秦山核電一期的棒控棒位系統數字化改造

卜江濤 匡紅波

(上海核工程研究設計院電氣儀控所 上海 200233)

控制棒在反應堆堆芯中的正確移動，由控制棒控制系統(下文簡稱為棒控系統)完成，這是反應堆正常運行的重要條件。控制棒位置指示系統(下文簡稱為棒位系統)，用于控制棒位置監測，顯示對控制棒的要求和實測棒位，并在控制棒位置出現異常時，發出緊急報警信號[1]。

秦山核電一期的30萬機組，于1991年建成首次并網發電，其控制棒控制系統和棒位指示系統的設計均為模擬插件，且將接近其使用期。在更換該棒控棒位控制系統時，我們采用數字化技術實現棒控系統的邏輯控制功能，提供觸摸屏顯示和操作，并改進了棒控系統電源供電回路；棒位指示系統也采用數字化技術處理棒位信號，提供觸摸屏監測和顯示。新棒控棒位系統的外部接口保持不變。

1 棒控系統改進

1.1 棒控系統“一帶一”控制方式

秦山核電一期棒控系統的原設計為“一帶四”控制方式，即一個主電路向一個控制棒組的驅動機構提供控制電流(最大四束，即一帶四)，該設計的設備利用率高，但對驅動機構線圈的電氣參數一致性要求較高，若該控制棒組各驅動機構線圈的電流不一致，會影響驅動機構的性能和使用壽命，也給控制系統的控制和調試帶來困難。鑒此，將該棒控系統改為“一帶一”控制方式，即每一驅動機構各有一個主電路，37束控制棒共對應37個主電路，每個主電路包括3個供電回路，即提升線圈供電回路、可動鉤爪線圈供電回路和固定鉤爪線圈供電回路。每個供電回路由三相半波晶閘管整流電路(包括移相觸發器)及電流調節回路組成。

此控制方式增加了控制的靈活性，降低了對驅動機構線圈參數一致性的要求，但增加了設備數量，為使現有棒控間能容納這些控制設備，采用結構緊湊的雙聯柜。改造后的棒控系統由2個邏輯柜(邏輯柜A、邏輯柜B)、10個電源柜(9個雙聯柜和1個單柜)、1個數據采集柜組成[2](該機柜用于驅動機構線圈電流波形的采集和落棒試驗)。

1.2 棒控系統數字化設計

棒控系統從功能上可分為主循環邏輯、從動循環邏輯和供電回路。主循環邏輯接收外系統提供的控制信號(如來自主控室的手動控制命令和來自功率調節系統的自動控制命令)，對其進行綜合處理，向指定的控制棒組發送移動一步的啟動命令(同組控制棒的不同子組間相差半步)和方向命令。從動循環邏輯接收主循環邏輯的啟動信號后按照要求的方向產生控制棒移動一步所需的電流時序信號，并送往供電回路中的電流調節回路。電流調節回路將信號轉換成電壓定值，與來自驅動機構線圈中的反饋電壓信號進行比較控制，由晶閘管的導通時間，調節驅動機構中線圈的電流，使其滿足移動時的電流要求，從而實現控制棒的移動[3]。

主循環邏輯和從動循環邏輯的功能由數字控制器實現，采用美國 Rockwell Automation公司Allen-Bradley品牌下的ControlLogix系列PLC控制器[4]，該設備具有很高的可靠性。

主循環邏輯采用一個帶冗余功能的主循環控制器實現[5]，該控制器位于邏輯柜中。每個子組采用一個從動循環控制器，從動循環控制器位于電源柜中。主循環控制器和從動循環控制器之間的通信采用星型連接方式；主循環邏輯控制器僅需向從動循環控制器輸送子組選擇信號和移動啟動信號及方向信號。此配置大大減少了主循環控制器通過通信向從動循環控制器的發送的信號數量(70?80)。通信延遲會造成從動循環控制器接收信號的延遲，控制棒移動速度要求為6?60步/min[2]，則最快的移動啟動信號為1次/s，但本設計的從動循環控制器接收控制信號的最大延遲時間<10 ms。啟動信號的延遲僅影響控制棒開始移動的時間，并不影響控制棒的移動時序，且10 ms的延遲遠小于500 ms，也滿足同組控制棒中不同子組間相差不能超過一步的要求。電源柜中的從動循環器接收到啟動命令和方向信號后，產生控制棒在指定方向上移動一步所需的時序信號，由于每個從動循環控制器只向本子組發送時序信號，信號量大大減少，同時通過本機箱上的輸出模塊直接發送，完全滿足系統對時間的要求。PLC配置方案如圖1所示。

圖1 棒控系統PLC配置圖Fig.1 PLC controller configuration for the new rod control system.

