核电厂特种电磁阀控制器研制创新

李 中,徐瑞阳,王环宇,吴晨光,付恒昌

(1.江苏核电有限公司,江苏 连云港 222042;2.成都理工大学工程技术学院,四川 乐山 614000;3.北京宝亮网智电子信息技术有限公司,北京 100193)

1 目的

近年来,随着我国核电事业的发展,国内已有一些建设并投入商业运行的核电站。在现有的核电站中,前期建设发电的核电站采用国外进口的核电技术和设备较多。在核电站运行中,设备的维修、保养及配件更换成为现实的问题。由于在建设初期大量采用进口的原装设备,导致配件紧缺、维护成本极高的现象必然出现,这也给维护配件逐步国产化带来空间。为此,江苏核电有限公司对田湾核电站1、2号机组采用的核安全级俄罗斯进口的监测取样电磁阀控制器装置,进行了国产化研制开发,并对该装置进行了功能扩展。在保持原有功能的基础上,增加了对所控制电磁阀门的误动作监测功能,使得取样监测系统更加准确反映出真实的结果,提高了工作效率。

2 需求分析

电磁阀控制器主要功能是完成核电站放射性气、液介质的自动循环取样测量控制,确保核电站重要设备密闭性和人员可居留性监测,为核电站核与辐射安全提供一道屏障。阀门控制器在仪控测量中的功能作用如图1所示。该电磁阀门的控制器按统一通信协议传输信号对阀门的通断进行控制,并需要对正常的通断和异常误动作情况进行指示灯指示和报警。现场电磁阀控制器装置功能参数需求如表1所示。

图1 电磁阀控制器的控制功能Fig.1 The control function of the electromagnetic valve controller

表1 电磁阀控制器功能参数需求Table 1 The function parameters of the electromagnetic valve controller

3 功能要求

自主国产化的控制器应该能够和原有俄罗斯供货的控制通讯软件完美衔接,控制功能和响应时间不低于原控制器设备相关参数。

控制器设备面板上较原有的俄供设备增加设计电源指示灯,增加12个控制回路的对应阀门开、关、故障工作状态指示。

能够判断电磁阀在关闭状态下因气流等扰动因素,导致的阀门瞬态的半开或非关状态,并发出指示灯和信号报警。

国产化的控制器阀门连接端口、上层计算机通信控制端口、电源口、安装位置尺寸等都必须与现场原有的其他设备兼容,成套控制装置的框架结构如图2所示。

图2 电磁阀控制器的上下层接口Fig.2 The lower and upper interface on the electromagnetic valve controller

4 软件分析

通过对系统控制命令的侦听读取和数据分析,解析了上层工控机系统在连续发出读取反馈电路的控制信号命令代码。通过连续地读取1至12路电磁阀门工作的返回数据,上层工控机软件可以准确判断其工作状态。电磁阀控制器软件侦听和解析结果如表2所示。

表2 电磁阀控制器软件侦听和解析Table 2 Listening to and parsing of the electromagnetic valve controller software

5 功能设计

5.1 电磁阀控制器方案设计

设计的控制方案如图3所示,上层工控机软件发出控制命令到接口模块,计算机接口模块完成信号命令转换后,在时序模块控制下,经译码模块和译码锁存模块将阀门控制信号送入驱动逻辑分配模块,根据分配后的逻辑信号,分别控制驱动模块12个阀门供电回路的供电,实现电磁阀的打开控制。通过光电隔离、驱动反馈、数据反馈编码模块以及接口模块,电磁阀控制器实现了控制软件上阀门开关状态的反馈。驱动模块直接与电磁阀门电气连接,阀门获得工作电压,即可判断为阀门打开。根据现场功能需求,在驱动模块的回路中,研究人员创新设计了阀门误打开动作监测模块。

计算机接口模块采用标准的ND-6050模块(RS485转DI/DO),该模块为RS485、8路DO、7路DI接口。在电磁阀控制器中,电路器件采用4000系列 (军品级)的CMOS器件,主供电电压采用直流12 V。译码模块、译码锁存模块、驱动逻辑模块在时序模块的统一时序脉冲下工作,由驱动模块输出信号驱动电磁阀门工作。由于电磁阀门驱动电压使用直流24 V,在电磁阀反馈信号时,设计增加了光电隔离电路,将24 V通过光耦转换为12 V逻辑信号。电磁阀动作信号经过驱动反馈模块,送到计算机接口模块的DI端,供上层工控机系统接收。

