卜江濤

(上海核工程研究設(shè)計院有限公司， 上海 200233)

核電廠控制棒控制(簡稱棒控)系統(tǒng)用于實現(xiàn)對反應堆控制棒驅(qū)動機構(gòu)的控制，是保證反應堆安全運行的重要設(shè)備[1]。棒控系統(tǒng)作為對發(fā)電可靠性要求較高的設(shè)備，其運行可靠性直接影響著核電廠的經(jīng)濟效益。

目前，國內(nèi)棒控系統(tǒng)對驅(qū)動機構(gòu)線圈的供電普遍采用模擬電路進行控制，使用大量的互補金屬氧化物半導體(CMOS)分立元件，易出現(xiàn)元件故障率高、可靠性差、維護性差等問題。另一方面，三代非能動核電技術(shù)提出了數(shù)字化、負荷跟蹤、調(diào)峰等各種需求，對電廠堆芯控制策略也需要進行調(diào)整優(yōu)化，這對棒控系統(tǒng)提出了更多的功能要求。隨著三代核電裝機容量增大，控制棒數(shù)量也更多，但實際的設(shè)備可用布置空間卻有所減少，對設(shè)備限制較大。

基于如上問題，如何實現(xiàn)棒控系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計，如何提高棒控設(shè)備的可靠性、可操作性、可擴展性，如何簡化棒控設(shè)備結(jié)構(gòu)使其滿足空間限制的要求，是目前棒控系統(tǒng)設(shè)計亟需解決的問題[2-3]。

1 棒控系統(tǒng)簡介

棒控系統(tǒng)是保證反應堆安全運行的重要設(shè)備，通過接收來自反應堆功率控制系統(tǒng)中控制棒移動的方向和速度信號進行自動調(diào)節(jié)，或者通過手動控制方式(提升或下插控制棒)來調(diào)節(jié)反應堆功率。正常工況下，可以通過調(diào)節(jié)控制棒位置實現(xiàn)反應堆的正常啟停、調(diào)節(jié)功率以及維持堆芯在某給定功率運行；事故工況下，可以通過迅速向反應堆堆芯插入控制棒實現(xiàn)緊急停堆，從而實現(xiàn)對反應堆功率和功率分布的控制。

一般每束控制棒懸掛在環(huán)形的驅(qū)動桿下，驅(qū)動桿由驅(qū)動機構(gòu)中的鉤爪帶動上下移動(見圖1)。

圖1 控制棒驅(qū)動機構(gòu)動作示意圖

驅(qū)動機構(gòu)包括3個安裝在壓力殼外面的磁軛線圈，1個線圈激勵1個安裝在壓力殼里面的磁極[4]。

2 國內(nèi)現(xiàn)有棒控系統(tǒng)的設(shè)計

國內(nèi)現(xiàn)有的棒控系統(tǒng)主要由邏輯柜、電源柜、主控室內(nèi)的棒控指示箱及系統(tǒng)開關(guān)等構(gòu)成。

邏輯柜的功能是在電廠啟動、運行期間產(chǎn)生控制棒步進所需要的信號。電源柜由獨立的電源設(shè)備單元組成，每個電源設(shè)備單元與1臺控制棒驅(qū)動機構(gòu)相連。每個電源設(shè)備單元包括：控制和調(diào)節(jié)送往驅(qū)動機構(gòu)線圈電流的三相半波相控晶閘管電橋，作為邏輯部分和電源部分之間接口的晶閘管電橋控制電路。 晶閘管電橋及控制電路框圖見圖2，其中電流定值器、比較器、觸發(fā)器、相同步變壓器等都采用CMOS元件實現(xiàn)其功能。

圖2 晶閘管電橋及控制電路框圖

3 數(shù)字化棒控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 功能要求分析和總體方案設(shè)計

為實現(xiàn)棒控系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計，首先，要對其功能要求進行分析和功能劃分，確定數(shù)字化控制的范圍，并對數(shù)字化平臺進行調(diào)研，尋找能滿足要求的數(shù)字化平臺；其次，研究線圈電流供電回路的改進電路，使其滿足結(jié)構(gòu)簡單且可靠性高的特點，并最終確定總體設(shè)計方案。

