核電廠特種電磁閥控制器研制創(chuàng)新

李 中,徐瑞陽,王環(huán)宇,吳晨光,付恒昌

(1.江蘇核電有限公司,江蘇 連云港 222042;2.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂山 614000;3.北京寶亮網(wǎng)智電子信息技術(shù)有限公司,北京 100193)

1 目的

近年來,隨著我國核電事業(yè)的發(fā)展,國內(nèi)已有一些建設(shè)并投入商業(yè)運(yùn)行的核電站。在現(xiàn)有的核電站中,前期建設(shè)發(fā)電的核電站采用國外進(jìn)口的核電技術(shù)和設(shè)備較多。在核電站運(yùn)行中,設(shè)備的維修、保養(yǎng)及配件更換成為現(xiàn)實(shí)的問題。由于在建設(shè)初期大量采用進(jìn)口的原裝設(shè)備,導(dǎo)致配件緊缺、維護(hù)成本極高的現(xiàn)象必然出現(xiàn),這也給維護(hù)配件逐步國產(chǎn)化帶來空間。為此,江蘇核電有限公司對(duì)田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組采用的核安全級(jí)俄羅斯進(jìn)口的監(jiān)測取樣電磁閥控制器裝置,進(jìn)行了國產(chǎn)化研制開發(fā),并對(duì)該裝置進(jìn)行了功能擴(kuò)展。在保持原有功能的基礎(chǔ)上,增加了對(duì)所控制電磁閥門的誤動(dòng)作監(jiān)測功能,使得取樣監(jiān)測系統(tǒng)更加準(zhǔn)確反映出真實(shí)的結(jié)果,提高了工作效率。

2 需求分析

電磁閥控制器主要功能是完成核電站放射性氣、液介質(zhì)的自動(dòng)循環(huán)取樣測量控制,確保核電站重要設(shè)備密閉性和人員可居留性監(jiān)測,為核電站核與輻射安全提供一道屏障。閥門控制器在儀控測量中的功能作用如圖1所示。該電磁閥門的控制器按統(tǒng)一通信協(xié)議傳輸信號(hào)對(duì)閥門的通斷進(jìn)行控制,并需要對(duì)正常的通斷和異常誤動(dòng)作情況進(jìn)行指示燈指示和報(bào)警。現(xiàn)場電磁閥控制器裝置功能參數(shù)需求如表1所示。

圖1 電磁閥控制器的控制功能Fig.1 The control function of the electromagnetic valve controller

表1 電磁閥控制器功能參數(shù)需求Table 1 The function parameters of the electromagnetic valve controller

3 功能要求

自主國產(chǎn)化的控制器應(yīng)該能夠和原有俄羅斯供貨的控制通訊軟件完美銜接,控制功能和響應(yīng)時(shí)間不低于原控制器設(shè)備相關(guān)參數(shù)。

控制器設(shè)備面板上較原有的俄供設(shè)備增加設(shè)計(jì)電源指示燈,增加12個(gè)控制回路的對(duì)應(yīng)閥門開、關(guān)、故障工作狀態(tài)指示。

能夠判斷電磁閥在關(guān)閉狀態(tài)下因氣流等擾動(dòng)因素,導(dǎo)致的閥門瞬態(tài)的半開或非關(guān)狀態(tài),并發(fā)出指示燈和信號(hào)報(bào)警。

國產(chǎn)化的控制器閥門連接端口、上層計(jì)算機(jī)通信控制端口、電源口、安裝位置尺寸等都必須與現(xiàn)場原有的其他設(shè)備兼容,成套控制裝置的框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電磁閥控制器的上下層接口Fig.2 The lower and upper interface on the electromagnetic valve controller

4 軟件分析

通過對(duì)系統(tǒng)控制命令的偵聽讀取和數(shù)據(jù)分析,解析了上層工控機(jī)系統(tǒng)在連續(xù)發(fā)出讀取反饋電路的控制信號(hào)命令代碼。通過連續(xù)地讀取1至12路電磁閥門工作的返回?cái)?shù)據(jù),上層工控機(jī)軟件可以準(zhǔn)確判斷其工作狀態(tài)。電磁閥控制器軟件偵聽和解析結(jié)果如表2所示。

