龐 偉

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引言

近年來，國內(nèi)多個核電機組發(fā)生海洋生物涌入循環(huán)水過濾系統(tǒng)取水口事件，導(dǎo)致電廠冷源喪失或故障，嚴重影響機組安全穩(wěn)定運行。但循環(huán)水取水口往往距離主儀控系統(tǒng)較遠，甚至橫跨電廠生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)。為保證電力生產(chǎn)控制系統(tǒng)及重要數(shù)據(jù)安全，需滿足“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認證”的安全防護總體原則。所以，研究如何將冷源相關(guān)系統(tǒng)過程信號安全可靠地送入主儀控系統(tǒng)，對提升核電操縱人員應(yīng)對冷源事故響應(yīng)的能力尤為重要。本文即以筆者所在電站為例，分析一種循環(huán)水系統(tǒng)過程信號傳輸?shù)目尚蟹桨浮?/p>

1 系統(tǒng)簡介

本項目循環(huán)水系統(tǒng)為單元制直流供水系統(tǒng)，其主要功能是為凝汽器和其它輔機冷卻設(shè)備提供冷卻水，同時為核島提供安全廠用水。其流程為：引水明渠——隧洞進水構(gòu)筑物（內(nèi)有閘門、移動式抓斗清污機、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)及其控制系統(tǒng)）——引水隧洞——聯(lián)合泵房（內(nèi)有閘門、鼓型濾網(wǎng)、循環(huán)水泵、重要廠用水泵等）——循環(huán)水管——凝汽器——循環(huán)水溝——虹吸井——排水溝——排水口——大海[1]。

隧洞進水構(gòu)筑物內(nèi)設(shè)置5個進水通道，后合并為一個引水隧洞。每通道上設(shè)置1臺旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，2臺機組共10套。每通道上都設(shè)置粗格柵，2臺機組共用2臺抓斗清污機，2臺抓斗清污機共用1條單軌，每臺清污機可獨立運行，負責(zé)10個進水通道的清污工作，另一個作為備用。2臺機組設(shè)1套PLC和上位機控制系統(tǒng)，布置在取水管理站控制室，距離DCS系統(tǒng)所在的電氣廠房約5km。正常通過PLC對旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)及其沖洗系統(tǒng)和移動式抓斗清污機進行監(jiān)測、控制和保護。海水取水控制系統(tǒng)按無人值守，運行人員定期巡視進行設(shè)計。濾網(wǎng)前后壓差、格柵前后液位、抓斗清污機故障等重要信號需要送入主控室，以便主控操縱員及時發(fā)現(xiàn)并響應(yīng)冷源異常事件。

2 常規(guī)信號傳輸方式存在的問題

2.1 直流電壓/電流信號傳輸方式

使用傳統(tǒng)直流電壓/電流方式傳輸，存在長距離信號衰減的問題，以4mA～20mA模擬量信號為例，決定信號有效傳輸距離的參數(shù)有：負載電阻RL及連接導(dǎo)線的電阻r，供電電壓U0，波動范圍?U；儀表的最大輸出電流Imax，以及儀表能維持最大工作電流時的最低供電電壓Umin。

假設(shè)RL=250Ω，U0=24VDC（允許誤差為電源允許波動?U=24×5%=1.2V，Imax=20mA。儀表最小工作電壓Umin與具體設(shè)備選型有關(guān)，大多數(shù)儀表在15VDC～17VDC之間。這里取16.28VDC，則存在以下關(guān)系式：通過計算可得導(dǎo)線電阻r<<76Ω，以截面積1.5mm2的銅質(zhì)導(dǎo)線為例，溫度75℃時的電阻系數(shù)ρ=0.0217Ωmm2/m，根據(jù)公式L=S×r/ρ，可以計算得到L應(yīng)小于5253m。由于一般采用兩線制儀表，那么選用截面積1.5mm2的銅質(zhì)導(dǎo)線時，能夠保證儀表可靠工作的最遠電纜敷設(shè)距離為2626.5m。所以，該方案顯然不滿足本項目的實際需求。

2.2 通訊傳輸方式

由于本項目循環(huán)水取水口的信號路徑橫跨電廠生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)，根據(jù)電力二次系統(tǒng)安全防護總體原則，如果采用通訊傳輸方式，則必須增加橫向隔離裝置。而在項目前期橫向隔離裝置已設(shè)計固化，新增信號將導(dǎo)致電纜敷設(shè)路徑的大量修改，并對已施工的電纜溝造成影響，因此該方案亦不可行。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

表1 信號清單Table 1 Signal list

3 基于遠程I/O技術(shù)的信號傳輸方案

遠程I/O是微機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展結(jié)合的產(chǎn)物，采用DCS網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及PLC和單回路控制器現(xiàn)場處理控制技術(shù)，可應(yīng)用于計算機監(jiān)視和分散控制系統(tǒng)。將輸入和輸出模塊移至現(xiàn)場，實現(xiàn)就近采集、就近控制，達到控制系統(tǒng)地理位置上的高度分散[2]。

遠程I/O技術(shù)由于具備物理分散性、高可靠性、高精確度、施工費用少等特點，在國內(nèi)火電廠、石油化工企業(yè)得到良好應(yīng)用。例如，國內(nèi)某發(fā)電廠發(fā)電機組自動化改造，DCS采用西屋O-VATION系統(tǒng)，通過遠程I/O采集610點模擬量信號，節(jié)省了大量信號電纜、補償導(dǎo)線、電纜橋架等，同時簡化了設(shè)計、施工工作，兩臺機組節(jié)約費用近200萬元[3]。

本項目設(shè)計思路是：通過遠程I/O卡件將海水取水口PLC和主DCS系統(tǒng)的輸入輸出信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字通訊信號，再通過光電轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)光纖傳輸。信號進入DCS系統(tǒng)前，再次通過遠程I/O卡件轉(zhuǎn)化為直流電壓/電流信號。這樣既解決了常規(guī)電壓/電流傳輸?shù)男盘査p問題，又能夠滿足信息安全要求。

整個系統(tǒng)由海水取水系統(tǒng)PLC、遠程I/O卡件、光電轉(zhuǎn)化器、光纖，及DCS I/O卡件組成。遠程I/O卡件設(shè)計選用MOXA ioLogik E1200系列，帶2個以太網(wǎng)口，可組建菊花鏈拓撲結(jié)構(gòu)，從而省去以太網(wǎng)交換機，并為后續(xù)擴展提供條件。模擬量通道精確度達到±0.1%，開關(guān)量通道采用無源干接點形式，MTBF（平均無故障時間）達到888656 h。

根據(jù)過程信號和控制設(shè)備的重要性，篩選出表1信號清單，傳輸?shù)紻CS系統(tǒng)后，能夠保證主控操縱員及時、全面地掌握循環(huán)水取水口相關(guān)設(shè)備的運行狀態(tài)，并對異常情況進行干預(yù)。

4 結(jié)束語

冷源可靠性對于核電站安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，將冷源相關(guān)系統(tǒng)的過程信號送到主控室，甚至允許操縱員在緊急情況下遠程控制冷源系統(tǒng)就地設(shè)備，是提高應(yīng)對冷源事故響應(yīng)能力的有效手段。本文分析比較了幾種信號傳輸方案，其中，基于遠程I/O技術(shù)的信號傳輸方案已在本電站成功運用，為后續(xù)機組的方案設(shè)計提供參考。