一般棒控系統(tǒng)從功能上主要分為邏輯柜和電源柜2個部分。

3.1.1 邏輯柜

邏輯柜中主循環(huán)處理邏輯為：接收來自電廠控制系統(tǒng)和操縱員的控制命令，并將這些控制命令進行處理，按照控制要求向從動循環(huán)處理邏輯發(fā)送驅(qū)動機構(gòu)移動所需的移動啟動脈沖信號。這部分功能可采用數(shù)字化設(shè)備完成。

3.1.2 電源柜

電源柜實現(xiàn)的功能主要為：

(1) 從動循環(huán)處理邏輯：接收和處理來自主循環(huán)處理邏輯產(chǎn)生的移動啟動脈沖信號，產(chǎn)生該子組或某棒束在要求方向上移動一步所需的要求時序信號。這部分功能可采用數(shù)字化設(shè)備完成。

(2) 線圈電流控制邏輯：實現(xiàn)線圈電流的閉環(huán)控制，對線圈電流信號進行處理和監(jiān)測，以判斷線圈電流控制邏輯或線圈電流供電回路故障情況，并采取相應的措施防止故障發(fā)生時控制棒落棒。這部分功能可采用數(shù)字化設(shè)備完成。

(3) 線圈電流供電回路：由專用的棒電源機組提供260 V、50 Hz的三相電源，經(jīng)停堆斷路器后送往三相半波相控晶閘管整流電路，整流后向不同的線圈提供脈動直流電流。這些功能可采用結(jié)構(gòu)簡單的電路實現(xiàn)。

3.2 邏輯柜軟硬件設(shè)計

棒控系統(tǒng)屬于電廠控制系統(tǒng)的一部分，采用集散控制系統(tǒng)(DCS)平臺是目前核電廠控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，因此可基于DCS平臺來設(shè)計棒控系統(tǒng)的邏輯柜。

3.2.1 硬件設(shè)計

邏輯柜內(nèi)DCS硬件由電源模塊、輸入輸出模塊及控制器中央處理單元(CPU)構(gòu)成。其中，電源模塊和控制器CPU采用冗余配置以提升可靠性。表1為對各硬件的故障模式進行了分析匯總。

表1 邏輯柜設(shè)備故障模式分析及補償措施設(shè)計

3.2.2 軟件設(shè)計

邏輯柜軟件功能實現(xiàn)過程中采用模塊化設(shè)計，對功能進行梳理，形成功能上相對比較獨立、接口相對簡單的功能模塊(見圖3)。對功能模塊庫進行編程和測試，保證對功能需求的完全響應。

圖3 控制邏輯軟件功能模塊流程簡圖

3.3 數(shù)字化電源柜設(shè)計

3.3.1 線圈電流控制回路的設(shè)計

線圈電流控制回路采用數(shù)字化設(shè)備可以避免不少模擬設(shè)備的缺點，但仍然存在不少難點：驅(qū)動機構(gòu)動作過程比較復雜，要求控制裝置提供的電流快、準、穩(wěn)，暫無現(xiàn)成的數(shù)字化設(shè)備；線圈中時序電流故障模式識別、信號采集、故障判斷難度較大；故障后采取應急措施，在很短的時間內(nèi)重新保持控制棒較難；設(shè)備的電磁兼容性要求高。

針對以上難點，通過對已有成熟可靠的數(shù)字化設(shè)備進行調(diào)研和分析，并結(jié)合實際的特殊要求，確定采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)+數(shù)字信號處理(DSP)控制器，可實現(xiàn)相關(guān)功能。

基于FPGA+DSP控制器的全數(shù)字化棒控結(jié)構(gòu)見圖4。

1—控制模塊；2—三相電壓采集模塊；3—線圈供電電路；4—外部接口模塊；5—電流傳感器；6—驅(qū)動脈沖放大模塊；7—外部控制模塊；8—存儲模塊。

圖4 基于FPGA+DSP控制器的全數(shù)字化棒控結(jié)構(gòu)示意圖

在具體的軟件設(shè)計過程中，采用FPGA完成以下功能：

(1) 外部接口信號處理。對來自邏輯處理控制器的移動命令的接收和識別，對邏輯柜發(fā)送的錯誤信號直接進行屏蔽，并發(fā)送緊急報警故障，避免誤動作的發(fā)生。

(2) 利用運行速度快、定時精度高的FPGA控制器產(chǎn)生控制棒移動所需的時序電流要求信號?？刂茀?shù)根據(jù)需求可調(diào)，具有很好的靈活性和適用性。

