仿制設(shè)備在秦山核電廠全范圍模擬機上的開發(fā)與應(yīng)用

謝秀娟

【摘 要】本文對秦山核電廠全范圍模擬機的概況與盤裝設(shè)備分類、控制信號類型進行了簡述，就目前模擬機盤裝設(shè)備出現(xiàn)的問題進行分析匯總，針對盤裝設(shè)備存在的問題探索解決途徑，研發(fā)仿制設(shè)備。并就仿制手操器如何達到預期目標做了詳細方案，對研發(fā)過程與結(jié)果進行了全面解析，闡明了仿制設(shè)備的便利與優(yōu)點。

【關(guān)鍵詞】全范圍模擬機；仿制手操器；控制模塊；光電傳感器

【Abstract】This paper briefly presents the general situation of full-scope simulators for Qinshan Nuclear Power Plant， a classification of panel mounted equipment， and the categories of control signal. In addition， the author focuses on researching and developing a simulated equipment after sufficiently analyzing and summarizing the panel mounted equipment past issues. It also contains a credible plan， which explains how to achieve anticipated goal of the simulated manual-control instrument in detail. After comprehensively analyzing the research process and results， the convenience and advantages of the simulated equipment are demonstrated in the meanwhile.

【Key words】Full-scope simulators；Simulated manual-control instrument；CMOD（control module）；Photoelectric sensor

0 概述

秦山核電廠全范圍模擬機建造于1995年，由珠海亞洲仿真技術(shù)有限公司與秦山核電站合作共同研制。作為中國大陸第一臺全范圍核電仿真機，榮獲當年全國十大科技成就獎，建成后一直用于核電站操縱員的培訓和取照考試。模擬機考試是主控室候選操縱員或候選高級操縱員發(fā)放核電廠反應(yīng)堆操縱員或高級操縱員執(zhí)照的必要條件之一，另外法規(guī)還規(guī)定已獲得核電站反應(yīng)堆操縱員執(zhí)照的主控室操縱員（包括高級操縱員），每年必須經(jīng)過至少兩周的全范圍培訓模擬機的復訓。

核電廠全范圍模擬機是1：1模擬參考機組控制室環(huán)境的設(shè)施，包括總體外觀、平面布置、照明特性、通訊連絡(luò)設(shè)施、辦公設(shè)施、各種操作臺盤、控制臺和操作站以及參考機組正常運行操作和故障處理所必需的控制、儀表、報警和其他人機界面。

1 全范圍模擬機盤裝設(shè)備簡介

秦山核電廠全范圍模擬機盤裝設(shè)備硬件設(shè)備主要由儀表、開關(guān)、按鈕、指示燈及報警設(shè)備構(gòu)成，整體布置與電廠主控室完全一致，具有與實際設(shè)備相同外形和功能。但是模擬機與主控制室信號的來源不同，使得二者的儀表設(shè)備也存在差異。

1）盤臺儀表主要分成常規(guī)儀表、改裝儀表以及特種儀表；

2）開關(guān)從外形上分為轉(zhuǎn)換開關(guān)、鑰匙開關(guān)；從功能上分為自保持與自復位兩種；

3）按鈕分為帶燈按鈕與不帶燈按鈕。

4）指示燈外觀各有不同，顏色主要分為紅、綠、白三種，表示設(shè)備處于何種狀態(tài)。

5）報警設(shè)備包括報警光字牌與報警音箱、警鈴。

2 仿制設(shè)備研究背景

秦山核電廠模擬機上用的盤裝設(shè)備除部分隨模擬機改造更新外，大多從1995年開始使用至今，隨著使用年限的增長，故障率已明顯提高，同時精度、靈敏度等參數(shù)與原標準差異大的問題。由于設(shè)備老舊、廠家轉(zhuǎn)型、采購費用高等因素的制約造成有些已經(jīng)不符合運行要求的設(shè)備也只能帶病工作。

目前秦山核電廠全范圍模擬機的盤裝硬件設(shè)備現(xiàn)存的主要問題歸納為如下幾點：

1）設(shè)備陳舊，價格高

秦山核電廠全范圍模擬機始建于1995年，經(jīng)過30多年的運行。隨著電子設(shè)備科技日新月異的發(fā)展，一些老舊落后的設(shè)備已被市場逐漸淘汰，原有廠家也已轉(zhuǎn)型不再生產(chǎn)同類型產(chǎn)品，造成設(shè)備采購困難，即使有些廠家為客戶需要保留此產(chǎn)品的流水線也因銷量有限導致價格昂貴，采購成本大幅上升。