表2 電磁閥控制器軟件偵聽和解析Table 2 Listening to and parsing of the electromagnetic valve controller software

5 功能設(shè)計(jì)

5.1 電磁閥控制器方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的控制方案如圖3所示,上層工控機(jī)軟件發(fā)出控制命令到接口模塊,計(jì)算機(jī)接口模塊完成信號(hào)命令轉(zhuǎn)換后,在時(shí)序模塊控制下,經(jīng)譯碼模塊和譯碼鎖存模塊將閥門控制信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)邏輯分配模塊,根據(jù)分配后的邏輯信號(hào),分別控制驅(qū)動(dòng)模塊12個(gè)閥門供電回路的供電,實(shí)現(xiàn)電磁閥的打開控制。通過光電隔離、驅(qū)動(dòng)反饋、數(shù)據(jù)反饋編碼模塊以及接口模塊,電磁閥控制器實(shí)現(xiàn)了控制軟件上閥門開關(guān)狀態(tài)的反饋。驅(qū)動(dòng)模塊直接與電磁閥門電氣連接,閥門獲得工作電壓,即可判斷為閥門打開。根據(jù)現(xiàn)場功能需求,在驅(qū)動(dòng)模塊的回路中,研究人員創(chuàng)新設(shè)計(jì)了閥門誤打開動(dòng)作監(jiān)測模塊。

計(jì)算機(jī)接口模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的ND-6050模塊(RS485轉(zhuǎn)DI/DO),該模塊為RS485、8路DO、7路DI接口。在電磁閥控制器中,電路器件采用4000系列 (軍品級(jí))的CMOS器件,主供電電壓采用直流12 V。譯碼模塊、譯碼鎖存模塊、驅(qū)動(dòng)邏輯模塊在時(shí)序模塊的統(tǒng)一時(shí)序脈沖下工作,由驅(qū)動(dòng)模塊輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁閥門工作。由于電磁閥門驅(qū)動(dòng)電壓使用直流24 V,在電磁閥反饋信號(hào)時(shí),設(shè)計(jì)增加了光電隔離電路,將24 V通過光耦轉(zhuǎn)換為12 V邏輯信號(hào)。電磁閥動(dòng)作信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)反饋模塊,送到計(jì)算機(jī)接口模塊的DI端,供上層工控機(jī)系統(tǒng)接收。

圖3 國產(chǎn)化的閥門控制器功能框圖Fig.3 Localization of the valve controller function block diagram

在物理結(jié)構(gòu)上,電磁閥控制器的箱體進(jìn)行了抗地震、防靜電、防浪涌、防電磁輻射、防水、防塵等多方面的設(shè)計(jì)。

5.2 電磁閥控制器控制邏輯設(shè)計(jì)

根據(jù)核電站輻射控制區(qū)多個(gè)測量點(diǎn)循環(huán)取樣測量的邏輯控制需求和上層工控機(jī)控制軟件的控制功能,設(shè)計(jì)了完整的電磁閥控制器控制和反饋信號(hào)真值表[1],如表3所示。其中S0、S1的邏輯值代表了閥門狀態(tài)反饋信號(hào)的編碼器使能端。

表3 電磁閥控制器控制和反饋信號(hào)真值表[1]Table 3 Truth table of control and feedback signals for the solenoid valve control device

續(xù)表

5.3 誤動(dòng)作監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場放射性氣體取樣電磁閥控制功能需求,設(shè)計(jì)電磁閥控制器的誤動(dòng)作監(jiān)測電路,基本框架如圖4所示。閥門電感線圈回路同時(shí)是誤動(dòng)作控制電路中的驅(qū)動(dòng)模塊,依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律動(dòng)生電原理,電磁閥在沒得到系統(tǒng)指令信號(hào)的電壓時(shí),如果電磁閥鐵芯受到管道內(nèi)流體瞬間推動(dòng),鐵芯將在電感線圈中抖動(dòng),電感線圈回路就會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢,回路檢測電路將檢測出電流值。該電流值被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后,與閥門誤動(dòng)作參考電壓進(jìn)行比較和反相處理,處理后的信號(hào)送入邏輯觸發(fā)器。觸發(fā)器將輸出高電平,推動(dòng)報(bào)警電路報(bào)警或點(diǎn)亮LED發(fā)光管。