(3) 對供電回路和控制回路故障在線監(jiān)測。通過高速采集信號的在線監(jiān)測，判斷線圈電流過高、鉤爪線圈電流同時為零、電壓缺項等故障，通過控制器內(nèi)部監(jiān)測程序判斷控制器輸入、輸出、通信及處理故障。

(4) 同步觸發(fā)晶閘管的導通。實現(xiàn)控制信號與三相電源的同步，并觸發(fā)相應的晶閘管。

采用DSP完成以下功能：

(1) 線圈電流的PID閉環(huán)控制。對采集的線圈電流信號和要求的時序電流信號的偏差進行算法處理，并轉(zhuǎn)換成對應晶閘管的導通角信號。

(2 )供電回路控制對象的線性化處理。對晶閘管導通角與對應線圈能形成的電流進行線性化處理，提高對線圈電流的控制精度。

(3) 對線圈電流進行分析，判斷驅(qū)動機構(gòu)動作是否正常。通過某算法對線圈電流波形上的凹坑進行監(jiān)測，核實驅(qū)動機構(gòu)關(guān)鍵動作點是否完成，從而確定下一個動作是否安全。

另外，還應考慮控制回路的緊急故障處理和電磁兼容性的要求，以保證控制棒運行的安全性和可靠性。

3.3.2 線圈供電回路的設(shè)計

每個驅(qū)動機構(gòu)對應3個線圈：提升線圈、固定鉤爪線圈、移動鉤爪線圈。線圈的供電及線圈電流控制部分在電源柜中實現(xiàn)。根據(jù)線圈功能及供電要求的不同，電源柜分為移動柜和選擇柜。選擇柜向固定鉤爪線圈和移動鉤爪線圈提供供電回路及控制；移動柜向提升線圈提供供電回路及控制。

選擇柜按其功能不同分為3個部分：上部為電源層，負責三相電源的輸入以及控制電源的處理；中部包含1套線圈供電回路及線圈電流控制回路，用于向1個子組內(nèi)4束棒的固定鉤爪線圈供電；下部同樣包含1套線圈供電回路及線圈電流控制回路，用于向1個子組內(nèi)4束棒的移動鉤爪線圈提供線圈電流及控制回路，線圈電流控制回路由FPGA+DSP控制器實現(xiàn)。

移動柜由2部分組成，上部為電源層，下部包含1套線圈供電回路及線圈電流控制回路，能同時向1個子組內(nèi)4束棒的提升線圈提供線圈電流及控制。此外，不同時移動的子組還可共用該提升線圈供電及控制回路。共用提升線圈供電回路的子組通過控制晶閘管的通斷來實現(xiàn)。

通過該配置可大大減少提升線圈供電及控制回路設(shè)備。以69束棒的AP1000棒控系統(tǒng)為例，采用該配置方式，只需要11個電源柜(2個移動柜及9個選擇柜)。

3.4 人機接口設(shè)計

在人機接口設(shè)計方面，應以核電站人因工程設(shè)計準則為指導，結(jié)合實際驅(qū)動機構(gòu)控制裝置人機接口需求和現(xiàn)場實際運行經(jīng)驗反饋，按照不同的操作需求設(shè)置不同的操作界面，主要應包括：主控制界面、失步校正操作界面、參數(shù)設(shè)置界面、故障定位界面和試驗界面等。

設(shè)計界面時應考慮操作所需信息的全面性、操作的合理性、防誤操作功能等。在操作界面設(shè)置不同的操作權(quán)限，僅有對應權(quán)限的人員才能進行相應的操作，降低了由于不當人因操作而引起的意外故障。

4 結(jié)語

基于DCS平臺，采用FPGA+DSP控制器數(shù)字化技術(shù)設(shè)計的數(shù)字化棒控系統(tǒng)，其邏輯柜采用DCS平臺實現(xiàn)控制功能，電源柜中線圈電流控制部分通過幾個模塊(包括CPU)來實現(xiàn)，線圈電流供電回路采用一帶四的控制方式。通過簡化控制結(jié)構(gòu)、利用數(shù)字化技術(shù)進行控制和監(jiān)測，可大幅提高設(shè)備的利用率和可靠性，同時通過數(shù)字化的調(diào)試和監(jiān)測方法，可降低維護和調(diào)試的難度。另外，通過合適的人機接口修改控制參數(shù)，可將其應用于各種功率等級的壓水堆核電廠棒控系統(tǒng)。