核级调节控制在出口核电项目中的实现

李溪韵

摘 要：核电站控制室系统需要提供安全级（1E级）控制手段以维持电厂的安全运行。在ACP1000等国产化三代核电的出口项目中，由于受到出口禁运的限制，无法使用国外供货商的设备来实现相关设计。因此，需要以国内现有供货商的产品为基础，开发对应的核级控制功能实现方案。本文基于ACP1000机组的调节控制功能需求，以及国内核级仪控产品的规格和性能，给出了核级调节控制功能的国产化实现方案。该方案将数字化控制手段与常规后备控制手段结合在一起，并实现了各种控制手段和模式之间的无扰切换。对于该方案，本文以ACP1000机组的汽机旁路系统大气排放阀的控制为例，实现了该设备在主控制室和远程停堆站的控制功能，并结合设备规格分析了该方案的性能。通过实例及其性能分析可以看出，本文提出的设计方案满足控制室系统的功能需求，并针对工艺系统的特殊控制要求具有良好的适用性，为国产化三代核电技术的出口提供了技术保障。

关键词：核级仪控 数字化仪控系统 ACP1000 控制室系统

中图分类号：TL3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（a）-0206-03

Abstract：The control room system provides safety related（class 1E）control means to maintain the safety operation of the nuclear power plant.In the export project of ACP1000 and other 3rd generation nuclear power plants，safety related equipment from foreign supplier are not available due to embargo on nuclear related equipment.Therefore related design should be based on native product.This paperproposes a design implementation of safety related modulating control function based on the function requirement of ACP1000 nuclear power plant and the specification of native equipment.It containscontrol means from digital control system and uses traditional control device as back up.The transfers between each control means and modes are bumpless in this design.This design is implemented and evaluated using the modulating control of TSA valve in ACP1000 project as example，which has multiple control means in main control room and remote control station.From the performance of this example，this design can meet the function requirement of control room system.It also provides sufficient feasibility for specific control requirement of certain system or device.This design supports the export of 3rd generation nuclear power plant from technical aspect.

Key Words：Safety Related I&C；Digital Control System；ACP1000；Control room System

为保障核电站的安全运行，安全相关的仪控需要经过严格的质量鉴定，包括抗震、电磁兼容、老化、极限环境等[1]。国内核电项目通常使用国外供货商提供的安全级仪控设备来实现核电站安全相关的仪控功能。对于ACP1000等国产三代核电技术的出口项目，由于厂址所在国家可能受到其他国家的出口禁运限制，安全级仪控设备及其相关的控制逻辑需要在国内产品的基础上进行设计和实现。对于ACP1000的国产化和出口，相关设计的实现需要克服以下难点：第一，和二代出口核电站中的仪控系统相比，ACP1000引入了数字化的仪控平台和对应的计算机化控制手段，与安全级的常规控制手段相结合，其功能更加完善，相应的逻辑实现也更加复杂；第二，国内产品的可选范围小，性能和国外产品存在一定的差距，设计时需要综合考虑响应时间、设备数量、尺寸等因素，使之满足三代核电的仪控要求。

基于以上设计需求和难点，本文提出了一种基于国产设备的调节控制功能的设计方案，实现了多种控制手段的冗余设计和无扰切换，满足了ACP1000的仪控设计要求。本文的后续章节从功能需求、方案设计和实例分析几个方面对该方案进行详细介绍。

1 功能需求和实现平台

与常规控制系统相同，核电站安全级调节包括手动控制和PID设定值控制，其中PID调节的设定值包括固定设定值、自动计算出的设定值、操纵员输入的设定值等[2]，不同设定值和控制模式之间的切换可以通过操纵员手动完成或系统自动触发。与常规控制系统不同的是，核电站中的安全级调节需要提供多种冗余的控制手段，并提供控制手段之间的无扰切换。在ACP1000的设计当中，需要在主控制室和远程停堆站中提供安全级控制手段，根据相关法规标准的要求，远程停堆站的控制功能不能依赖于主控制室[3]，因此，在设计时应考虑控制回路的独立性。对于单个控制点（主控制室/远程停堆站），正常情况下操纵员通过非安全级计算机化工作站实现全部控制功能，在计算机化工作站失效时，控制权限将切换到安全级后备控制手段上，以保障电厂的安全。endprint

