核电厂SLC两系CPU信号不一致问题技术研究

符 江，练 锴，刘胜智，潘伟伟

(苏州热工研究院有限公司系统工程中心，广东 深圳 518003)

0 引言

自2015年以来，当重要厂用水系统处于泵切换或泵停运瞬态，以及循环水过滤系统旋转滤网冲洗水泵切换或冲洗水泵状态发生变化时，红沿河/宁德/阳江/防城港电厂冲洗水管路多次出现短时的压力波动现象。

这种短时的压力波动通常小于100 ms。安全逻辑处理机柜内的两系CPU信号采集与运算周期同为固定的100 ms，但两系CPU的运行是独立且不同步的，极易导致两系CPU中的一系采集到该短时波动信号，而另一系没有采集到该信号。

根据安全逻辑处理机组的自诊断机制，当两系CPU内部组态不一致时间持续超过40 s，会自动触发机柜两系不一致故障报警以及频繁非预期启动水生物捕集器反冲洗电机和旋转滤网冲洗水泵。

上述问题在红沿河/宁德/阳江/防城港电厂是共性问题，亟需得到解决。

1 运行状态分析

目前,中广核下属红沿河/宁德/阳江/防城港核电厂在运机组(除阳江5、6号机组)安全级控制系统均采用三菱安全级集散控制系统(distributed control system，DCS)。该控制系统中的时序逻辑控制(sequential logic control，SLC)机柜均设置了两系CPU对信号进行采集，容错时间为40 s。两系CPU独立且不同步运行，均能对采集的现场信号执行逻辑功能。

重要厂用水系统均在热交换器的上游安装了一台水生物捕集器，用来过滤水生物。SEC031SP(SEC-重要厂用水系统，SP-压力开关)监测A列SEC001FI(FI-水生物捕集器)出入端差压值。SEC032SP监测SEC002FI出入端差压值。

循环水过滤系统的旋转滤网均设有反冲洗系统，CFI611/614SP(CFI-循坏水系统)监测CFI031TF(TF-旋转鼓网)冲洗水母管压力值，循环水过滤系统612/613SP监测032TF冲洗水母管压力值。

反冲洗电机非预期启动示意图如图1所示。按照逻辑功能要求，反冲洗电机应是每隔2 h执行一次反冲洗工作[1]。但是由于执行泵切换操作导致水生物捕集器出入端压差异常升高，导致启动反冲洗电机次数频繁。

图1 反冲洗电机非预期启动示意图

当循环水过滤系统旋转鼓网冲洗水泵切换或冲洗水泵状态发生变化时，冲洗水管路会出现短时的压力波动，也会直接导致冲洗水泵异常启动。

2 CPU信号采集不一致报警根本原因分析

2.1 三菱安全级DCS中SLC机柜CPU信号处理机制

机柜内CPU采取的并行冗余配置，冗余配置的CPU独立且不同步运行。如果信号状态发生变化，在非常短的时间内从1到0或者从0到1(0-低电平信号、1-高电平信号)，少于CPU扫描周期100 ms，即使这样的信号只被一个CPU采集，同样会执行逻辑动作，设置两系CPU信号采集不一致的自诊断机制目的如下。

①针对硬件故障进行自诊断；

②对时钟频率的偏差进行自诊断；

③对自身软件的缺陷进行自诊断；

④对两系CPU不一致状态进行自诊断。

并行冗余CPU的本意是为了提高信号逻辑执行的可靠性，而自诊断机制则是帮助并行冗余的CPU克服上述问题。但自诊断机械在较好地保证可靠性的前提下也带来了新的设备异常启动问题。

以逻辑中存在ON DELAY延时模块为例，并行CPU信号处理简图如图2所示。

图2 并行CPU信号处理简图

当来自现场小于10 ms的OFF信号被一系CPU读取到，而另一系CPU没有读取到，延时时间结束后不一致状态会被自动清除，但是超过40 s的部分会报警提醒运行人员。

2.2 原因分析

根据并行冗余CPU信号处理及自诊断机制，对重要厂用水系统经历泵切换或泵停运瞬态时出现小于100 ms的短时压力波动信号导致反冲洗电机非预期启动并产生SLC机柜两系CPU信号不一致报警的原因进行分析计算。变化前SEC031SP信号状态传输简图如图3所示。以A列SEC031SP的信号逻辑为例，对SEC031SP信号状态因系统压力波动发生变化的过程进行分析。

图3 变化前SEC031SP信号状态传输简图

变化前SEC031SP没有高压差信号产生，低电平信号经过以下路径后保持水生物捕集器的反冲洗电机和排污阀关闭。

①低电平信号a经1 s OFF DELAY延时模块c仍保持低电平状态，信号路径为a→b→c。

②低电平信号a一分为二，经1 s OFF DELAY延时模块c后的一路信号经100 s OFF DELAY延时模块d回到与门模块b前取反置“1”形成高电平信号，为采集SEC031SP发出的高电平信号提供条件。信号路径为a→b→c→d→b。