图3 国产化的阀门控制器功能框图Fig.3 Localization of the valve controller function block diagram

在物理结构上,电磁阀控制器的箱体进行了抗地震、防静电、防浪涌、防电磁辐射、防水、防尘等多方面的设计。

5.2 电磁阀控制器控制逻辑设计

根据核电站辐射控制区多个测量点循环取样测量的逻辑控制需求和上层工控机控制软件的控制功能,设计了完整的电磁阀控制器控制和反馈信号真值表[1],如表3所示。其中S0、S1的逻辑值代表了阀门状态反馈信号的编码器使能端。

表3 电磁阀控制器控制和反馈信号真值表[1]Table 3 Truth table of control and feedback signals for the solenoid valve control device

续表

5.3 误动作监测模块设计

根据现场放射性气体取样电磁阀控制功能需求,设计电磁阀控制器的误动作监测电路,基本框架如图4所示。阀门电感线圈回路同时是误动作控制电路中的驱动模块,依据法拉第电磁感应定律动生电原理,电磁阀在没得到系统指令信号的电压时,如果电磁阀铁芯受到管道内流体瞬间推动,铁芯将在电感线圈中抖动,电感线圈回路就会产生感生电动势,回路检测电路将检测出电流值。该电流值被转换为电压信号后,与阀门误动作参考电压进行比较和反相处理,处理后的信号送入逻辑触发器。触发器将输出高电平,推动报警电路报警或点亮LED发光管。

图4 电磁阀误动作监测电路流程图Fig.4 The misoperation monitoring circuit of the electromagnetic valve1—阀门电感线圈回路;2—回路电流检测;3—电压比较器;4—反相器;5—触发器;6—复位电路;7—误动作信号输出;8—分压器;9—反相器;10—阀门误动作参考电压

电磁阀门正常工作的驱动电压,通过误动作检测电路中的分压器和反相器,形成信号电压。该信号电压被送入误动作逻辑触发器,确保该触发器在阀门正常控制动作时不进行误动作信号检测,实现阀门无工作电压状态下的误动作检测目的。如果误动作监测模块出现了阀门误动作信号输出,可以通过复位电路予以确认并消除。

5.4 误动作监测电路逻辑设计

根据现有的电磁阀结构和控制器控制及反馈信号,设计电磁阀误动作监测模块的逻辑关系,如表4所示[2]。

表4 阀门误动作监测模块运算逻辑表[2]Table 4 Operational logic of the valve misoperation monitoring module

6 试验和比较

自主研制的电磁阀控制器样机根据现场设备级别要求,此次执行了抗震鉴定试验、电磁兼容(EMC)试验、IP等级试验、现场运行试验,结果全部合格。其中,依据核电站相关建筑物标高地震谱进行了抗地震检测试验,加速度时程、反应谱和实物图如图5～图7所示。

图5 SSE试验X向台面加速度时程Fig.5 Acceleration time history for SSE test mesa of X direction

图6 SSE试验X向台面加速度反应谱Fig.6 Acceleration response spectrum for SSE test mesa of X direction

图7 抗震试验实物图片Fig.7 Seismic test

因功能需求的特殊性,目前国内外市场上没有与该成果样机功能完全一致的成熟产品。与俄罗斯原有设计供货的电磁阀控制器产品各方面性能进行比较,具备如表5所示的显著特点。

表5 国产化研制的控制器与俄供控制器的性能对比Table 5 Performance contrast between localized controllers with Russia supplied controllers

续表

7 结论

在田湾核电站现场,通过在线运行测试,自主研制的电磁阀控制器完全满足系统要求。经运行验证、抗震试验、EMC试验、IP等级试验,自主研制的电磁阀控制器全部符合核电站相关等级要求。该项目目前已经获得国家两项专利授权,具有独立的自主知识产权,经中国核工业集团公司成果鉴定 (鉴定证书编号:中核科鉴字〔2017〕第156号),到达国际先进水平。

该项目的顺利完成,实现了电磁阀控制器的设备国产化,并创新实现了误动作监视功能,经济效益和社会效益显著,可以在田湾核电扩建工程和国内外其他核电站推广使用。