对于实现安全级控制的平台，由于核安全相关设备对设备的各方面性能要求较高，同时又受到出口禁运的限制，国内可选的设备供货商非常有限[4]。本文所提出的设计方案将基于重庆川仪的Digitronik系列KMM控制器来实现，该设备曾用于以往的出口核电项目中[5]，其性能规格符合核法规标准的要求，但对于ACP1000的控制要求，相关的控制逻辑需要重新设计。KMM控制器内部包含了30个运算模块，可根据设计者写入的程序在一个CPU周期内执行30个不同类型的运算，包括常规逻辑（与或非）、PID调节、模拟量处理、模式切换等。KMM控制器系统内置以下四种控制模式。

（1）手动模式（M）：操纵员使用KMM控制器面板上的人机界面直接调整控制器的输出值。

（2）自动模式（A）：操纵员使用KMM控制器面板上的人机界面控制PID模块的设定值。

（3）串级模式（C）：KMM控制器的PID模块使用外部设定值（固定值或其他模拟量计算的结果）。

（4）跟踪模式（F）：KMM控制器的PID模块以及输出值跟踪外部模拟量信号。

以上控制模式可以通过KMM面板上的按钮进行切换，也可以通过外部信号进行手动或自动切换，可以实现常规PID调节功能的各模式切换，但无法实现ACP1000的多控制手段对应的模式切换功能，因此需要进行二次设计，以实现ACP1000对于安全级调节的功能需求。

2 方案设计

本文提出的解决方案的结构如图1所示，为实现前文中所描述的功能，对应的解决方案需要考虑以下几方面的问题：（1）控制点之间的独立性；（2）控制模式的匹配；（3）各模式之间的无扰切换。

为解决控制点之间的独立性问题，该方案在主控制室和远程停堆站内各设置了一个KMM控制器，控制器从上游模拟量机柜接收设定值或手动输出值，每个控制器具有独立的PID运算功能。计算机化工作站的控制命令经过隔离后送往模拟量处理机柜，经过逻辑处理后发给对应的KMM控制器。两个KMM控制器的输出根据主控制室/远程停堆站控制权限的激活情况进行二取一后输出到设备进行调节控制。

对于控制模式的匹配问题，需要根据控制需求中的各种模式，与KMM控制器的四种运行模式建立对应关系。由于控制需求中的模式组合数量多于设备支持的模式数量，需要通过改变信号输入来建立子模式，以实现对应的功能。表1给出了控制模式的对应关系。由于主控制室和远程停堆站中的KMM控制器在功能上是完全对等的，因此，在表1中用当前控制器和另一个控制器来表示。

正常情况下，操纵员通过计算机化工作站提供控制信号，如使用PID设定值控制，则KMM控制器工作在串级模式（C）下，根据选用的设定值不同（操纵员输入或系统内置设定值）可以细分为C1和C2两个模式；如操纵员直接进行手动控制，则KMM控制器工作在跟踪模式（F）下，此处定义该模式为F1，其输出将跟踪操纵员在计算机化工作站上设置的手动信号。

当计算机化工作站不可用时，操纵员将控制权限切换到KMM控制器的面板上，此时功能需求中的三种控制模式与KMM控制器的三种常规模式相对应，即手动控制对应KMM控制器的M模式，操纵员输入设定值控制对应KMM控制器的A模式，系统内置设定值控制对应KMM的C2模式。

操纵员使用另一个控制点的设备进行控制时，当前KMM的工作模式与操纵员使用计算机化工作站控制时相似，但其最终的输出值并没有用来控制设备，只是在数值上与另一台KMM控制器的输出一致，以保证切换的无扰。根据另一个控制点的运行模式，当前KMM控制器将运行在串级（对应另一台KMM控制器的PID设定值调节）或跟踪模式（对应另一台KMM控制器的手动调节）下，根据输入信号的不同可定义为C2、C3和F2三个子模式。各子模式对应的模拟量输入信号详见表2。

基于以上模式定义，各模式之间的切换对应于表1中单元格相邻的关系，即某一模式对应表1中的一个单元格，其可能切换到的状态为与该单元格相邻的状态。其中纵向模式间的切换只涉及单个KMM控制器的信息，其无扰切换可以通过控制器自身功能来实现；横向模式间的切换将涉及另一台KMM控制器或计算机化工作站的当前状态，因此需要引入其模拟量输出值和模式状态信号，同时将当前KMM控制器的状态反馈给另一台KMM控制器，才能实现切换的无扰，对应的KMM信号输入输出分配详见表3。

