核電廠DCS系統對低壓開關柜的監控設計分析

□劉 虎 張 樂 王蘭蘭

低壓開關柜是為核電廠安全重要設備——泵、風機、電動閥門和電加熱器等各種電氣設備進行直接控制、配電的電氣設備，它直接與DCS控制系統和現場重要工藝設備相聯接，肩負著重要的電站安全控制功能。本文分別對開關柜的設計以及數字化控制系統與其的接口設備——設備驅動模塊(簡稱DCM模塊)進行介紹，對存在的問題及解決方案進行了分析研究。

一、低壓開關柜的功能及設計介紹

低壓開關柜的主要功能是對低壓電氣設備進行配電、開/關或啟/停控制，同時對電氣設備進行過載、短路、低電壓等保護。

(一)低壓開關柜與DCS控制系統交換的信息。一是開關柜接受DCS系統控制命令：ON/OPEN命令、STOP/CLOSE命令。二是開關柜送往DCS系統的信號：被控設備的狀態反饋信號：1)設備狀態ON/OPEN的反饋信號；2)設備狀態STOP/CLOSE的反饋信號；被控設備不可用信號：信號內容如表1所示。

(二)低壓開關柜的正常控制。正常情況下，DCS控制系統發出OD或者CD命令，該命令作用于開關柜的主接觸器來啟動/開啟或停運/關閉電氣設備。

(三)低壓開關柜的其他操作。

1.開關柜的就地試驗控制盒的操作。在開關柜內設計有針對試驗用的插座002PJ。就地試驗控制盒有兩個按鈕，當它插至開關柜的002PJ時，可以直接對電氣設備進行就地的啟/停控制。在試驗盒插入時，開關柜的信號和控制方式將發生變化。

2.開關柜試驗位和抽屜抽出位。低壓開關柜均要求設計有抽屜工作位置、試驗位置、抽出位置三個機械位置。一是工作位置：抽屜正確插入到位、斷路器閉合，設備正常工作。二是試驗位置：用于對DCS系統和開關柜二次控制回路整個通道的回路試驗。該試驗應不需要斷開任何端子接線，就可以在被控設備不動作的情況下進行。三是抽出位置：用于開關柜檢修。

3.開關柜內的“設備不可用”信號。開關柜內每一個電氣設備的控制回路都設計有“設備不可用”信號，信號內包含有不同原因引起的設備不可用。

表1 “設備不可用”信息的組合內容及說明

二、DCS系統設備驅動模塊介紹

設備驅動模塊(DCM)是DCS系統直接對現場控制設備進行監控的重要設備，它進一步處理來自上一級微處理器的各類設備控制信息，進行各種控制命令的優先順序排序，而后，向被控制設備發出最終的執行命令；同時它將接收開關柜(現場)的反饋信號，完成對現場設備的控制、監視、保護功能。

(一)控制功能。DCM模塊對由控制系統送出的設備保護命令(P)、自動控制命令(A)、允許手動操作命令(E)以及手動命令(M)進行連鎖控制邏輯運算后，發出最終的用于設備控制的命令。

DCM模塊控制命令的發出都是通過RS觸發器送出，其控制命令的輸出均為保持型。當需要脈沖型輸出時，通過反饋狀態復位輸出來實現。

從圖1可以看出，只有在診斷出不存在故障信號時，最終控制命令(ON或OFF)方可發出。

圖1 設備驅動模塊的控制模式(故障信息閉鎖控制輸出)

(二)監視功能。設備驅動模塊(DCM)接受開關柜(現場)的反饋信號，進行邏輯運算以達到對設備監視的目的。

1.不一致信息。DCM模塊始終監視著被控設備的運行狀態反饋信息是否與其發出的控制命令一致。如果沒有控制命令發出而設備改變了運行狀態，則DCM模塊將發出不一致信息到工作站或后備盤。不論DCM輸出命令是否被反饋信號復位與否，它都始終有此監視功能。

2.真實性檢查。DCM模塊始終對被控設備的運行狀態反饋信息的真實性進行監視。即從開關柜(現場)反饋回DCM模塊的ON或OFF狀態不能同時為0或同時為1。考慮到開關觸點轉換所必需的時間，真實性檢查信號已設計有1秒(標準值可調整)的延時。

3.運行時間監視。DCM模塊從控制命令發出瞬間開始計時，如若在要求的時間，正確的設備狀態反饋信息沒有接受到，將發出運行時間異常報警信號。

(三)保護功能。DCM模塊可以對被控設備進行配電回路的供電母線低電壓保護：即一旦接收到低電壓信號，自動發出OFF命令對用電設備進行保護。

三、開關柜與DCS系統執行過程中的典型問題分析

(一)“設備不可用”信息的采集和應用。“設備不可用”信息對于核電站的安全運行具有重要意義，尤其是部分參與反應堆保護動作的重要設備，根據運行的要求需要及時向操作員提供“設備不可用”報警。