圖4 電磁閥誤動(dòng)作監(jiān)測電路流程圖Fig.4 The misoperation monitoring circuit of the electromagnetic valve1—閥門電感線圈回路;2—回路電流檢測;3—電壓比較器;4—反相器;5—觸發(fā)器;6—復(fù)位電路;7—誤動(dòng)作信號(hào)輸出;8—分壓器;9—反相器;10—閥門誤動(dòng)作參考電壓

電磁閥門正常工作的驅(qū)動(dòng)電壓,通過誤動(dòng)作檢測電路中的分壓器和反相器,形成信號(hào)電壓。該信號(hào)電壓被送入誤動(dòng)作邏輯觸發(fā)器,確保該觸發(fā)器在閥門正常控制動(dòng)作時(shí)不進(jìn)行誤動(dòng)作信號(hào)檢測,實(shí)現(xiàn)閥門無工作電壓狀態(tài)下的誤動(dòng)作檢測目的。如果誤動(dòng)作監(jiān)測模塊出現(xiàn)了閥門誤動(dòng)作信號(hào)輸出,可以通過復(fù)位電路予以確認(rèn)并消除。

5.4 誤動(dòng)作監(jiān)測電路邏輯設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有的電磁閥結(jié)構(gòu)和控制器控制及反饋信號(hào),設(shè)計(jì)電磁閥誤動(dòng)作監(jiān)測模塊的邏輯關(guān)系,如表4所示[2]。

表4 閥門誤動(dòng)作監(jiān)測模塊運(yùn)算邏輯表[2]Table 4 Operational logic of the valve misoperation monitoring module

6 試驗(yàn)和比較

自主研制的電磁閥控制器樣機(jī)根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備級(jí)別要求,此次執(zhí)行了抗震鑒定試驗(yàn)、電磁兼容(EMC)試驗(yàn)、IP等級(jí)試驗(yàn)、現(xiàn)場運(yùn)行試驗(yàn),結(jié)果全部合格。其中,依據(jù)核電站相關(guān)建筑物標(biāo)高地震譜進(jìn)行了抗地震檢測試驗(yàn),加速度時(shí)程、反應(yīng)譜和實(shí)物圖如圖5～圖7所示。

圖5 SSE試驗(yàn)X向臺(tái)面加速度時(shí)程Fig.5 Acceleration time history for SSE test mesa of X direction

圖6 SSE試驗(yàn)X向臺(tái)面加速度反應(yīng)譜Fig.6 Acceleration response spectrum for SSE test mesa of X direction

圖7 抗震試驗(yàn)實(shí)物圖片F(xiàn)ig.7 Seismic test

因功能需求的特殊性,目前國內(nèi)外市場上沒有與該成果樣機(jī)功能完全一致的成熟產(chǎn)品。與俄羅斯原有設(shè)計(jì)供貨的電磁閥控制器產(chǎn)品各方面性能進(jìn)行比較,具備如表5所示的顯著特點(diǎn)。

表5 國產(chǎn)化研制的控制器與俄供控制器的性能對(duì)比Table 5 Performance contrast between localized controllers with Russia supplied controllers

續(xù)表

7 結(jié)論

在田灣核電站現(xiàn)場,通過在線運(yùn)行測試,自主研制的電磁閥控制器完全滿足系統(tǒng)要求。經(jīng)運(yùn)行驗(yàn)證、抗震試驗(yàn)、EMC試驗(yàn)、IP等級(jí)試驗(yàn),自主研制的電磁閥控制器全部符合核電站相關(guān)等級(jí)要求。該項(xiàng)目目前已經(jīng)獲得國家兩項(xiàng)專利授權(quán),具有獨(dú)立的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),經(jīng)中國核工業(yè)集團(tuán)公司成果鑒定 (鑒定證書編號(hào):中核科鑒字〔2017〕第156號(hào)),到達(dá)國際先進(jìn)水平。

該項(xiàng)目的順利完成,實(shí)現(xiàn)了電磁閥控制器的設(shè)備國產(chǎn)化,并創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了誤動(dòng)作監(jiān)視功能,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著,可以在田灣核電擴(kuò)建工程和國內(nèi)外其他核電站推廣使用。