CPR1000核电厂逻辑图与模拟图设计研究

陈卫华　吕爱国　黄伟军

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳　518172)

CPR1000核电厂逻辑图与模拟图设计研究

陈卫华吕爱国黄伟军

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳518172)

摘要：针对CPR1000核电机组没有成熟的逻辑图与模拟图设计规则这一问题，在研究SAMA图与梯形图的基础上，结合系统设计，提出了一套适用于CPR1000机组的仪控设计制图规则。以闭路冷却水系统为例，通过分析工艺需求、设计原则，确定了相关设备的控制逻辑；结合设计流程，最终形成了工艺系统的逻辑图与模拟图。整个制图过程验证了该设计规则的可行性，对今后同类机组的仪控设计具有一定的指导意义。

关键词：CPR1000仪控系统闭路冷却水系统DCS逻辑图模拟图工程组态图梯形图

0引言

目前，国内外设计院对于仪控系统的设计，已有成熟的SAMA图[1-2]或者梯形图[3]，其中最典型的有时序图[4]、梯形图[5]、功能图等设计[6]，国内各大设计院现在仍然使用这些方法。由于CPR1000核电机组在国内设计起步较晚，对于仪控系统设计在逻辑、顺控等方面的制图方法尚没有成熟的规则可以遵循。本文在研究SAMA图与梯形图的基础上，结合工作中的闭式冷却水系统(systéme d'eau de refroidissement fermé,SRI)设计，形成了一套适用于CPR1000机组的仪控设计制图规则。

本文以闭路冷却水系统为例，通过分析工艺需求、设计原则，确定了相关设备的控制逻辑；结合设计流程，最终形成了工艺系统的逻辑图。整个制图过程验证了该设计规则的可行性，对今后同类机组的仪控设计具有一定的指导意义。

1 LD/AD的内容与用途

①逻辑图(logic diagram,LD)是一种用符号形式表示某一系统或者设备的仪表控制逻辑示意图，是设计者逻辑思维的一种书面表达形式。它主要用于控制器、传感器、执行机构之间的逻辑功能和对有关系统数据的逻辑处理(报警、指示器、通断数据、计算机等)，以及与其他系统交换的逻辑信号。

②模拟图(analogic diagram,AD)是一种用符号形式表示一个系统的测量和控制通道的示意图，是设计者模拟思维的一种书面表达形式。它主要用于系统控制和测量通道的过程，包括通道的所有能动部件(传感器、继电器、开关、转换器、模块、加法器、调节器等)，同时还显示初始模拟信号的处理过程以及这些信号在监视系统运行和控制过程中的应用。

1.1 LD/AD的主要内容

LD以逻辑命令的形式，即用通/断信号(状态1/0)来描述运行过程。逻辑图中需提供通/断信号的传感器和操作员使用的控制器(开关、按钮、操作键、手动操作器等)。由传感器、执行机构、控制器等发出的通/断信号以及这些装置共同发出的信号组成控制逻辑。这些逻辑主要包括：许可功能、闭锁功能、保护功能、控制开关功能、记忆功能、受控制的执行机构、操作员使用的通/断信息(报警、指示、计算机输入等)、与其他系统的接口逻辑数据。

AD以模拟量的形式描述通道中的所有部件。模拟图中需提供模拟传感器(热电偶、热电阻、流量/液位传感器、压力表等)、接口卡(用于数据转换)、计算和控制模块(PID调节器、开方器、加法器、动态模块、记忆模块等)、控制装置/自动/手动操作站/定值站、指示器/记录议、计算机输入、电动气动转换器和执行机构、与其他系统的接口模拟数据等。

1.2 LD/AD的主要用途

LD主要用于描述系统内执行机构在控制、监测、保护方面的逻辑动作，以及所产生的数据(这些数据构成系统控制的逻辑部分)。其详细描述不同系统之间的信息交换(用于确定接口)，绘制电气示意图，制定运行程序，并在发生故障时确定故障原因。

AD主要用于描述与系统控制和保护有关的模拟动作及产生的信息(该信息构成系统控制中的模拟部分)。其详细描述不同系统之间的信息交换(用于确定接口)，制定运行程序，并在发生故障时确定故障原因。

