一种核电厂安全级执行器优选控制模件设计

陈日罡

摘要：结合核电厂仪控设计实例，对安全级执行器优选控制模件的基本功能需求进行分析，提出一种优选控制模件的设计方案，并以此为基础，归纳出核电厂安全级执行器的典型控制方案。

关键词：仪控系统；执行器；控制模件；控制逻辑

中图分类号：TM623.7 文献标识码：A 文章编号：2095－6835（2014）09－0003－02

数字化仪控系统通常采用模块化结构设计，保护功能、正常运行功能等由不同的控制系统实现，因此，对于一些既担负保护功能，又执行正常运行功能的执行器来说，将会接受多个上游控制系统的指令（例如上充泵，在正常工况下，担负着冷却剂回路容积控制、主冷却剂泵密封水注入等功能，而在一回路破口工况下，它又执行着高压安注的功能，维持一回路的水装量）。这些指令将通过优选控制逻辑进行处理，确保最高优先级的控制指令能够驱动现场执行器。

下面将结合核电厂项目设计的实例，对优选控制模件的基本功能需求和安全级执行器的典型控制方案进行分析，并提出一种能够满足核电仪控要求的优选控制模件设计方案。

1优选控制模件设计的基本原则

优选控制模件的设计应遵守以下几项基本原则：①优选模件的设计应与整个数字化仪控系统的设计方案相匹配，合理设计功能分配和接口；②满足核安全级仪控系统的设计准则，支持在线定期试验；③采用标准化设计，保证设计方案能够适用于不同类型的控制对象；④采用基于FPGA技术等硬件描述语言的可编程设备，以降低软件共模的故障风险。

2优选控制模件与仪控总体结构的关系

图1为核电厂的仪控系统典型结构。

从上图可以看出，优选控制模件与下列系统存在直接的物理接口：

紧急操作装置：提供系统级停堆和专设安全驱动（ESFAS）的手动保护动作指令。

主保护系统：提供紧急停堆和专设安全驱动的自动指令。

多样化保护系统：采用与保护系统不同的数字化平台，提供多样化的专设安全驱动自动指令。

控制系统：提供连锁，顺控等自动控制指令。

此外，与操纵员工作站存在功能接口：

操纵员工作站：操纵员可通过工作站对执行器进行软手操，在控制指令由控制系统处理后，送至优选控制模件。

3主要功能需求分析

3.1优选逻辑处理

优选控制模件直接接受来自紧急操作装置、主保护系统、

多样化保护系统和控制系统的指令，其优先级的设置应遵守纵深防御的原则，同时还要兼顾设计的合理性。

从纵深防御的角度分析可知：控制系统用于维持电厂的正常运行；主保护系统用于阻止事故的演变或限制事故的损失；多样化保护系统用于在计算机化的主保护系统软件发出共模故障的情况下，为事故处理提供多样化的紧急停堆和专设驱动自动手段；紧急操作装置是为应对数字化仪控系统失效后的手动后备。因此，控制系统的优先级应为最低，而主保护系统、多样化保护系统和紧急操作装置都是用于事故处理的系统，理论上可不区分优先级。但从提高模件设计的灵活性和标准化的角度考虑，可以在优选控制模件的实际设计中将主保护系统设为最高优先级，紧急操作装置次之，多样化保护系统再次之。

因此，优选控制模件需要提供四组指令输入端口，其优先顺序如下：主保护系统＞紧急操作装置＞多样化保护系统＞控制系统。

每组控制指令分为开/启和关/停两个方向，对每一个特定的安全级执行器而言，其优先顺序可能都不相同，对此，在优选控制模件设计时，需保证一个方向的指令优先级高于另一个方向。至于哪个控制方向优先级高，可以根据具体的应用来确定。

优选逻辑的基本原理如图2所示。

图1核电厂仪控系统典型结构框图图2典型优选逻辑

从图2中可以看出，具有高优先级的指令必须为保持型信号才能保证优选逻辑的有效性，这也符合保护动作一经触发必须彻底完成的设计原则。因此，紧急操作装置、保护系统和多样化保护系统的指令信号均应为保持型。在实际设计中，紧急操作装置、保护系统和多样化保护系统指令一般均设有专门的保持逻辑，在保护动作完成后由操纵员根据工况判断是否复位。

Evaluation of the Distribution Network with Distributed Power Reliability Model

Liu Yongchao

Abstract: Distributed Power Distribution System Reliability studies, studies show that the distribution network reliability evaluation model with the popularity of distributed power constantly changing, and by installing circuit breakers and disconnectors, can improve the system reliability nature, the rational use of energy resources has important practical significance.