I/O機箱用于連接控制棒控制系統與外系統之間的信號(如主控室的控制和顯示)；觸摸屏的操作界面可顯示棒控系統的運行狀態，包括自動、手動、方向、要求棒位與故障狀態。故障狀態還可通過界面導航定位到系統的某個設備，調試時，可通過操作界面進行控制和調節參數，為操作和維修提供便利。邏輯柜B由顯示器、工控機和打印機組成，工控機用于數據的存儲及PLC控制程序的編輯、下載以及在線調試。電源柜由PLC機箱、電流調節電路及晶閘管整流回路(電流調節電路及晶閘管整流回路組成電源供電回路，具體描述見電源供電回路設計部分)組成。邏輯柜冗余控制器與觸摸屏、工控機、電源柜PLC控制器、棒位指示系統中的PLC控制器之間通過冗余的Controlnet進行通信。

1.3 棒控系統電源供電回路設計

1.3.1 電源供電回路的設計改進

電源供電回路主要實現對驅動機構線圈電流的控制(圖 2)，由電流調節回路和晶閘管整流回路組成，每個控制棒驅動機構有三套電流調節回路和晶閘管整流回路，分別向驅動機構的提升線圈、可動鉤爪線圈和固定鉤爪線圈提供所需電流。電源供電回路的原理如圖3所示，我們把完成提升線圈電流調節回路的模擬插件所在的機箱稱為提升機箱，同樣還有動鉤機箱和定鉤機箱。由圖 3，定值模塊接收來自PLC輸出接口的控制命令后，轉換成相應的電壓定值，調節模塊接收該電壓定值并與來自霍爾傳感器的電壓信號進行比較和調節，最終通過移相觸發模塊控制晶閘管的導通時間來控制棒電源流經驅動機構線圈電流的大小。該部分系強電控制，且采用反饋的控制方式，需對反饋電壓進行采集，不適合采用PLC完成，故仍采用模擬插件方式完成相關功能。

1.3.2 電源供電回路與PLC接口電路設計

控制棒控制系統的主循環邏輯和從動循環邏輯都采用PLC實現，主循環控制器和通信采用冗余的配置方式，但I/O模塊為非冗余配置。考慮到輸出模塊故障模式為低電平模式，設計時對定鉤線圈和動鉤線圈控制時序信號輸出端采用低電平有效的控制方式，當對應于定鉤大電流或動鉤大電流/小電流命令的輸出模塊出現故障而處于低電平狀態時，電源供電回路仍能使固定鉤爪線圈和可動鉤爪線圈處于通電狀態，從而避免輸出模塊故障時引起控制棒落棒事故。此外，控制電路還接收從動循環控制器的PLC緊急故障信號，該信號同樣采用低電平有效的控制方式，當該信號存在時自動閉鎖控制棒的移動。

圖2 改造后的棒控棒位系統結構框圖Fig.2 Block diagram for the new rod control and rod position systems at Qinshan NPP.

圖3 電源供電回路原理圖Fig.3 Schematics of the power supply circuit.

1.3.3 故障報警功能及故障響應功能改進

由圖1，邏輯柜中的主循環PLC控制器采用冗余的配置方式：控制器1和控制器2。控制器2監測到控制器1出現故障時，自動切換到運行狀態，并給出報警。控制器切換不會造成控制棒移動故障。同時邏輯柜中的控制器還對電源柜中的 PLC控制器的工作狀態進行監測，電源柜控制器出現故障時，邏輯柜中的控制器發出故障報警信號，同時電源柜的輸出置于故障模式，使控制棒處于雙保持狀態。

在電源回路中設置各種檢測電路來探測回路的故障，發生故障時采取必要的補救措施，以防止落棒事故。電源供電回路緊急故障有[2]：(1) 驅動機構提升線圈、固定鉤爪線圈、可動鉤爪線圈電流過大或大電流通電時間過長；(2)同一棒束的固定鉤爪線圈電流和可動鉤爪線圈電流同時為零；(3) 三相整流電路缺相；(4) 功能插件離線。

發生緊急故障后，棒控系統自動產生如下響應：(1) 供電回路對故障信號進行綜合處理后本地發出聲光報警，同時送往PLC控制器進行處理后向主控室發出緊急報警信號。(2) 禁止控制棒的自動控制功能，系統進入手動操作方式。(3) 電源供電回路自動切斷緊急故障電源柜中提升線圈供電回路的輸出，并迅速對固定鉤爪線圈和可動鉤爪線圈通以先大后小的電流信號，直至故障被排除，即稱“雙保持電路”。

故障時觸發雙保持電路的控制信號采用多樣化的方式：一個信號來自于PLC控制器。電源機箱的緊急故障經PLC處理后，向主控室發送報警信號，同時控制器向供電控制回路發出 PLC緊急故障信號，電源供電控制回路接收到該信號后，動鉤線圈和定鉤線圈產生先大后小的保持電流。