2）設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，維修不便

為與電廠保持一致性，模擬機盤裝設(shè)備與電廠采購的是同型號的產(chǎn)品。實際應(yīng)用中，電廠主控室的采集信號與模擬機的不同，為保障電廠的安全運行，一個設(shè)備須同時有幾路信號接入或者一個信號供幾個設(shè)備，而模擬機采用的是一一對應(yīng)的單個信號，復雜的結(jié)構(gòu)對模擬機而言帶來的只有維修的不便與故障率的增加。

3）進口設(shè)備采購周期長

模擬機的盤裝設(shè)備很多為進口設(shè)備，由電廠統(tǒng)一采購。進口設(shè)備不僅價格高且受到各種不確定因素影響，造成設(shè)備采購周期長，無明確的到貨時間，增加了采購難度。尤其是價值高無備件的設(shè)備，如果出現(xiàn)故障，零配件國內(nèi)市場沒有通用件可替代，此類設(shè)備一般在整個模擬機系統(tǒng)運行中有著不可或缺的重要地位，直接對操縱員培訓帶來嚴重影響。

4）二次改造增加使用成本

模擬機的特殊性使得原廠采購的某些產(chǎn)品由于接口信號與電源等級的不匹配，不能直接適用于模擬機，為適應(yīng)模擬機的運行要求需對原產(chǎn)品進行改造，為此不僅增加了設(shè)備使用成本同時也降低了設(shè)備的使用壽命。

3 仿制設(shè)備研究目標與方法endprint

為解決以上各項問題，研發(fā)仿制設(shè)備作為模擬機盤裝設(shè)備的替代是便利有效的途徑。手操器為盤裝設(shè)備的顯示操作儀表，操縱員在培訓過程中使用頻率高且最為重要的設(shè)備之一。其整體構(gòu)造分為垂直顯示與手動操作兩部分，因使用頻繁導致故障率高，且價格昂貴、采購周期長等因素造成該設(shè)備備件短缺。通過對國內(nèi)電子產(chǎn)品市場與儀表廠家生產(chǎn)技術(shù)的調(diào)研、分析，認為仿制此設(shè)備無論從價值還是技術(shù)上均具備高度可行性，并對仿制設(shè)備需達到的目標與具體方案進行全面探索。

1）人機界面的一致性

保證模擬機與主控室人機界面一致性是仿制設(shè)備的必要條件，利用報廢儀表外殼進行改造保證了手操器在顏色與外型與原表一致，不僅降低生產(chǎn)成本同時避免廢棄物對環(huán)境的污染。

2）增強耐用性

手操器的按鈕與操縱撥桿為使用頻率高的易損部件，在仿制時需考慮此類部件的強度加固，并在組裝后進行操作頻度測試，降低此類易損部件的故障。

3）控制部件模塊化

原手操器與主控室完全一致，在設(shè)計上考慮更多的是電廠的安全性。線路板上的所有元器件與接線直接相連，如某一元器件故障就會導致整個設(shè)備無法使用且維修費用極高。經(jīng)過維修后的設(shè)備使用壽命也無法保障，有些僅使用不常時間就再次出現(xiàn)故障。仿制設(shè)備僅在模擬機上使用不涉及電廠安全的因素，因此在設(shè)計時就考慮簡便性，采用將線路板模塊化，通過接插件形式與所控制的設(shè)備相連，當某一元器件出現(xiàn)故障時僅更換相應(yīng)的線路板就能解決問題，簡化設(shè)備維修過程。

4）關(guān)注人因工程

人因工程是以人為核心因素，考慮人、機總體性能的優(yōu)化，以提高人的工作績效，防止人的失誤。仿制儀表在發(fā)光源的亮度上需做重點考慮，比如與環(huán)境的亮度對比，對眼睛刺激性程度是否干擾操縱員判斷等因素；儀表的操作手感、精度、指針平滑度等盡量考慮與原表保持一致，實現(xiàn)人、機之間的最佳匹配，使操縱員能有效、安全、健康和舒適的進行模擬機教學培訓，真正做到“以人為本”。

5）創(chuàng)新思路

電子產(chǎn)品的快速更新，為仿制設(shè)備的研發(fā)提供了多種方式。原手操器的調(diào)節(jié)采用四位波段開關(guān)，當手操撥桿移至波盤四個位置中的某一個位置時此點就導通，作為手動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，因使用頻率高，波盤接觸面磨損快導致此部件故障頻發(fā)。若按原設(shè)計方式單獨加工此部件不僅價格昂貴且質(zhì)量也無法保證，經(jīng)過多次探討與研究，決定考慮以光電傳感器代替四位波段開關(guān)。