2 LD/AD设计中关注的问题和原则

2.1设计中关注的问题

2.1.1设计中关注的基本问题

设计是将许多部件通过一定的逻辑关系有机地组合在一起，从而形成一个系统；该系统可大可小，与系统的具体功能有关。在进行设计之前，须明确系统设计的功能以及希望达到的目的、系统的工艺流程、系统中各执行机构的作用、各执行机构如何协调运行以实现整个系统的功能、本系统与其他系统的接口等。

根据LD/AD的主要内容，系统设计过程基本应考虑以下几个方面。

①设计基准：主要描述系统设计的初始条件，即系统初始状态的参数，如功率、压力、流量、液位、温度、系列、标高等。

②设备设计：确定系统中的设备组成，系统的基本工艺流程等。

③材料选择：确定系统中构筑物和主要设备(泵、容器、阀门、管道、热交换器)材料等。

④设备说明：包括工艺流程图，与其他系统的接口，主要设备在系统中的功能与特性，相关仪表、管系、阀门以及系统布置等。

⑤运行参数：包括正常运行(运行中相关参数、报警监视等)、特殊稳态运行、特殊瞬态运行、启动和正常停运，控制原则(仪控系统如何实现控制功能)等。

⑥运行控制原则：对运行参数中的控制原则进行详细的区划。

2.2.2设计中的核安全考虑

对于核电站的设计，除了常规考虑外，还需要考虑核安全。在系统设计与执行机构的设计中，当涉及到核岛部分时，要特别考虑是否会影响到核安全。因此，须主要考虑以下几个方面：①监测反应堆运行的特征参数是否达到限值；②识别保护参数的状态，决定是否须采用保护动作、采用何种保护动作；③按照顺序要求，发出所有需要的安全动作(停止控制棒动作、停堆、工程安全设施动作)。

2.2须遵循的设计原则

根据CPR1000核电站的设计理念，设计必须遵循以下原则。

①系统保护原则。系统保护原则是指整个设计中以系统保护为目的所进行的总保护。如当汽轮机疏水箱水位高时，保护的不是水箱，而是整个汽轮机系统；这时候须发出停机保护信号。

②设备保护原则。相对于系统保护，设备保护原则的层次要低一些。它起到的保护作用是局部的。如对于SRI101PO，当高位水箱水位低时，禁止泵启动。该保护可以防止泵空转，对于泵而言是一种设备保护。

③过程保护原则。过程保护原则是系统在运行过程中所进行的一种保护。如在机组运行过程中，当某参数逐渐接近其设定值时，便会发出保护信号。该保护可以作为前两种保护的结合。

④顺序保护原则。顺序保护原则是在系统设计中所进行的综合考虑。如对于泵的启动控制，只有泵的上下游隔离阀都开启，然后管道内充水，才允许泵启动；又如汽轮机冲转前预检，只有相关信号都通过时，才允许冲转。所有这些具有前后逻辑关系的保护，属于顺序保护。对于顺序控制，可以自动启动或由操作人员启动。当顺序控制设备完好时，被控制的单体设备不能手动操作；反之，可以单体操作(切换方式是由监视装置自动实现的，而不是操作人员通过手动/自动切换开关实现)。

以上原则是独立的，适用于任何时间。如果出现故障，设计上应使保护系统处于安全位置，且排在前面的保护优先进行。

对于设计的原则，如果针对某一具体设计，有时候并不能完全分清属于哪一种保护，各种保护会结合到一起，共同参与系统保护。

3设计过程

确定设计原则后，根据既定的流程，便可以进行相应的设计。

3.1设计准备

(1) 制订统一的设计标准(已有通用标准规范除外)。①优先权的划分及实施方法；②不同安全级之间的隔离措施，同一安全级中不同级设备之间的隔离要求；③冗余回路的配置原则是除去TRAIN A/B的冗余要求，明确每一列的冗余配置要求；④控制室操作及显示方式要求；⑤去BUP的信号如何表示；⑥设计制图规定，包括LD/AD图框、线型、文字描述、功能图块、图符定义等。

