核電廠數字化控制棒控制系統設計技術研究

卜江濤

(上海核工程研究設計院有限公司， 上海 200233)

核電廠控制棒控制(簡稱棒控)系統用于實現對反應堆控制棒驅動機構的控制，是保證反應堆安全運行的重要設備[1]。棒控系統作為對發電可靠性要求較高的設備，其運行可靠性直接影響著核電廠的經濟效益。

目前，國內棒控系統對驅動機構線圈的供電普遍采用模擬電路進行控制，使用大量的互補金屬氧化物半導體(CMOS)分立元件，易出現元件故障率高、可靠性差、維護性差等問題。另一方面，三代非能動核電技術提出了數字化、負荷跟蹤、調峰等各種需求，對電廠堆芯控制策略也需要進行調整優化，這對棒控系統提出了更多的功能要求。隨著三代核電裝機容量增大，控制棒數量也更多，但實際的設備可用布置空間卻有所減少，對設備限制較大。

基于如上問題，如何實現棒控系統數字化設計，如何提高棒控設備的可靠性、可操作性、可擴展性，如何簡化棒控設備結構使其滿足空間限制的要求，是目前棒控系統設計亟需解決的問題[2-3]。

1 棒控系統簡介

棒控系統是保證反應堆安全運行的重要設備，通過接收來自反應堆功率控制系統中控制棒移動的方向和速度信號進行自動調節，或者通過手動控制方式(提升或下插控制棒)來調節反應堆功率。正常工況下，可以通過調節控制棒位置實現反應堆的正常啟停、調節功率以及維持堆芯在某給定功率運行；事故工況下，可以通過迅速向反應堆堆芯插入控制棒實現緊急停堆，從而實現對反應堆功率和功率分布的控制。

一般每束控制棒懸掛在環形的驅動桿下，驅動桿由驅動機構中的鉤爪帶動上下移動(見圖1)。

圖1 控制棒驅動機構動作示意圖

驅動機構包括3個安裝在壓力殼外面的磁軛線圈，1個線圈激勵1個安裝在壓力殼里面的磁極[4]。

2 國內現有棒控系統的設計

國內現有的棒控系統主要由邏輯柜、電源柜、主控室內的棒控指示箱及系統開關等構成。

邏輯柜的功能是在電廠啟動、運行期間產生控制棒步進所需要的信號。電源柜由獨立的電源設備單元組成，每個電源設備單元與1臺控制棒驅動機構相連。每個電源設備單元包括：控制和調節送往驅動機構線圈電流的三相半波相控晶閘管電橋，作為邏輯部分和電源部分之間接口的晶閘管電橋控制電路。 晶閘管電橋及控制電路框圖見圖2，其中電流定值器、比較器、觸發器、相同步變壓器等都采用CMOS元件實現其功能。

圖2 晶閘管電橋及控制電路框圖

3 數字化棒控系統設計

3.1 功能要求分析和總體方案設計

為實現棒控系統的數字化設計，首先，要對其功能要求進行分析和功能劃分，確定數字化控制的范圍，并對數字化平臺進行調研，尋找能滿足要求的數字化平臺；其次，研究線圈電流供電回路的改進電路，使其滿足結構簡單且可靠性高的特點，并最終確定總體設計方案。

一般棒控系統從功能上主要分為邏輯柜和電源柜2個部分。

3.1.1 邏輯柜

邏輯柜中主循環處理邏輯為：接收來自電廠控制系統和操縱員的控制命令，并將這些控制命令進行處理，按照控制要求向從動循環處理邏輯發送驅動機構移動所需的移動啟動脈沖信號。這部分功能可采用數字化設備完成。

3.1.2 電源柜

電源柜實現的功能主要為：

(1) 從動循環處理邏輯：接收和處理來自主循環處理邏輯產生的移動啟動脈沖信號，產生該子組或某棒束在要求方向上移動一步所需的要求時序信號。這部分功能可采用數字化設備完成。

(2) 線圈電流控制邏輯：實現線圈電流的閉環控制，對線圈電流信號進行處理和監測，以判斷線圈電流控制邏輯或線圈電流供電回路故障情況，并采取相應的措施防止故障發生時控制棒落棒。這部分功能可采用數字化設備完成。

(3) 線圈電流供電回路：由專用的棒電源機組提供260 V、50 Hz的三相電源，經停堆斷路器后送往三相半波相控晶閘管整流電路，整流后向不同的線圈提供脈動直流電流。這些功能可采用結構簡單的電路實現。

3.2 邏輯柜軟硬件設計

棒控系統屬于電廠控制系統的一部分，采用集散控制系統(DCS)平臺是目前核電廠控制系統的發展趨勢，因此可基于DCS平臺來設計棒控系統的邏輯柜。

3.2.1 硬件設計

邏輯柜內DCS硬件由電源模塊、輸入輸出模塊及控制器中央處理單元(CPU)構成。其中，電源模塊和控制器CPU采用冗余配置以提升可靠性。表1為對各硬件的故障模式進行了分析匯總。

表1 邏輯柜設備故障模式分析及補償措施設計

3.2.2 軟件設計

邏輯柜軟件功能實現過程中采用模塊化設計，對功能進行梳理，形成功能上相對比較獨立、接口相對簡單的功能模塊(見圖3)。對功能模塊庫進行編程和測試，保證對功能需求的完全響應。