③低电平信号a一分为二，经1 s OFF DELAY延时模块c后的另一路信号经或门模块h去往与门模块e前取反置“1”形成高电平信号。此高电平信号经60 s ON DELAY 延时模块f后继续输出高电平信号，此高电平信号经与门模块j取反后形成低电平信号保持水生物捕集器反冲洗电机011MO(MO-反冲洗电机)关闭，低电平信号经取反模块k取反形成高电平信号后保持排污阀021 VE(VE-阀门)关闭，信号路径为a→b→c→h→e→f→j→k。

变化后SEC031SP信号状态传输简图如图4所示。变化后SEC031SP有高压差信号产生，高电平信号经过以下路径后启动水生物捕集器的反冲洗电机和排污阀打开，分析如下。

①高电平信号a经1 s OFF DELAY延时模块c继续输出高电平信号并保持1 s，信号路径为a→b→c。

②高电平信号a一分为二，经1 s OFF DELAY延时模块c后的一路信号经100 s OFF DELAY延时模块d回到与门模块b前取反置“0”形成低电平信号并输出101s，相当于保护电路锁定了来自现场的信号，信号路径为a→b→c→d→b。

图4 变化后SEC031SP信号状态传输简图

③高电平信号a一分为二，经1 s OFF DELAY延时模块c后的另一路信号经或门模块h去往与门模块。e前取反置“0”形成低电平信号经60s ON DELAY 延时模块f继续输出低电平信号。此低电平信号经与门模块j前取反置“1”后形成高电平信号启动水生物捕集器反冲洗电机011MO打开。此高电平信号经取反模块k取反置“0”形成低电平信号后打开排污阀021VE，信号路径为a→b→c→h→e→f→j→k。

闪发信号失去后SEC031SP信号状态传输简图如图5所示。SEC031SP压力信号由1→0后，由于60 s ON DELAY延时模块f的工作机制，当与门模块e输出低电平信号转变为高电平信号后，仍需持续保持输出60 s低电平信号后才能输出高电平信号，信号状态才能转变，所以每次闪发信号出现后也意味着水生物捕集器反冲洗电机和排污阀需要非预期启动60 s。但是并不是水生物捕集器堵塞，冷却水不能到达设备冷却水换热器的真实工况。经计算，在60 s ON DELAY延时模块f输出信号端，采集到闪发信号的CPU执行逻辑的时间为(小于100 ms的闪发信号时间)61 s，超过SLC机柜两系CPU的容错时间40 s。

图5 闪发信号失去后SEC031SP信号状态传输简图

机柜两系CPU信号不一致报警的原因进行分析计算[1-2]。变化前CFI611SP信号状态传输简图如图6所示。以A列CFI611SP的信号逻辑为例，CFI611SP的信号逻辑电路实际非常复杂，对逻辑进行简化表示，可以比较直观地表达压力波动出现后的信号逻辑。

图6 变化前CFI611SP信号状态传输简图

变化前CFI611SP没有低压力信号产生，压力正常信号经过下述路径不启动旋转滤网冲洗母管冲洗水泵，分析如下。

压力正常信号a依次经过与门模块b、或门模块c、与门模块d后继续输出压力正常信号，不会启动对应的冲洗水泵CFI101PO(PO-泵)。

变化后CFI611SP信号状态传输简图如图7所示。

图7 变化后CFI611SP信号状态传输简图

低电平信号依次经过与门模块b、或门模块c、与门模块d、或门模块c后形成了自保持回路。在无运行人员操作的前提下，对应的冲洗水泵将持续运行，自保持回路的时间将远大于40 s，所以每次闪发信号出现后，也意味着旋转滤网的冲洗水泵会非预期持续启动。

但这并不表示旋转滤网冲洗水压力低的真实工况，冲洗水管担负着为旋转滤网清污的功能。若是非预期启动冲洗水泵，不但不利于设备健康，还会给运行人员冲洗水管压力低的错误信息，加重了运行人员的监盘压力。因为若要停止冲洗水泵需要运行人员执行相关操作。

目前群厂(红沿河、宁德、阳江、防城港)冷源系统中的水锤波效应比较普遍，这也是工艺系统的固有特性。当经历泵切换、停运、启动等瞬态变化势必会引起水锤波效应，本文涉及的仪表及相关的控制系统均有联锁逻辑、报警提示和自诊断机制，压力波动产生的短时信号会带来虚假信息。针对上述问题，提出解决方案，消除压力波动对设备以及运行人员的不利影响[3]。

3 改进措施研究

以宁德核电厂1号机组为例，2017年8月至2018年8月，重要厂用水系统主管道在SEC泵状态发生变化时SEC031SP闪发导致反冲洗电机非预期启动以及水锤波效应持续时间如表1所示。

表1 反冲洗电机非预期启动以及水锤波效应持续时间

为了过滤当重要厂用水系统经历泵切换、停运、启动瞬态时引起的压力波动以及循环水过滤系统冲洗水母管压力波动，需要在重要厂用水系统031/032SP HIGH信号后和循环水过滤系统611/612/613/614SP INSUFFICIENT信号后添加0.5s ON DELAY前延时模块[4]。SEC031SP增加0.5 s ON DELAY延时模块、CFI611SP增加0.5 s ON DELAY延时模块如图8、图9所示。