Key words: distributed power; distribution network; reliability; assessment

对于少数没有设计保持逻辑的，只要使动作的保护变量超过整定值，输出指令就一直存在，直到保护变量低于整定值。

3.2执行器驱动控制

在核电项目中，安全级执行器按其驱动方式可分为两大类：

马达驱动：控制命令的保持和中断在马达控制中心实现；执行器可以接受脉冲或保持型的控制指令，并通常采用脉冲型输出。

电磁阀驱动：控制命令的保持和中断在控制系统中实现；执行器只能接受保持型控制指令。

脉冲逻辑信号处理功能可以在优选控制模件和上游控制系统中实现，从简化优选模件设计的角度考虑，本文分析了该功能在上游控制系统中实现的方案。如上文所述，无论对于何种设备，紧急操作装置、保护系统和多样化保护系统均为保持型的保护指令输出，因此主要考虑的是控制系统。

事故后保护动作复位的原则是：操纵员对保护动作的手动复位不会取消或阻止保护动作的完成，也不会给操纵员提供一种使手动优先于自动系统的简单的操作手段。也就是说，当保护系统信号消失时，执行器状态应保持不变，直到接收到操纵员新的操纵指令或自动控制指令。根据这一要求，在保护动作出现时，来自电磁阀保持型指令输出必须与其一致。在控制系统电磁阀驱动控制逻辑中需引入优选控制模件，最终使指令输出参与保持回路的置位或复位。

通过对优选控制模件的功能分析，并结合核电厂仪控系统总体结构的特点，可以总结出电磁驱动类执行器的典型控制方案，如图3所示。

图3电磁驱动阀门典型控制方案

3.3定期试验功能

根据核电厂安全级仪控系统的设计准则，要对执行安全功能的执行器的整个驱动控制回路进行定期试验。定期试验分为闭锁试验和不闭锁试验。其中，闭锁试验用于测试主保护系统、紧急操作装置和多样化保护系统保护系统至优选控制模件之间的控制回路，并不触发执行器动作；不闭锁试验用于测试由优选控制模件至现场执行器之间的控制回路，由操纵员工作站发出试验指令，真正驱动执行器动作，通过现场反馈信号确认整个回路是否正常工作。

闭锁试验和不闭锁试验应在优选控制模件中相互衔接，保

证对整个驱动控制回路测试的完整性。为实现这一要求，优选控制模件设计考虑下列要点：①在模件设置试验中允许逻辑的实际信号与试验信号之间的切换。当保护系统发出真实保护信号时自动终止试验，不应影响保护系统系统正常功能的执行。②当设计闭锁试验反馈信号时，可通过上游系统读回闭锁试验的结果。③保护回路的试验不会干扰控制系统对执行器的正常控制。

基于上述优选控制模件设计的要点，优选模件内部逻辑的设计如图4所示。

图4优选控制模件内部逻辑

从图4中可以看出，在进行闭锁试验时，优选控制模件输出首先切换至控制系统侧，执行器接受其控制指令，而来自优选逻辑的控制指令被断开，此时执行器保持在试验前一刻的状态。这种设计既保证了试验时来自上游系统的试验信号不会触发执行器动作，又避免了因电磁阀驱动执行器失去控制信号而发生的掉电动作。

为避免由于试验回路的故障而闭锁真正的保护动作，试验回路可考虑设计这样几个环节：①试验信号设计为脉冲信号，避免长时间闭锁优选逻辑输出；②任一保护动作出现均将闭锁试验信号输出；③上述两个方案同样适用于紧急操作装置和多样化保护系统与优选模件之间的信号通道的试验。

4结束语

综上所述，优选控制模件设计方案能够很好地适应核电厂数字化仪控系统的结构特点和功能要求，为安全级执行器的控制、定期试验等提出了合理的解决方案。应该指出的是，优选控制模件的设计方案并不是只有这样一种。上文中给出的设计方案是在保证满足核电厂仪控设计基本结构和功能要求的前提下，通过仪控功能在不同子系统间的合理分配，尽量达到简化优选控制模件设计目的的一种设计方案。实际上也可以考虑在优选控制模件中增加设备控制，例如命令的保持和中断、执行器状态监视等功能，使得模件的功能更加丰富、完善，但这会增加设计和开发的难度。无论采用哪种方案，都必须从安全级执行器控制的需求出发，同时充分考虑仪控系统的结构设计、仪控功能分配、人机接口设计和纵深防御等各个方面的因素，只有这样，才能保证方案的合理和优化。

〔编辑：王霞〕

One Kind of Nuclear Power Plant Safety Level Preferred Actuator Control Module Design

Chen Rigang

Abstract: Nuclear power plant instrumentation and control design examples, the basic functional requirements of the preferred security level actuator control module to be analyzed, a preferred control module design, and on this basis, summed up the implementation of nuclear power plant safety levels typical control scheme.

