉

(北京廣利核系統(tǒng)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(chǎn)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(xiàn)場執(zhí)行機構的數(shù)量大為增加。為提高設備操作的自動化水平，實現(xiàn)方案之一就是對成組控制的應用。

基于國產(chǎn)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(xiàn)，而且兼顧了執(zhí)行效率和操作負擔的優(yōu)化。

1 防城港設備控制

1.1 設備操作功能統(tǒng)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(xiàn)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(shù)量遠大于一期工程，并且現(xiàn)場設備增加了單列內(nèi)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(tǒng)計表(基于核級儀控DCS)

注：表1中統(tǒng)計數(shù)據(jù)均基于本文發(fā)稿前的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

1.2 設備響應時間分析

防城港一期工程中，由于設備數(shù)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(jīng)分析計算：從操作員發(fā)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(zhí)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(lián)鎖設備控制方案。

防城港一期工程聯(lián)鎖設備控制原理如圖2所示[3]。

圖2 防城港一期工程聯(lián)鎖設備控制原理圖

該方法雖然節(jié)省了操作步驟，但系統(tǒng)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(lián)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(lián)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(xiàn)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(jù)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(shù)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(zhí)行機構的控制模式、成組指令控制、冗余執(zhí)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(xiàn)場執(zhí)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(zhí)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(jù)邏輯處理觸發(fā)模式轉(zhuǎn)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(fā)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(yōu)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(yōu)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(yōu)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(yōu)先級，根據(jù)當前選擇命令執(zhí)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(tài)。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(zhí)行機構發(fā)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(xiàn)場執(zhí)行機構的執(zhí)行功能，以及不同工藝或設備之間的聯(lián)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(lián)鎖關系的自動成組控制指令。

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

優(yōu)先自動命令、非優(yōu)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(yōu)先自動啟停命令、成組閉鎖信號和成組不可用信號閉鎖。

優(yōu)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(yōu)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(chǎn)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(zhí)行機構，需要根據(jù)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(xiàn)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(tài)、指令和相關的故障信息，然后發(fā)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(fā)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(tài)，同時存在已選配置的成組啟動命令時，將產(chǎn)生正常運行列啟動命令。本列正常運行配置狀態(tài)消失或反向指令可將其復位。

本列成組配置發(fā)出運行命令，經(jīng)過設置時間，仍未接收到相應的運行狀態(tài)反饋，則將產(chǎn)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(chǎn)生狀態(tài)偏差信號。當運行指令消失或?qū)答佇盘柍霈F(xiàn)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(fā)的FirmSys平臺，可以靈活地根據(jù)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(tài)顯示，同時向操作員提供邏輯觸發(fā)的模式命令狀態(tài)。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(jù)該界面內(nèi)容進行狀態(tài)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(xiàn)不僅實現(xiàn)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(tài)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(jù)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(xiàn)進行了整合和優(yōu)化?；贔irmSys平臺人機操作界面，最多可以實現(xiàn)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(tài)[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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)方案。由于首次應用成組控制方案，仍有不足之處需經(jīng)過后續(xù)的測試和調(diào)試繼續(xù)進行優(yōu)化。該研究可為其他核電廠的成組控制提供借鑒。