图8 SEC031SP增加0.5 s ON DELAY延时模块

本措施选取0.5 s ON DELAY前延时模块，基本可以覆盖现场压力波动闪发信号对系统设备的影响。当真实压力低或高信号出现后，虽然水生物捕集器反冲洗电机以及旋转滤网冲洗水泵会晚启动0.5 s，但是并不会对机组运行带来负面影响。对于水生物捕集器来说，当其两侧压差达到10 kPa时会启动反冲洗电机对水生物捕集器进行冲洗[5]，正常情况下SEC母管内压力约为249～285 kPa。监测水生物捕集器出入端的差压开关高设定值如表2所示。

图9 CFI611SP增加0.5 s ON DELAY延时模块

表2 定值统计表

当真实压差高工况出现时，因为堵塞是缓慢变化的过程，预估每秒上升1 kPa计算，并考虑SEC/RRI设备冷却水换热器的压差不能低于设定值，否则将影响RRI端热量导出至热阱，影响机组运行[6]。按照最不利的情况考虑，当水生物捕集器出入端压差达到高设定值30 kPa时，增加0.5 s延时后，水生物捕集器两端压差将达到30.5 kPa。SEC目前压力249 kPa减去30.5 kPa等于218 kPa，远高于SEC/RRI换热器能够工作的最低压差值100 kPa，是能够保证设备正常工作的。又因为堵塞过程是缓慢变化的，本方案增加0.5 s延时的目的只是为了过滤压力波动对设备的不利影响，并不会对设备造成不利影响，是可行的。

针对旋转滤网冲洗母管611/612/613/614SP INSUFFICIENT信号后添加0.5 s ON DELAY前延时模块同样是为了过滤压力波动对设备造成的不利影响。正常情况下，旋转滤网转速为2.5 m/min。当冲洗母管真实压力低信号出现后，由于增加0.5 s的原因，备用泵将比增加延时前晚启动0.5 s，旋转滤网走过了2 cm的长度。而冲洗水泵的冲洗水的目的是为了清除旋转滤网的堵塞物，而堵塞是缓慢变化的过程，晚启动0.5 s造成了旋转滤网2 cm长度上没有冲洗，对旋转滤网的影响微乎其微，所以是可行的[6-7]。

本措施增加的0.5 s ON DELAY前延时模块需要修改安全级DCS，修改费用约为50万元/台，统筹考虑14台机组共计需700万元。

4 实施验证

目前，改进措施一已经得到了红沿河、宁德、阳江、防城港核电厂的认可，并且红沿河核电厂1/2号机组已执行修改，阳江核电厂1号机组已经执行了修改。宁德核电厂1/3/4号机组已经执行了修改，实施后效果显著，已实施机组没有再发生上述问题。

5 技术研究的拓展

目前，红沿河、宁德、阳江、防城港核电厂同样大量存在因水锤波效应产生的压力波动引起的两系CPU信号采集不一致，以及非预期启动安全级电机、泵或是无法启动电机、泵导致定期试验不成功的相似共性问题。

①每两个月执行一次的RRI(RRI-设备冷却水系统)-009/010(A/B列备用泵启动试验)因压力波动导致SEC021/022SP输出短时信号闪发SEC001/002KA报警，报警产生会记第一组I0，最终解决方案为增加0.5 s ON DELAY延时模块。

②每个循环执行一次的RRI-023/024(失去SEC B列时A列自动启动试验/失去SEC A列时B列自动启动试验)因压力波动导致RRI001/004SP达到设定值而超时启动备用列泵，从而导致试验失败。超时启动可能影响设备冷却水的热量导出，影响机组安全，最终解决方案为增加3 s ON DELAY延时模块。

③运行人员定期执行A/B列互相切换操作中因压力波动导致RRI025/026SP闪发压力不正常信号在未完成计时的情况下导致切列失败，最终解决方案为增加0.5 s ON DELAY延时模块。

本文所提出的研究成果为解决上述问题提供了参考和依据。上述问题的解决采用了与本研究成果的研究思路和方法[8-9]。

6 结论

本文针对红沿河、宁德、阳江、防城港电厂中重要厂用水系统和循环水过滤系统泵切换或泵停运瞬态的固有特性所引起的短时压力波动时，这种短时波动信号闪发时间小于100 ms，将导致SLC机柜两系CPU出现采集不一致的工况。除了直接导致安全级机柜两系CPU采集到的信号不一致时间超过40 s产生两系不一致报警KCS005/006KA，还会非预期启动相应的反冲洗电机和冲洗水泵。但是这既不是水生物捕集器堵塞需要冲洗的真实工况，也不是旋转滤网冲洗母管压力低的真实工况，而是反馈给运行人员错误的信息。通过在压力开关前端增加0.5 s ON DELAY的延时模块较好地解决了上述问题，利于设备健康运行，也利于运行人员监盘，增加延时模块的方法易实施、周期短、结果可靠，是解决上述问题的有效可靠途径。本文的技术研究成果也为未来解决相似的问题提供了参考。