Key words: instrumentation and control systems; actuators; control module; control Logic

闭锁试验和不闭锁试验应在优选控制模件中相互衔接，保

证对整个驱动控制回路测试的完整性。为实现这一要求，优选控制模件设计考虑下列要点：①在模件设置试验中允许逻辑的实际信号与试验信号之间的切换。当保护系统发出真实保护信号时自动终止试验，不应影响保护系统系统正常功能的执行。②当设计闭锁试验反馈信号时，可通过上游系统读回闭锁试验的结果。③保护回路的试验不会干扰控制系统对执行器的正常控制。

基于上述优选控制模件设计的要点，优选模件内部逻辑的设计如图4所示。

图4优选控制模件内部逻辑

从图4中可以看出，在进行闭锁试验时，优选控制模件输出首先切换至控制系统侧，执行器接受其控制指令，而来自优选逻辑的控制指令被断开，此时执行器保持在试验前一刻的状态。这种设计既保证了试验时来自上游系统的试验信号不会触发执行器动作，又避免了因电磁阀驱动执行器失去控制信号而发生的掉电动作。

为避免由于试验回路的故障而闭锁真正的保护动作，试验回路可考虑设计这样几个环节：①试验信号设计为脉冲信号，避免长时间闭锁优选逻辑输出；②任一保护动作出现均将闭锁试验信号输出；③上述两个方案同样适用于紧急操作装置和多样化保护系统与优选模件之间的信号通道的试验。

4结束语

综上所述，优选控制模件设计方案能够很好地适应核电厂数字化仪控系统的结构特点和功能要求，为安全级执行器的控制、定期试验等提出了合理的解决方案。应该指出的是，优选控制模件的设计方案并不是只有这样一种。上文中给出的设计方案是在保证满足核电厂仪控设计基本结构和功能要求的前提下，通过仪控功能在不同子系统间的合理分配，尽量达到简化优选控制模件设计目的的一种设计方案。实际上也可以考虑在优选控制模件中增加设备控制，例如命令的保持和中断、执行器状态监视等功能，使得模件的功能更加丰富、完善，但这会增加设计和开发的难度。无论采用哪种方案，都必须从安全级执行器控制的需求出发，同时充分考虑仪控系统的结构设计、仪控功能分配、人机接口设计和纵深防御等各个方面的因素，只有这样，才能保证方案的合理和优化。

〔编辑：王霞〕

One Kind of Nuclear Power Plant Safety Level Preferred Actuator Control Module Design

Chen Rigang

Abstract: Nuclear power plant instrumentation and control design examples, the basic functional requirements of the preferred security level actuator control module to be analyzed, a preferred control module design, and on this basis, summed up the implementation of nuclear power plant safety levels typical control scheme.

Key words: instrumentation and control systems; actuators; control module; control Logic

闭锁试验和不闭锁试验应在优选控制模件中相互衔接，保

证对整个驱动控制回路测试的完整性。为实现这一要求，优选控制模件设计考虑下列要点：①在模件设置试验中允许逻辑的实际信号与试验信号之间的切换。当保护系统发出真实保护信号时自动终止试验，不应影响保护系统系统正常功能的执行。②当设计闭锁试验反馈信号时，可通过上游系统读回闭锁试验的结果。③保护回路的试验不会干扰控制系统对执行器的正常控制。

基于上述优选控制模件设计的要点，优选模件内部逻辑的设计如图4所示。

图4优选控制模件内部逻辑

从图4中可以看出，在进行闭锁试验时，优选控制模件输出首先切换至控制系统侧，执行器接受其控制指令，而来自优选逻辑的控制指令被断开，此时执行器保持在试验前一刻的状态。这种设计既保证了试验时来自上游系统的试验信号不会触发执行器动作，又避免了因电磁阀驱动执行器失去控制信号而发生的掉电动作。

为避免由于试验回路的故障而闭锁真正的保护动作，试验回路可考虑设计这样几个环节：①试验信号设计为脉冲信号，避免长时间闭锁优选逻辑输出；②任一保护动作出现均将闭锁试验信号输出；③上述两个方案同样适用于紧急操作装置和多样化保护系统与优选模件之间的信号通道的试验。

4结束语

综上所述，优选控制模件设计方案能够很好地适应核电厂数字化仪控系统的结构特点和功能要求，为安全级执行器的控制、定期试验等提出了合理的解决方案。应该指出的是，优选控制模件的设计方案并不是只有这样一种。上文中给出的设计方案是在保证满足核电厂仪控设计基本结构和功能要求的前提下，通过仪控功能在不同子系统间的合理分配，尽量达到简化优选控制模件设计目的的一种设计方案。实际上也可以考虑在优选控制模件中增加设备控制，例如命令的保持和中断、执行器状态监视等功能，使得模件的功能更加丰富、完善，但这会增加设计和开发的难度。无论采用哪种方案，都必须从安全级执行器控制的需求出发，同时充分考虑仪控系统的结构设计、仪控功能分配、人机接口设计和纵深防御等各个方面的因素，只有这样，才能保证方案的合理和优化。

〔编辑：王霞〕

One Kind of Nuclear Power Plant Safety Level Preferred Actuator Control Module Design

Chen Rigang

Abstract: Nuclear power plant instrumentation and control design examples, the basic functional requirements of the preferred security level actuator control module to be analyzed, a preferred control module design, and on this basis, summed up the implementation of nuclear power plant safety levels typical control scheme.

Key words: instrumentation and control systems; actuators; control module; control Logic