考慮到機箱出現故障至 PLC發出緊急故障之間的時間延遲，機箱故障信號送往PLC處理時，也送往電源供電控制回路的定值插件，如動鉤機箱故障和定鉤機箱故障送往提升機箱的定值插件，倘若前兩個機箱均發生故障，自動閉鎖提升定值插件中提升電流命令信號。在定鉤定值插件中，提升機箱故障和動鉤機箱故障將閉鎖來自 PLC的定鉤電流命令信號，同時將觸發定鉤定值產生先大后小的電流命令，用于控制棒的保持。同理，若提升機箱或定鉤機箱發生故障，動鉤機箱中的動鉤定值插件屏蔽來自PLC的動鉤控制命令信號，并讓觸發動鉤定值產生先大后小的電流命令，用于控制棒保持。這樣，大大縮短了機箱故障的響應時間，同時也向PLC傳送了故障信號。

1.4 數據采集柜的設計

由圖 2，棒控棒位系統中增設數據采集柜，由工控機、采集卡、顯示器和存儲器等組成，功能如下：(1) 37束控制棒驅動機構的線圈波形的在線采集和保存；(2) 配合控制棒落棒時間的測量。

該數據采集柜采集并存儲 37束控制棒的驅動機構線圈的電流波形。其設計主要考慮兩個因素：采集速度和存儲容量。由于驅動機構線圈的電流由50 Hz的三相棒電源經半波晶閘管整流后形成的電流紋波頻率為150 Hz，通過波形確認故障原因，要求采樣頻率>1 ms /次，并有較高的采集速度。此外，設計中要求數據采集柜的存儲容量滿足所有控制棒運行3天的數據存儲要求。

數據處理柜的另一功能為配合棒位系統的恒流源機柜進行落棒試驗，完成落棒試驗的驅動控制(指驅動棒位探測器的初級線圈切換功能)和落棒時間的數據采集功能。

2 棒位指示系統的設計改進

棒位指示系統采集和處理棒位探測器信號，并對棒位信號進行報警功能的處理。棒位指示系統設備由棒位測量柜和棒位處理柜組成(圖2)。棒位測量柜中的恒流源插件向棒位探測器的初級線圈提供初級電流，并在落棒試驗時配合棒控系統的數據采集柜完成落棒試驗。葛萊碼(GRAY CODE)整形模塊采集37個棒位探測器的六位葛萊碼信號，并對其進行整理和初步處理后送往棒位系統處理柜。棒位處理柜中的PLC接收來自葛萊碼整形模塊37束控制棒的葛萊碼信號，將其轉換成實測棒位信號，還通過通信方式從棒控系統中獲得要求棒位信號。此外，棒位PLC還需完成失步報警功能，對控制棒的棒失步、組失步、棒離頂、落棒以及棒位裝置故障進行監測。棒位指示系統也采用AB公司的PLC完成。控制棒控制系統和棒位指示系統間通過通信方式連接，取消了棒控系統和棒位系統之間的大量電纜。通信光纖采用冗余的配置方式，保證了系統之間通信的可用性。

3 結語

該棒控棒位系統特點如下：

1) 采用一帶一控制方式，控制靈活可靠，改進機柜結構使控制機柜能置于原來棒控間內。

2) 采用 PLC實現棒控棒位系統的邏輯控制和數據處理等功能，PLC可靠性高，編程方式方便控制程序的修改和調試；直觀的操作界面，便于操作員觀察和調試；控制棒控制系統的處理器部分和通信部分采用冗余配置，提高了系統的可靠性；在PLC編程中考慮了各種故障可能性及故障保障措施。

3) 改進了電源供電控制回路的插件電路，設計時考慮了 PLC輸出接口故障及各控制回路故障時的保障措施，當系統發生單一故障時，控制棒不會發生落棒事故。

4) 棒控系統采用數據處理柜，對驅動機構線圈電流進行采集和保存，用于驅動機構故障分析。

5) 棒控棒位系統間的信號采用通信方式傳輸，減少了兩系統間的大量電纜，冗余的配置方式保證了系統間通信的可靠性。

該系統自2008年1月投入使用以來運行良好。

1 杜圣華. 核電站[M]. 北京：原子能出版社, 1958

DU Shenghua. Nuclear power plant[M]. Beijing: Atomic Energy Publisher, 1958

2 曹梅新. 長棒控制裝置、控制棒位置指示裝置說明書[Z]. 上海核工程研究設計院, 2006, Revision A

CAO Meixin. System manual for control rod control system and control rod position indication system[Z]. Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, 2006, Revision A

3 卜江濤. 棒控棒位系統設備柜技術規范書[Z]. 上海核工程研究設計院, 2005, Revision B

BU Jiangtao. Technical specification for control rod control system and control rod position indication system[Z]. Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, 2005, Revision B

4 ControlLogix System User Manual, Rockwell Automation 2006

5 ControlLogix Redundancy System User Manual, Rockwell Automation, 2006