核电站顺序控制技术设计原则与基本要求

黄 勇，何伯阳，郭 伟

（1.中广核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086；2.中广核研究院有限公司，广东 深圳 518031）

0 引言

顺序控制是自动控制领域中最基本的应用，又是应用最广泛的一个方面。近年来，随着计算机技术的飞速进步和新型控制器的不断诞生，顺序控制技术也焕然一新，取代了传统继电器逻辑控制电路中大量的时间继电器和中间继电器，简化控制线路、提高系统可靠性与工业自动化水平。

20年来，随着中国核电事业的蓬勃发展，从以模拟控制为主的大亚湾核电到全数字化控制的田湾核电，电站的自动化水平越来越高，顺序控制技术在田湾核电站中得到了大量的应用。因此，顺序控制技术在核电站必将获得越来越广泛的应用。本文将对控制对象纳入顺序控制系统进行分析，提出顺序控制技术设计原则与顺序控制系统设计的基本要求。

1 核电站纳入顺序控制系统对象的主要思路

核电站发电过程顺序流程示意图如图1所示。根据核电站设计的工作原理和工艺过程，可以将工艺过程分为6个功能区，分别为：辅助系统、一回路系统及其辅助系统、二回路系统及其辅助系统、汽轮机发电机系统、最终热阱系统、废物处理系统，每个功能区下再分功能组，部分功能组下再细分为功能子组。

图1 核电站发电过程顺序流程示意图Fig.1 The sequence flow diagram of power generation process of nuclear power plant

功能分组的目标是将同样的功能放在DCS的同一功能组中进行处理，以尽量减少通过网上进行交换的数据量；合理的分组可降低系统复杂性，提高系统可靠性。同时各个功能组功能满足独立性原则，不同功能组之间的功能相对独立，便于系统的调试、安装，以及机组的启动、停机和正常的功率输出。功能分组还用于指导过程控制机柜的信号分配和组态，以及主控室人机界面的设计。

因此，将核电站纳入顺序控制系统对象的思路如下：

1）从可行性的角度分析，如果被控对象本身不具备顺序控制的设计要求或没有设计顺序控制的功能要求，不纳入顺序控制考虑。对于大部分需要进行手动操作要求的设备群，也不纳入顺序控制考虑。

2）从安全角度分析，顺序控制不执行安全功能，顺序控制的功能属于非安全级功能。所以，那些工艺上明确已定义为安全级功能的系统与设备不适合纳入顺序控制考虑。

3）功能相对独立，又比较专用的特殊系统（如堆芯仪表系统、电厂控制系统等），考虑到其平台的特殊性，不适合纳入顺序控制考虑。

4）从安全级与非安全级功能满足隔离要求的角度分析，某些控制功能在工艺上明确定义为非安全级，但又包含安全级设备与控制指令混搭的情况，不适合纳入顺序控制考虑。

5）与通讯相关的广播、告警、寻呼、电话等系统，及消防系统不纳入顺序控制考虑。

6）全厂辅助系统（Balance of Plant，BOP）子项仪控不适合纳入顺序控制考虑。

7）常规岛汽轮机的控制、诊断和保护系统，由厂家集成配套后可纳入顺序控制考虑。

8）适合采用分布式控制的连续和顺序过程与核岛和常规岛的机组运行有一定关系，且仅用于单台机组的BOP，应尽可能纳入顺序控制系统。

2 顺序控制系统设计流程及通用设计原则

顺序控制系统的设计开发过程分为需求分析、需求定义、系统设计、硬件设计、软件设计、测试、工程运维。顺序控制系统设计步骤如图2所示。

2.1 需求分析

需求分析阶段是对系统所需求的最终目标，及实现该目标的设备、器件等控制对象进行分析、理解。要实现这些需求，必须具备关于控制装置、控制器件、控制系统的知识。

需求分析工程中需要把握的原则有：把握系统所需求的最终目标；对设备、器件等检测对象的了解；关于控制装置、控制器件等控制系统知识的整理；设备器件的运行方式及监视方式等控制功能的抽出与分析。

2.2 需求定义

需求定义阶段是对需求进行分析，把分析结果作为规格来定义。在需求分析中，为达到系统所需求的最终目标，要对控制对象、控制系统及功能这3个部分进行分析，上述3个部分并不是各自独立的，而是相互关联的。因此，在需求定义中必须确定能满足控制对象、控制系统和功能三者之间关系的规范，作为确定规范的各种文件。

需求定义工程中需要把握的原则有：控制功能的确定；控制功能流程的确定。

2.3 系统设计

系统设计阶段需要确定控制装置及外围装置各自的功能及接口，PC的输入、输出信号，程序的结构等。

系统设计需要把握的原则有：功能区分及接口的确定；输入输出信号的确定与分配；程序结构的确定。

2.4 硬件设计

硬件设计阶段的工作主要是控制器件、控制系统的设计组装。硬件设计包含的原则有：硬件的系统结构设计应与软件的结构设计一并考虑；硬件系统设计应选用经典电路和常用的控制器件，实现硬件系统的标准化、模块化；在满足系统功能需求的前提下，硬件系统的设备配置应留有二次开发的空间；硬件系统各电子元器件应尽可能做到性能的相互匹配，使得系统运行更稳定；硬件系统应考虑可靠性及抗干扰能力的设计；硬件系统驱动能力的设计应满足外接电路正常工作的要求；要选择标准化以及抗损性好的器件或电路；CPU能满足系统功能需求，不需要追求太高的性能；CPU应选择成熟、稳定、集成度高的产品，简化系统控制电路，以提高系统的可靠性；CPU选型还应具有丰富的应用软件支持。