1.“設備不可用”存在的問題。根據此功能要求，開關柜內設計了聯鎖電路，出現設備不可用信息時，主控制室將不能再啟動該設備，但仍應保留發出停運命令的可能，以便對該設備進行必要的保護操作。此項目的DCS系統的標準設計沒有“設備不可用”信息輸入端，因此，這個功能要求的實現存在如下問題。第一，設備驅動模塊(DCM)標準設計有“試驗位輸入端”和“故障信號”輸入端。如果不可用信號從故障信號輸入端送入，則該信號將閉鎖控制命令發出，不能滿足就地試驗控制盒接入插座等工作情況下，仍能從控制室發出OFF命令對設備進行保護控制。第二，設計要求僅部分“設備不可用”信息將用作報警，而且既有單個設備不可用報警，也有多個設備不可用的組合報警；多數情況下單個設備的不可用狀態僅要求給出一個信息，而不要求報警，不需要操作員的額外確認動作。第三，在其產品的目前標準設計中沒有考慮生成“設備不可用”這個綜合信息。

2.解決方法。澄清功能要求，暴露出問題后，各方均提出了解決方法。DCS供貨商提出：應修改開關柜邏輯，將故障信號與試驗信號分別送出以適應其設備驅動模塊的設計。經分析認為：此方案并不解決問題。一是對于泵、風機的設備驅動模塊存在試驗位，而對于電動閥門的驅動模塊不存在試驗位輸入；二是這個修改將引起一系列的修改——修改邏輯圖、修改電纜系統圖、電纜端接圖、運行維修文件等。

于是工程師又提出兩個建議：一是使用單獨的輸入輸出模塊采集此“設備不可用”綜合信息。這樣既可以解決信號閉鎖控制輸出的問題，又能使該信號不會自動產生報警，額外增加操作員的確認工作，同時還能夠方便地進行必要的單個或組合報警的實現。二是使用驅動模塊的試驗狀態信號輸入端采集“設備不可用”綜合信息。此方案可以解決信號閉鎖控制輸出的問題，且不會自動產生報警。但它產生的信息是試驗信息，這與設計院要求不完全符合，需要更改工作站的設備顯示信息。

對于控制電動閥門的DCM模塊，因為沒有試驗位輸入端，不能采取方案ii,經研究，可使002SM在抽屜處于正常工作位、試驗位時打開，確保正常工作位設備可用，沒有故障信號發出，設備正常接收DCS命令；同時在抽屜處于試驗位時，也能正常接收DCS命令對控制通道、開關柜二次控制回路側進行試驗，可以實現調試試驗的功能要求。問題得到解決。

(二)DCS系統控制輸入輸出的主要技術要求。通過上文可以看出，DCS控制系統的輸入輸出設計必須首先滿足工程實際的功能需求。盡管DCS系統是一個成熟的系統，已積累了很多的工程經驗，控制保護設計得比較周密，但針對不同的工業對象，會有一些特殊的要求。除此以外，為確保設計合理正確，還應注意考慮下面的技術要求。

1.控制功能要求。根據現場設備的特點，確定功能實現的方法，確定控制輸出的數量、輸出類型。

2.隔離功能的要求。控制回路和電氣開關柜回路應有充分的隔離，以防止一側的損壞會波及到另一方的安全。隔離既有安全方面的要求，也有電氣本身的要求。安全方面的要求是指信號流的方向只能從核安全等級高的送到安全等級低的設備，而不能反向。此要求是確保安全級設備的功能實現。電氣方面的隔離要求主要是指電源隔離等要求，不同回路的電源不能在一個設備上有交叉而未作隔離。

3.功率匹配的要求。功率匹配是指DCS系統的控制觸點的輸出容量應滿足它所分斷的控制回路的應用要求。輸出容量的選擇還應考慮分斷的是阻性負載還是感性負載。

四、結語

電氣設備產品不斷地更新換代，控制系統更是隨著信息化技術的突飛猛進發展而日益功能強大，參考電站的一些要求有的是基于當時技術實現的能力提出的，有的是需要進一步改進提高的。使用了功能強大先進的數字化技術，技術實現方案有的是可以作出改進調整的。通過核電項目的設計、建造的深入進行，相信必然會對核電站的設計完善以及設備制造的進步做出一定的貢獻。