功能模块的设计与应用研究

王 钊

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172)

0 引言

功能模块最初应用于火电和化工行业设计，随着其广泛应用，国际上也开始出现相应的法规标准。最早的标准是IEC 60617 -12 -1997［1］，它对基本功能模块(black functional blocks，BFB)的设计和使用有了一定的要求，避免了功能模块在使用上的混乱。而基于此标准，中国也发布了相应标准GB 4728.12.2008《二进制逻辑元件》［2］。功能模块作为图符工具也同样遵循GB 16901. 1 - 2008《技术文件图形符号表示规则》［3］和GB 20063.6 -2006《简图用图形符号 第6 部分测量与控制功能》［4］。随着核电的快速发展，功能模块也应用到了核电行业，而相关法规标准也在对应使用。

功能模块属于图符工具，每个模块都有定义的功能。功能模块可以分成基本功能模块以及广义的专用功能模块。基本功能模块指的就是“与”、“或”和“非”等模块。这些模块的功能是普遍通用的，而且无论是在早期还是现阶段，其功能没有变化，只是后续在数量上有所增加，功能也更全面。相关的法规标准也主要针对这种基本功能模块。广义的专用功能模块就有所不同，不同的设计者在设计时会定义一些专用的模块，这些模块的功能不是通用的。这部分在法规标准上就没有太多的规范和要求，但设计者会有专门的文件定义这些模块的功能。

随着核电技术的发展，功能模块的使用也慢慢有了变化。基本功能模块没有太大变化，只是新增了一些基本功能模块，而广义的专用功能模块有了很大的变化。本文即针对广义专用模块进行深入研究和介绍，并介绍了本人设计的广义专用模块。

1 功能模块的应用

1.1 功能模块的设计目的

功能模块设计的目的是为了将核电厂常用的功能逻辑进行模块化，减少设计过程中的设计错误，增加图纸的可读性。通过功能模块的设计，也使得核电厂工作人员对现场设备的类型、控制方式有更清晰的认识。同时，逻辑模块化更有利于保护核心技术。

1.2 CPR1000 功能模块的应用

二代核电技术早期核电厂的控制逻辑图使用的功能模块主要是最简单的基本功能模块，包括与模块、或模块、非模块、延时模块以及RS 触发器模块。这几个模块属于功能模块，每个模块实际是有对应逻辑的。而其他模块只是简单的图形模块，没有特定功能，包括报警模块、执行机构模块以及传感器模块等。这些模块都是按照相关法规和标准设计的。

后续核电厂所使用的数字化控制系统，在控制逻辑图的绘制上差别不大。但是DCS 供货商在设计数字化控制系统时使用的组态图，大量使用了功能模块和专用驱动功能模块。

基本功能模块供货商仍然按照IEC 60617 -12 -1997［1］的要求设计。但是专用驱动功能模块的千差万别给功能模块的发展带来很大影响。在三代核电技术上，DCS 供货商进一步完善了这些功能模块。

CPR1000 项目DCS 供货商虽然有变化，但是，其控制逻辑图与之前并没有太大的变化;基本功能模块保持不变，只是图形模块增加信息输入功能，可以输入一些必要的信息，便于后续信息的导出和统计。

1.3 EPR 项目功能模块的应用

EPR 技术作为AREVA 力推的核电三代技术，在功能模块的设计上确实是目前世界上最领先的。在西门子早期组态图的设计上就使用了基本功能模块配以带有内部逻辑的驱动块，而后在EPR 的设计上更是完善了整个功能模块的设计。虽然AREVA 在专用驱动模块设计上也没有相关法规标准要求，但是AREVA会出版相关的文件对这些模块进行说明和规范。

1.3.1 EPR 项目基本功能模块设计

EPR 项目的基本功能模块BFB 总共有65 个，包括15 个数字量的模块和50 个模拟量的模块。数字量模块输入和输出的都是数字量信号，而模拟量模块输入的是模拟量信号，输出的则可以是数字量或者模拟量。AREVA 在设计时详细地定义了每一个模块的图符、功能、输入和输出，部分基本功能块还定义了参数，通过对参数的修改来改变其功能。

1.3.2 EPR 项目专用驱动功能模块设计

EPR 项目的驱动功能模块称为Macros，根据设计阶段和分工不同，又分为工艺功能模块和仪控功能模块。因为仪控功能模块主要用于DCS 组态阶段的设计，所以在此主要介绍工艺功能模块。

EPR 项目的工艺功能模块主要分为14 大类，每一类都针对不同的设备，主要包括电动阀、气动阀、调节阀、加热器、电机类设备以及仪表等设备，如表1所示。

每一类设备又根据不同需求而分为不同的MACRO，比如AM 模块就根据接收的信号不同分为AM_CV(电流和电压)和AM_TM(温度测量)，图符如图1 所示。

表1 EPR 项目的专用驱动模块Tab. 1 The dedicated drive blocks in EPR project

图1 AM 模块图符Fig.1 Symbol of AM block

EPR 项目中，详细定义了每个工艺功能模块的功能、输入、输出以及参数，并给出了简易的逻辑。以电动阀MOV 模块为例(图符如图2 所示)，其功能主要是管理电动阀门，通过获得控制命令、反馈信号以及动力电、控制电丧失等信号来提供开关控制命令给阀门，或者提供阀门开关状态给人机界面或者其他控制。所以MOV 的主要输入是开关命令、手自动模式以及控制电失去信号和动力电失去信号，这几类输入对于电动阀来说可以满足所有输入要求。而输出主要是开关状态和手自动模式状态。这些输入输出都有确定而且唯一的缩写，针对各个功能块都适用。