2.5 软件设计

软件设计阶段是把在需求定义以及系统设计工程中所描述的控制功能逻辑具体实现。把握再利用设计；主程序的设计；非标准程序的设计三原则，可使该软件具有高效率、无差错，避免人为因素所造成的偏差，使非熟练者达到熟练者的程度。

2.6 测试

让设计的软件在PC上动作，进行单元试验及系统试验，验证软硬件的兼容性，以及是否能够满足用户的要求。

2.7 工程运维

完成单元试验及系统试验的验证之后，现场安装调试，进行工程运用及维护。

3 核电站顺序控制设计原则

根据文献[5-9]及第2节核电站纳入顺序控制的主要思路，提炼出如下11条作为核电站顺序控制设计的主要原则：

1）如增加操纵员负荷的单调或重复性的任务，宜采用顺序控制。

2）负荷或工况变化需要操作或异常工况手操来不及时的任务，宜采用顺序控制。

3）机组运行过程中，控制参数及设定值的改变与检查，宜采用顺序控制。

4）繁琐的、操作顺序规律固定的、不需操纵员判定的设备组或辅助工艺系统的启/停顺序。

5）在机组正常运行、启停期间，需要频繁执行或持续长时间的任务、大量参与的系统以及紧急的操作，宜采用顺序控制。

6）机组运行因缺少某些功能而导致复杂动作的任务，宜采用顺序控制。

7）机组运行因某些手动执行的功能而导致操纵员负荷增加，宜采用顺序控制。

8）机组运行时，需同时监测多个参数的操作，宜采用顺序控制。

9）在机组运行、启停期间，某些需要单独执行的功能，该功能简便但会增加操纵员负荷的任务，宜采用顺序控制。

10）可以提高机组利用率及减少启停时间的任务，宜采用顺序控制。

11）能减少因人工操作错误而引发故障和事故的情况，宜采用顺序控制。

4 核电站顺序控制系统设计基本要求

根据文献[1，4-10]等，可总结出在进行顺序控制系统设计时，应遵循的设计基本要求有：

1）确定一个项目能够采用顺序控制，要根据实际的生产需求、过程控制设备所具备的条件来考虑。

2）采用顺序控制时，每个被控对象宜在就地或辅助盘上设单独的控制手段。顺序控制的启、停、中断等指令机构，可根据该局部系统的重要性，布置在主要控制台或辅助盘上；而对常规控制开关或按钮，属于重要的处理事故所需的，应布置在控制台上；其余可根据盘、台布置条件，布置在辅助盘或就地盘上[1]。

3）控制顺序及方式由工艺特点及运行方式决定。顺序控制的操作步骤应做到简单、实用；工艺系统的设计也应尽量简化；控制程序应模块化、通用性强。另外，顺序控制系统的被控对象需要有良好的可控性。

4）操作人员应能在操作盘台上操作任何一个被控对象。为了防止操作员的误操作，在手动操作的过程中必须设有许可条件。逻辑中应设计相关的联锁保护，以防设备在非安全或潜在危险工况下运行。

5）操作盘台上的设计应能显示顺序控制系统各设备的工作状态，还应设有顺序控制设备的故障报警信号。设计复杂的顺序控制系统时，必须显示每一个操作要求和步骤。

6）顺序控制系统中每执行一步操作均应得到被控对象反馈信号的确认，并监视该动作的执行时间。若该动作执行超出设定的时间，则产生报警信号，禁止执行下一步动作。当运行人员消除故障后，可再次启动顺序程序，继续执行下去。

7）顺序控制系统在自动运行期间，若被控对象出现故障或操作员发出中断信号，则应中断正在执行的指令，使被控对象向安全方向动作。当运行人员排除故障并经确认后，可启动程序并继续执行下去。

8）顺序控制系统的启停、联锁保护设计应考虑以保护被控设备为主，并保证机组的正常运行。

9）优先级排队。设备的操作方式分为3种：手动、自动、联锁保护。其中联锁保护的优先级最高，自动操作指令则比手动操作指令优先。

10）顺序控制系统宜以子功能组为主。对于每一个子组及其相关设备，它们的状态、启动许可条件、操作顺序和运行方式，均应在显示器画面上显示[7]。

11）操作指导及提示信息。在进行手动操作时，应为运行人员提供操作指导，指导信息应采用图形的方式显示，并显示需要执行的步骤，在画面上用不同颜色表示设备状态的变化。

12）在满足安全要求的情况下，操作员可通过手动控制执行下一步指令。

13）互锁设计。为了使某些特定状态不同时发生，比如被控对象的启动与停止、开与关、正转与反转等，应采用互锁设计，被控对象执行的指令应向安全方向动作。

14）为防止信号源或回路断电而产生误动作，用于保护的继电器触点、开关触点宜采用动合型的。

5 结束语

本文提出了将控制对象纳入顺序控制系统的基本原则，为核电站顺序控制系统的设计提供了依据。遵循上述原则，最大范围的采用顺序控制技术，可以提高核电站的自动化水平，减少操作员的操作次数，降低工作强度。同时，也有助于缩小控制盘和监视画面的占地空间。最重要的是有利于操作员在紧急情况下和运行方式多变情况下做出正确的选择，有利于机组的安全运行。