(2)确定与工艺系统的设计接口。①在大件设备上的仪控设备测点要求；②执行部件的可控性要求，例如电动门应具备遥控/就地切换、开/关操作、控制电源、终端/行程开关、故障报警信号等；③电磁阀的控制电压尽量统一；④气动隔膜阀带开/闭终端开关；⑤其他控制要求。

在LD/AD的初期阶段，应对工艺专业提出上述要求，并要求将其写入相关设备的规格书中，以防在后续使用中发生仪控与工艺设备不匹配。

(3)了解仪控专业自选设备的性能。①DCS的性能介绍，并提出进行LD/AD时应注意的问题；②仪控设备选型；③非标准仪控设备的生产落实。

3.2设计过程

(1)工艺系统确定。该阶段需要以下设计输入：①运行参数；②设备清单；③工艺流程图；④功能安全分级；⑤仪控总体结构；⑥设计变更。

本阶段需确定与其他系统的接口，自动顺序控制以及相应的执行机构。初步设计流程图如图1所示。

(2)绘制LD/AD。对于有参考电站的LD/AD，首先须与参考电站进行比较；如果没有参考电站，则该步骤可以省略。绘制LD/AD，须进行以下检查：①系统手册中的设计原则与绘制的LD/AD前后是否一致，这些原则涉及系统保护、设备保护、过程保护、自动保护等，如果不一致，则须通过修改，保证前后的连贯性；}号的冗余回路进行检查；③对信号的隔离进行检查；④对驱动级标准模块的合理性进行检查。

其他方面的检查，包括确定手动禁止信号、检查一致性：执行机构/探头与电厂显示单元的一致性、LD/AD与电厂显示单元的一致性、LD/AD与后备盘清单的一致性、LD/AD与报警单元的一致性、系统接口的一致性、所需的命令与信号、系统控制边界、系统物理对称性(如常规岛闭路冷却水系统SRI101PO泵的控制可以复制到SRI102PO泵)等。

图1　初步设计流程图

本阶段完成后，通过相应的检查，即可以完成LD/AD。LD/AD的设计流程图如图2所示。

图2　详细设计流程图

(3)编制显示与报警手册，并且要确保命令与信号的一致性。此部分作为LD/AD的后续章节，在此不作深入讨论。

4系统设计实例

常规岛闭路冷却水系统(SRI)按照汽轮发电机连续输出为984 MW的条件设计[7]，能排出21 MW的热量。SRI的设计压力和温度分别为0.6 MPa和85 ℃。

除盐水由3台50%的卧式泵中的2台进行循环，余下的1台为备用。每台SRI冷却器的进口和出口管线设置手动隔离阀，能使该台冷却器隔离。冷却介质来自海水。经过冷却的水通过1根母管并联分配到各辅助冷却器以及泵/电机的轴承，进行相应冷却。所有的冷却水最后聚集到泵的吸入口，通过泵打入冷却器，构成一个闭式循环。该系统有一台高位水箱，可以使整个系统保持正的压头。

当运行中的任一台泵发生故障时，备用泵自动启动。

为使泵SRI101/201/301PO维持在最佳的工作点运行，设计一台旁路阀SRI060VD。通过调节该阀的开度，保证泵的出口流量恒定。系统流程图如图3所示。

图3　SRI系统流程图

从图3可以清楚地看出整个系统中水的流向。当一台泵故障时，压力可能会下降。为了保持整个回路的流量，在泵出口处设计一个压力传感器SRI001SP，当压力下降时，备用泵会自动启动。

另外，系统还设计了高位水箱水位报警、冷却水温度报警等常规功能。

控制方式1：旁路阀SRI060VD根据流量，使泵运行在最佳工作点，如图4所示。

图4　SRI060VD控制逻辑图

从整个系统的工艺流程来看，为使泵在接近最佳效率点上运行，设置辅助冷却器的旁路阀SRI060VD。当辅助冷却器的流量需求减少，旁路阀开大时，旁路流量增大，流径冷却器的流量减小，保证了泵的出口流量保持不变。