4 研究過程與結(jié)果

手操器分為垂直顯示單元與自動/手動操作單元兩部分。顯示單元由一設(shè)定撥盤及設(shè)定值指示，一個偏差值指示；一個遠方輸入指示，255PH-ECEP則有一個遠方/本地狀態(tài)切換開關(guān)，二個LED報警指示燈。自動/手動操作單元由一塊回路輸出表、二個自復按鈕、四個LED燈和一個4位置的手操撥動開關(guān)組成。其中回路輸出表用于指示回路輸出，按鈕用于手動/自動切換，紅、綠LED燈用于指示自動、手動狀態(tài)，二個黃色LED燈用于報警指示，手操撥段開關(guān)用于快增、慢增、慢減、快減操作輸出。

手操器的交換信號分為四類：模擬量輸入AI、模擬量輸出AO、數(shù)字量輸入DI、數(shù)字量輸出DO。

模擬量輸出信號AO： 0～10VDC電壓信號，用于驅(qū)動手操器的垂直顯示與回路輸出指示。

模擬量輸入信號AI： 0～10VDC電壓信號，調(diào)節(jié)手操器的設(shè)定值。

開關(guān)量輸出信號DO：集電極開路的OC門輸出信號，OC門輸出為低電位時，表示正邏輯的“0”，若點燈，燈亮；OC門輸出為高電位時，表示正邏輯的“1”，可使燈滅，用于手操器的自動、手動狀態(tài)與報警指示。

開關(guān)量輸入信號DI：干接點輸入信號，所有開關(guān)、按鈕的閉合和斷開，對應(yīng)于“真（TRUE）”和“假（FALSE）”，用于手動/自動按鈕及波段開關(guān)的四位輸出。

a）垂直顯示單元

此部分的研發(fā)考慮利用原有的外殼，內(nèi)部電路和機械結(jié)構(gòu)從以下相對獨立的部分著手，即為：

指示部分的動圈儀表：采用磁電式儀表，為提高儀表的穩(wěn)定性在儀表內(nèi)框上繞上Ф0.2X16圈銅絲用于增加動圈的阻尼。

撥盤設(shè)定部分：當撥盤從0位到100%位撥動時，有一個0～10VDC的輸出.同時給偏差值指示（紅針）一個相反等值的直流電源.

LED指示燈報警部分：當儀表±15VDC接通后，二個LED燈微亮，表示儀表電源正常，儀表處于正常工作狀態(tài)；當儀表LED燈顯示明亮時，表示顯示值高、低位報警。

b）電源部分

電源是保證設(shè)備安全穩(wěn)定運行的核心，采用±15VDC供電。電源部分考慮按原產(chǎn)品電路圖設(shè)計，在儀表組裝完成進行測試時，因電源正負極反接造成儀表損壞，此問題現(xiàn)使用儀表也存在。為解決設(shè)備安全隱患，對電源部分的設(shè)計進行改進，增加反接保護，如若正負極接反，自保護啟動，儀表拒動。

仿制設(shè)備電源設(shè)計考慮了過壓保護、過流保護和反接保護，本保護為自恢復形式，具體電路原理如下圖所示：

圖1

電路參數(shù)為：室溫下直流超過18V開始過壓保護，電流超過0.6A開始保護，電源反接直接保護。

c）手動/自動按鈕，LED指示燈部分

此部分采用接插件方式和主線路板連接，方便更換和調(diào)試，解決了因設(shè)備一體化帶來的此部件故障后只能整體報廢的弊病。設(shè)備測試過程中發(fā)現(xiàn)因加工的支撐桿與支撐孔因間隙過大，造成按鈕與指示燈部分容易松脫，需重新加工支撐桿，增大兩端截面積，減小二者的裝配間隙以保證設(shè)備安裝的牢固度，具體電路原理圖如下：

d）手動輸出操作部分

采用槽型光電傳感器代替原來的波段開關(guān)。光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，光電傳感器由光源、光學通路和光電元件三部分組成。

槽型光電傳感器把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器發(fā)出紅外光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關(guān)便動作。輸出一個開關(guān)控制信號，接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關(guān)的檢測距離只有幾厘米，無實際接觸，反映靈敏，性能穩(wěn)定，操作器手感良好。

4 總結(jié)

仿制手操器經(jīng)過前期的市場調(diào)研、多次討論，認為完全具備可實施性。從圖紙設(shè)計，零部件開模、模塊測試、單機調(diào)試，與模擬機聯(lián)調(diào)成功后正式投入使用共耗時近一年，在此過程中形成的測試記錄與經(jīng)驗積累為以后模擬機盤裝設(shè)備的更新替代與研制開發(fā)提供了依據(jù)。盤裝設(shè)備的仿制不僅能降低生產(chǎn)成本為公司帶來經(jīng)濟效益同時還有利于提高技術(shù)人員的創(chuàng)新能力。

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[責任編輯：朱麗娜]endprint