以上软硬件设置实现了ACP1000安全级调节控制的功能需求，接下来的章节中将通过具体实例来说明其详细控制逻辑设计。

3 实例分析

本节以ACP1000汽机旁路系统大气排放阀为例，实现并验证了本文的设计。ACP1000汽机旁路系统的大气排放阀为安全级设备，在停堆和事故工况下对维持电厂安全起着重要的作用。该设备的控制属于ACP1000核电厂中较复杂的特例，在前文中设计的通用控制逻辑和模式的基础上，还需要实现以下额外的功能。

（1）事故工况下，在接收到安住信号之后，大气排放阀的控制以自动计算出的内部设定值进行控制，并在30 min之内锁定在该模式下，30 min后允许操纵员切换到其他模式进行人工干预。

（2）该PID调节设有多个内部设定值，分别针对正常工况、停堆工况和事故工况；

对于第一个功能，需要通过KMM控制器和开关量处理机柜的逻辑设计来分别实现手动模式和操纵员设定值模式的闭锁。对于安住信号发出后30 min内，通过开关量处理机柜将两个KMM控制器的激活状态信号（即表3中的DI1）置为0，以闭锁不必要的操纵员控制功能，并通过设置DI2=0、DI3=0将两个控制器锁定在串级模式，接收事故工况下的内部设定值并实现设备的PID控制。30 min后，开关量处理机柜将KMM控制器的前三个数字量输入（即DI1至DI3）恢复至与运行模式相匹配的值，并允许操纵员进行手动或设定值调节。以上功能的逻辑对应于KMM四个模式的激活逻辑详见图2。由于KMM控制器内部F模式具有最高的优先级，且逻辑设计中激活F模式的相关信号都是保持型信号，因此不需要在F模式触发中使用RS触发器，同时也不需要复位其他模式。endprint

对于第二个功能，需要在模拟量处理机柜侧实现多个模拟量信号的选择功能，对应的逻辑如图3所示。其中三个工况下的内部设定值、KMM控制器面板设定值和操纵员在计算机化工作站输入的设定值根据不同工况和模式的开关量进行选择，最终输出一个设定值给KMM控制器进行PID调节控制或跟踪，其优先级为：事故工况设定值>停堆工况设定值>其他设定值。

基于以上的逻辑实现，对应的系统性能参数如表4所示。其中一个运算周期所用404 ms的运算时间中，PID调节运算占用371 ms，其他逻辑处理占用33 ms，可以看出复杂的模式切换逻辑并没有影响系统的处理速度。本设计方案实现了工艺系统的控制需求以及控制手段冗余度的需求，其运算时间和运算模块占用量也在设备的性能范围之内，成功的解决了出口核电项目安全级调节控制的国产化实现问题。

4 结论

本文提出的设计方案在国产化设备的基础上，实现了ACP1000对安全级调节控制的通用功能需求，并针对具有特殊控制逻辑的设备预留了自定义功能的接口，使设计方案具有一定的灵活性。通过具体实例的控制逻辑实现可以看出，该方案有效地解决了三代核电安全级调节控制国产化的问题，为三代核电的出口提供了技术支持。

现有设计方案的瓶颈在于国内供货商的安全级设备制造能力，随着未来国产化设备制造能力的提高（如设备的尺寸、处理速度、逻辑复杂度、输入输出等），相应的设计方案也会有进一步提升的空间，届时将会根据具体的设备规格对现有设计方案进行改良，以提高其处理性能和安全性。

参考文献：

[1] 韦智康，李相建，朱毅明.安全级数字化仪控系统鉴定试验研究[J].自动化博览，2011（S2）：278-282

[2] Kiam Heong Ang，Chong G.，Yun L.，PID control system analysis，design，and technology[J].Control Systems Technology，IEEE Transactions on，2005，1（4）：559-576.

[3] International Electrotechnical Commission.IEC60965 Nuclear power plant-Control rooms-Supplementary control points for reactor shutdown without access to the main control room，2009.

[4] 周海翔，徐玮瑛.三代核电机组数字化仪控系统及其国产化分析[J].自动化仪表，2010（8）：61-66.