图2 MOV 模块图符Fig.2 Symbol of MOV block

参数设置相对基本功能模块内容较多也很全面，既有设备主要信息也有设计要求。例如MOV 的主要参数就有安全等级、地震等级、是否有应急供电、是否要求严重事故供电、开关优先位置、PICS 或者SICS 显示等这类设计要求，也有阀门开关时间、力矩延时时间等这类设备信息。这些参数都会对阀门的设计和控制产生影响，所以大部分参数都需要仔细填写。

功能模块最核心的内容还是内部逻辑，这些内部逻辑的设计需要在明确设备需求，完整地定义输入、输出和参数以后才能完成。MOV 功能模块的内部逻辑，主要分成开命令、关命令和控制模式3 大块。每一块都有明确的输入和输出和相应逻辑，但是对于开、关命令各自的优选逻辑并没有完全体现，而只是明确了各命令的优先级，具体逻辑处于黑匣子中。所以优选逻辑作为模块设计的核心内容并没有在EPR 相关文件中有所体现，相应的报警逻辑的设计也是如此。AREVA 充分利用功能模块设计来保护核心技术与知识产权。

2 功能模块的设计

2.1 功能模块的设计现状

目前，国内关于功能模块的设计还比较落后，各家核电设计院都没有比较完整的功能模块的设计，CPR1000 项目只有常规岛部分逻辑图设计有使用专门的专用驱动功能模块。基于国内目前功能模块的应用现状，国内核电设计院有必要对功能模块进行更深入的研究。基于前期对于功能模块的了解和研究，本人也参与了部分功能模块的设计。

2.2 基本功能模块设计

基本功能的设计相对简单，主要工作是梳理出控制逻辑图中使用的基本功能模块。在参考CPR1000、EPR 和AP1000 的基本功能模块使用情况，并遵循IEC 60617 -12 -1997［1］和标准GB 4728.12.2008《二进制逻辑元件》［2］后，整理出文件《仪控基本功能单元》。此文件共包含基本功能模块62 个，并按照输入为模拟量和数字量进行分类，每个模块都按照GB 16901.1 -2008《技 术 文 件 图 形 符 号 表 示 规 则》［3］和 GB 20063.6 -2006《简图用图形符号 第6 部分测量与控制功能》［4］要求来规范图形符号并包含名称、图标、功能描述、输入输出和参数等内容。此文件整理出的基本功能模块是整个功能模块设计的基础。

2.3 优选模块的设计

在EPR 项目的专用驱动功能模块中，优选模块是黑匣子设计，非设计人员无法知晓内部逻辑，而优选逻辑也是整个功能模块设计的基础和难点。在参考CPR1000 和EPR 优选设计的情况下，确定了信号的优先级，如表2 所示。根据确定的优先级关系，高优先级命令闭锁低优先级命令，再加上手自动命令，就形成了优先级管理模块。这个模块适用于任何一个专用驱动功能模块，模块没有的控制命令引脚只需空着即可。

表2 信号优先级Tab. 2 Priorities of signals

2.4 报警模块的设计

在EPR 项目的专用驱动功能模块中，报警模块同样也是黑匣子设计。在设计时需要确定哪些情况需要报警，产生报警的逻辑是什么。经过讨论，确定开启超时故障、关闭超时故障、双1 故障、双0 故障、开关盘故障、综合故障、开启响应故障、关闭响应故障、运行故障/紧急停、运行故障/紧急开启、保护关命令、保护开命令、其他故障等报警信息。这些报警的产生都由相应的命令与反馈经过一定的逻辑所产生，每一个报警确定了含义，逻辑也就自然产生。这些报警逻辑组合在一起就形成了报警模块。报警模块也是一个通用模块，无需专用驱动功能模块即可使用。

2.5 专用驱动功能模块的设计

专用驱动功能模块的设计是在优选模块和报警模块的基础上完成的，在开发每一类专用驱动功能模块之前，必须清楚专用控制模块的功能需求，这是专用控制模块设计最核心的设计输入。定义各类专用控制模块的功能需求的过程就是对已有核电厂设计的积累和总结的过程，分析和归纳各类执行机构、传感器、控制器的特点和控制要求。以电动阀MOV 模块为例，输入主要是开关命令和模式选择信号，输出主要是阀门状态和模式状态。参数包括阀门的开关时间、开关命令的优先级和安全位置等，这是完成MOV 模块逻辑的前提。

3 后续专用功能模块设计的思考

目前国内的控制逻辑图的设计上很少使用专用驱动功能模块，只有少数用于常规岛控制逻辑图设计中的执行器。基于国内目前专用控制模块的应用现状，更深入地开发和研究十分必要，而且功能模块的研发必须考虑与DCS 平台的兼容。目前国内DCS 厂家的强势发展，为国内设计院和国内DCS 供货商的合作创造了非常好的条件。

4 结束语

功能模块的应用是核电厂仪控设计长期积累的必然结果，也是大势所趋。在当今世界三代核电技术都使用功能模块的情况下，国内核电设计也应积极考虑功能模块的应用，在满足相应标准和法规的要求情况下，深入研究，多使用功能块设计，既可以减少不必要的工作量，也可以做到核心技术的保护。同时，针对国内在功能模块法规标准上的欠缺，也可以深入研究，保证功能模块使用的规范化和统一性。

［1］国际电工委员会.IEC 60617-12-1997 二进制逻辑单元［S］.1997.

［2］ 国家质量监督检验检疫总局.GB 4728.12.2008 二进制逻辑元件［S］.2008.

［3］国家质量监督检验检疫总局.GB 16901.1 -2008 技术文件图形符号表示规则［S］.2008.

［4］国家质量监督检验检疫总局.GB 20063.6 -2006 简图用图形符号 第6 部分测量与控制功能［S］.2006.