圖3 控制邏輯軟件功能模塊流程簡圖

3.3 數字化電源柜設計

3.3.1 線圈電流控制回路的設計

線圈電流控制回路采用數字化設備可以避免不少模擬設備的缺點，但仍然存在不少難點：驅動機構動作過程比較復雜，要求控制裝置提供的電流快、準、穩，暫無現成的數字化設備；線圈中時序電流故障模式識別、信號采集、故障判斷難度較大；故障后采取應急措施，在很短的時間內重新保持控制棒較難；設備的電磁兼容性要求高。

針對以上難點，通過對已有成熟可靠的數字化設備進行調研和分析，并結合實際的特殊要求，確定采用現場可編程門陣列(FPGA)+數字信號處理(DSP)控制器，可實現相關功能。

基于FPGA+DSP控制器的全數字化棒控結構見圖4。

1—控制模塊；2—三相電壓采集模塊；3—線圈供電電路；4—外部接口模塊；5—電流傳感器；6—驅動脈沖放大模塊；7—外部控制模塊；8—存儲模塊。

圖4 基于FPGA+DSP控制器的全數字化棒控結構示意圖

在具體的軟件設計過程中，采用FPGA完成以下功能：

(1) 外部接口信號處理。對來自邏輯處理控制器的移動命令的接收和識別，對邏輯柜發送的錯誤信號直接進行屏蔽，并發送緊急報警故障，避免誤動作的發生。

(2) 利用運行速度快、定時精度高的FPGA控制器產生控制棒移動所需的時序電流要求信號?？刂茀蹈鶕枨罂烧{，具有很好的靈活性和適用性。

(3) 對供電回路和控制回路故障在線監測。通過高速采集信號的在線監測，判斷線圈電流過高、鉤爪線圈電流同時為零、電壓缺項等故障，通過控制器內部監測程序判斷控制器輸入、輸出、通信及處理故障。

(4) 同步觸發晶閘管的導通。實現控制信號與三相電源的同步，并觸發相應的晶閘管。

采用DSP完成以下功能：

(1) 線圈電流的PID閉環控制。對采集的線圈電流信號和要求的時序電流信號的偏差進行算法處理，并轉換成對應晶閘管的導通角信號。

(2 )供電回路控制對象的線性化處理。對晶閘管導通角與對應線圈能形成的電流進行線性化處理，提高對線圈電流的控制精度。

(3) 對線圈電流進行分析，判斷驅動機構動作是否正常。通過某算法對線圈電流波形上的凹坑進行監測，核實驅動機構關鍵動作點是否完成，從而確定下一個動作是否安全。

另外，還應考慮控制回路的緊急故障處理和電磁兼容性的要求，以保證控制棒運行的安全性和可靠性。

3.3.2 線圈供電回路的設計

每個驅動機構對應3個線圈：提升線圈、固定鉤爪線圈、移動鉤爪線圈。線圈的供電及線圈電流控制部分在電源柜中實現。根據線圈功能及供電要求的不同，電源柜分為移動柜和選擇柜。選擇柜向固定鉤爪線圈和移動鉤爪線圈提供供電回路及控制；移動柜向提升線圈提供供電回路及控制。

選擇柜按其功能不同分為3個部分：上部為電源層，負責三相電源的輸入以及控制電源的處理；中部包含1套線圈供電回路及線圈電流控制回路，用于向1個子組內4束棒的固定鉤爪線圈供電；下部同樣包含1套線圈供電回路及線圈電流控制回路，用于向1個子組內4束棒的移動鉤爪線圈提供線圈電流及控制回路，線圈電流控制回路由FPGA+DSP控制器實現。

移動柜由2部分組成，上部為電源層，下部包含1套線圈供電回路及線圈電流控制回路，能同時向1個子組內4束棒的提升線圈提供線圈電流及控制。此外，不同時移動的子組還可共用該提升線圈供電及控制回路。共用提升線圈供電回路的子組通過控制晶閘管的通斷來實現。

通過該配置可大大減少提升線圈供電及控制回路設備。以69束棒的AP1000棒控系統為例，采用該配置方式，只需要11個電源柜(2個移動柜及9個選擇柜)。

3.4 人機接口設計

在人機接口設計方面，應以核電站人因工程設計準則為指導，結合實際驅動機構控制裝置人機接口需求和現場實際運行經驗反饋，按照不同的操作需求設置不同的操作界面，主要應包括：主控制界面、失步校正操作界面、參數設置界面、故障定位界面和試驗界面等。

設計界面時應考慮操作所需信息的全面性、操作的合理性、防誤操作功能等。在操作界面設置不同的操作權限，僅有對應權限的人員才能進行相應的操作，降低了由于不當人因操作而引起的意外故障。

4 結語

基于DCS平臺，采用FPGA+DSP控制器數字化技術設計的數字化棒控系統，其邏輯柜采用DCS平臺實現控制功能，電源柜中線圈電流控制部分通過幾個模塊(包括CPU)來實現，線圈電流供電回路采用一帶四的控制方式。通過簡化控制結構、利用數字化技術進行控制和監測，可大幅提高設備的利用率和可靠性，同時通過數字化的調試和監測方法，可降低維護和調試的難度。另外，通過合適的人機接口修改控制參數，可將其應用于各種功率等級的壓水堆核電廠棒控系統。