[5] 王涛，廖忠岳.可编程序调节器的计算机监控[J].核动力工程，1997（6）：547-550.endprint

对于第二个功能，需要在模拟量处理机柜侧实现多个模拟量信号的选择功能，对应的逻辑如图3所示。其中三个工况下的内部设定值、KMM控制器面板设定值和操纵员在计算机化工作站输入的设定值根据不同工况和模式的开关量进行选择，最终输出一个设定值给KMM控制器进行PID调节控制或跟踪，其优先级为：事故工况设定值>停堆工况设定值>其他设定值。

基于以上的逻辑实现，对应的系统性能参数如表4所示。其中一个运算周期所用404 ms的运算时间中，PID调节运算占用371 ms，其他逻辑处理占用33 ms，可以看出复杂的模式切换逻辑并没有影响系统的处理速度。本设计方案实现了工艺系统的控制需求以及控制手段冗余度的需求，其运算时间和运算模块占用量也在设备的性能范围之内，成功的解决了出口核电项目安全级调节控制的国产化实现问题。

4 结论

本文提出的设计方案在国产化设备的基础上，实现了ACP1000对安全级调节控制的通用功能需求，并针对具有特殊控制逻辑的设备预留了自定义功能的接口，使设计方案具有一定的灵活性。通过具体实例的控制逻辑实现可以看出，该方案有效地解决了三代核电安全级调节控制国产化的问题，为三代核电的出口提供了技术支持。

现有设计方案的瓶颈在于国内供货商的安全级设备制造能力，随着未来国产化设备制造能力的提高（如设备的尺寸、处理速度、逻辑复杂度、输入输出等），相应的设计方案也会有进一步提升的空间，届时将会根据具体的设备规格对现有设计方案进行改良，以提高其处理性能和安全性。

参考文献：

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[2] Kiam Heong Ang，Chong G.，Yun L.，PID control system analysis，design，and technology[J].Control Systems Technology，IEEE Transactions on，2005，1（4）：559-576.

[3] International Electrotechnical Commission.IEC60965 Nuclear power plant-Control rooms-Supplementary control points for reactor shutdown without access to the main control room，2009.

[4] 周海翔，徐玮瑛.三代核电机组数字化仪控系统及其国产化分析[J].自动化仪表，2010（8）：61-66.

[5] 王涛，廖忠岳.可编程序调节器的计算机监控[J].核动力工程，1997（6）：547-550.endprint

对于第二个功能，需要在模拟量处理机柜侧实现多个模拟量信号的选择功能，对应的逻辑如图3所示。其中三个工况下的内部设定值、KMM控制器面板设定值和操纵员在计算机化工作站输入的设定值根据不同工况和模式的开关量进行选择，最终输出一个设定值给KMM控制器进行PID调节控制或跟踪，其优先级为：事故工况设定值>停堆工况设定值>其他设定值。

基于以上的逻辑实现，对应的系统性能参数如表4所示。其中一个运算周期所用404 ms的运算时间中，PID调节运算占用371 ms，其他逻辑处理占用33 ms，可以看出复杂的模式切换逻辑并没有影响系统的处理速度。本设计方案实现了工艺系统的控制需求以及控制手段冗余度的需求，其运算时间和运算模块占用量也在设备的性能范围之内，成功的解决了出口核电项目安全级调节控制的国产化实现问题。

4 结论

本文提出的设计方案在国产化设备的基础上，实现了ACP1000对安全级调节控制的通用功能需求，并针对具有特殊控制逻辑的设备预留了自定义功能的接口，使设计方案具有一定的灵活性。通过具体实例的控制逻辑实现可以看出，该方案有效地解决了三代核电安全级调节控制国产化的问题，为三代核电的出口提供了技术支持。

现有设计方案的瓶颈在于国内供货商的安全级设备制造能力，随着未来国产化设备制造能力的提高（如设备的尺寸、处理速度、逻辑复杂度、输入输出等），相应的设计方案也会有进一步提升的空间，届时将会根据具体的设备规格对现有设计方案进行改良，以提高其处理性能和安全性。

参考文献：

[1] 韦智康，李相建，朱毅明.安全级数字化仪控系统鉴定试验研究[J].自动化博览，2011（S2）：278-282

[2] Kiam Heong Ang，Chong G.，Yun L.，PID control system analysis，design，and technology[J].Control Systems Technology，IEEE Transactions on，2005，1（4）：559-576.

[3] International Electrotechnical Commission.IEC60965 Nuclear power plant-Control rooms-Supplementary control points for reactor shutdown without access to the main control room，2009.

[4] 周海翔，徐玮瑛.三代核电机组数字化仪控系统及其国产化分析[J].自动化仪表，2010（8）：61-66.

[5] 王涛，廖忠岳.可编程序调节器的计算机监控[J].核动力工程，1997（6）：547-550.endprint