控制方式2：由3台泵实现自动控制功能。

在该SRI系统中，正常运行期间3台泵不需要人为干预；在故障情况下，如果有一台运行中的泵故障，备用泵会自动启动。其实现逻辑图如图5所示。

图5　SRI101PO启动逻辑图

从图5中可以看出，SRI101PO自动启动要具备以下条件。

①当冷却水母管压力未曾过低且过去的4 s内无停泵命令、SRI101PO没有运行，此时如果301PO运行过程中出口压力低，则自动启动SRI101PO。

②当冷却水母管压力未曾过低且过去的4 s内无停泵命令时，如运行中的201PO与301PO中的任意一台出现故障，则自动启动SRI101PO。

根据条件①，要启动SRI101PO，首先要保证曾经建立起冷却水母管压力；因为泵刚启动时，压力较低，因此一定要保证曾经建立过压力。另外，当手动发出停泵命令时，泵停运，压力也要相应降低，此时不允许备用泵自动启动。如果SRI101PO在运行，则无须再启动，因此这里有一个启动检查确认的信号。

根据条件②，如果201/301PO均在运行，任何一台泵故障即启动101PO。其目的还是为了防止出口压力低。

控制方式3：保证每次启动时，只有一台泵在接收启动命令信号。实现逻辑图如图6所示。

图6　记忆逻辑图

从图6可知：在正常运行时，出口压力不低，其出口压力记忆输出置“1”，此时无自动启泵命令信号。当出现故障时，出口压力会下降，此时根据顺序控制，会发出一个自动启动泵的命令信号。此信号有2 s的前延时，即2 s过后，出口压力记忆会复位置“0”，不允许泵再启动。2 s的延时保证了泵不会频繁多次启动。

控制方式4：保证压力正常低时，备用泵不会自动启动。实现逻辑图如图7所示。

从图7中可以看出，其中设置了一个4 s的前延时，即过去的4 s内无手动停泵信号。这样就能保证在停机状况下，当冷却水出口母管压力低时，不会使备用泵误启动。

5结束语

LD/AD是将所有工艺系统的控制要求、运行原则、故障保护要求通过图例形式实现的过程。对于一个核电站，LD/AD图纸的总数在3 000张左右，如何保

证LD/AD质量，其设计原则与设计过程至关重要。本文总结出系统保护原则、设备保护原则、过程保护原则、顺序保护原则，并通过实例验证了在设计过程中各保护原则的有效性。这些原则为设计人员设计LD/AD奠定了基础。

图7　停泵记忆逻辑图

从以上实例可以看出，闭路冷却水系统虽然简单，但通过对泵的设计原则与设计过程的合理运用，证明了设计原则与设计过程的有效性。在泵的控制逻辑中，实现了顺序控制、设备保护等功能。

本文的系统设计原则与设计过程并非针对单个的系统，对于核电站其他LD/AD的设计也具有指导意义。

参考文献

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[3] 罗纲.梯形图的逻辑设计法[J].成都纺织高等专科学校学报.2002(2):9-10.

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[5] 赵小娟. PLC梯形图的设计[J].科技创新导报.2010(25):78.

[6] 王钊.功能模块的设计与应用研究[J]. 自动化仪表, 2015,36(11):4-7.

[7] 苏林森,杨辉玉,王复生,等.900MW压水堆核电站系统与设备[M].北京:原子能出版社,2007.

Study on the Design of Logical Diagram and Analogue Diagram of CPR1000 Nuclear Power Plant

Abstract：For the problem that CPR1000 nuclear power units lack of mature design rules for logic diagrams and analogue diagrams, on the basis of researching SAMA diagram and ladder diagram, and combining with system design, a set of drawing rules of I&C design for CPR 1000 units is proposed.With the closed cooling water system as example, through analyzing the demands for technological process and design principles, the control logics for associated facilities are determined.Combining with design procedures, the logic diagrams and analogue diagrams of the process system are formed finally.The whole drawing process verifies the feasibility of these design rules, which have certain guiding significance for designing I&C systems of similar units in the future.

Keywords:CPR1000Instrument control systemClosed cooling water systemDCSLogic diagramAnalogue diagramEngineering configuration diagramLadder diagram

中图分类号：TH-39;TP273

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606024

修改稿收到日期：2016-03-16。

第一作者陈卫华(1972-)，男，1995年毕业于北京科技大学工业自动化专业，获学士学位，高级工程师；主要从事核电厂仪控设计方向的研究。