恰希玛核电工程2号机组棒控棒位系统数字化设计

本文论述了巴基斯坦恰希玛核电工程2号机组（简称C2）棒控棒位系统数字化设计。恰希玛1号机组棒控棒位系统均采用模拟器件实现，其设计较为复杂、功能实现不灵活，调试比较困难。在C2设计中，逻辑控制采用成熟PLC实现，通过人机界面对系统状态进行在线监测和授权参数修改，提高了系统功能配置的灵活性和可靠性；通过对接口电路进行修改以适应PLC接口，采用故障双保持电路设计，提高了设备的可靠性。

【关键词】恰希玛核电站 棒控棒位系统 数字化 PLC 故障监测

1 概述

核电厂反应堆运行中有很多因素，如负荷变化、温度效应、中毒和燃料都影响堆芯反应性变化。压水堆主要利用移动式控制棒和慢化剂中可溶性毒物等方法来控制反应性。在实际控制过程中，由于控制棒控制具有控制灵活、响应快的优点，用于控制反应堆快速的反应性变化。控制棒通过驱动机构带动其在堆芯内上下移动，通过改变控制棒位于堆芯内的位置，实现反应堆功率的控制，本质上讲，控制棒驱动机构是一类电磁提升装置，需要相应的供电装置为其提供连续可调的电流。控制棒控制系统包含逻辑柜与电源柜。逻辑柜接收和处理核电厂中其它系统和操纵员的控制命令，并向电源柜发送控制棒驱动机构移动所需的移动信号。电源柜从功能上主要分为以下几个部分：

1.1 从动循环处理逻辑

处理逻辑柜产生的移动启动脉冲信号，产生移动一步所需的要求时序信号。

1.2 线圈电流控制逻辑

实现对线圈电流大小的闭环控制，并对线圈电流信号进行故障监测和处理。

1.3 线圈电流供电回路

向驱动机构线圈提供不同时序和大小的电流，使得驱动机构的钩爪配合动作，实现移动或保持过程。

控制棒的提出和插入关系到反应堆的启动、运行和停堆。有两种控制棒位置指示的方式，要求棒位指示和实测棒位指示。要求棒位通过棒控系统累计要求的控制棒移动步数来实现。但实际移动过程中，可能由于卡棒等原因，实际棒位与要求棒位不一致。实际棒位在堆芯内分布不均可能引起较严重的后果，因此需对实测棒位进行监测。实测棒位由棒位指示系统进行监测，通过棒位探测器探测控制棒在堆芯内的实际位置，并对位置信号进行处理、显示和报警。

C1设计中受当时技术限制，系统采用模拟插件来实现系统功能，设备完工后，控制逻辑不能修改，功能不能升级，人机接口方式少，过程变量不易监测，调试维护不便。且离散控件故障率较高，出现问题难于定位。随着数字化技术的不断提升，高可靠性的数字化设备开始在工业中大量成熟应用，因此，有必要根据实际工程设计条件，在核电厂对棒控棒位系统进行数字化的尝试性改进。

2 棒控棒位系统数字化设计

2.1 逻辑柜数字化设计

逻辑柜的功能是在核电厂反应堆启动、连续运行期间产生控制棒步进所需信号。控制逻辑柜接受主控制室和反应堆功率控制系统的指令信号。依此选择需要运行的控制棒驱动机构，并向电源柜发出相应指令，驱动控制棒移动。

逻辑柜用于实现主循环处理逻辑部分的以下几种功能：（1）方向综合：对自动和手动升降信号进行综合处理。手动优先于自动，降优先于升信号。（2）组选择综合：综合主控室的组选择命令、方向信号以及重叠移动方式，确定当前需要移动的棒组。（3）棒速合成：综合手动或自动控制方式，选择对应的移动棒速，产生移动一步所需的启动脉冲信号。（4）主循环：一个组内的两个子组轮流移动，同一组内两个子组的相对位置不大于一步。（5）子组计数：对每个棒子组要求移动的步数进行累计。（6）试验：配合驱动机构完成现场复验和特定棒组定期进行棒离顶试验。（7）校正：配合完成控制棒失步校正功能，包括组校正和棒校正两种方式。（8）故障检测及报警：对系统故障进行监测，并按照不同故障采取不同的响应措施。

逻辑柜控制器采用德国西门子S7-400 系列控制器实现，该控制器广泛应用于各种工业生产过程中，具有可靠性高、组态简便等特点。同时采用MP377触摸屏完成相关人机接口界面的设计，对运行状态进行显示和监测。通过触摸屏上的操作界面，可以看到整个棒控系统的各种运行状态，包括自动、手动、方向、控制棒的要求棒位以及故障状态。故障状态还可以通过界面导航定位到系统的某个设备，在调试时，可通过操作界面进行控制和调节参数，操作和维修都十分方便。

2.2 电源柜设计

电源柜根据逻辑柜的指令按一定的时序向对应的线圈输出大小合适的直流脉动电流。电源柜主要完成从动循环、线圈电流控制逻辑和线圈供电回路三个部分的功能。从动循环控制器接受来自逻辑柜PLC的启动信号后，按照要求产生提升/下降一步所需的时序电流指令，分送给各电流调节回路，通过改变晶闸管导通角的大小实现线圈电流的控制。从动循环控制器采用西门子S7-300系列控制器完成功能。由于同一子组要求同时移动，每个子组配有一台从动循环控制器。从动循环控制器通过PROFIBUS与逻辑柜中的控制器相连，其中逻辑柜的PLC控制器作为主站，其他从动循环控制器和显示器作为从站。

线圈电流控制逻辑由定值模块、调节模块、移相触发模块等构成。其中的定值模块接收来自PLC输出接口的控制命令后，并把转换成相应的电压定值；调节模块接收该电压定值并与来自采样电阻的采样信号进行比较和调节，最终通过移相触发模块控制晶闸管的导通时间来控制棒电源流经驱动机构线圈电流的大小。

由于该部分是对强电的控制，且反馈控制需对反馈电压进行高频采集，不适合采用PLC来完成，因此仍采用模拟插件完成相关功能，但在结构上与C1的模拟插件有很大的差别：定钩线圈和动钩线圈控制时序信号输出端采用低电平有效的控制方式，当定钩大电流或动钩大电流/小电流命令的输出模块出现故障位于低电平状态时，电源供电回路仍能使固定钩爪线圈和可动钩爪线圈处于通电状态，从而避免故障时引起的控制棒落棒事故。此外控制电路还接收从动循环控制器的PLC紧急故障信号，该信号同样采用低电平有效的控制方式，当该信号存在时自动闭锁控制棒的移动。

在电源供电回路及控制逻辑中也设置了各种检测电路来探测回路的故障，当发生故障时，采取必要的补救措施，防止落棒事故的发生。属于电源供电回路紧急故障的有：（1）驱动机构提升线圈、固定钩爪线圈、可动钩爪线圈电流过大或大电流通电时间过长；（2）同一棒束的固定钩爪线圈电流和可动钩爪线圈电流同时为零；（3）三相整流电路缺相；（4）功能插件离线。

发生紧急故障后，棒控系统自动产生如下响应：（1）电源供电回路对各种故障信号进行综合处理后就地发出声光报警，同时报警信号送往PLC控制器进行处理后向主控室发出紧急报警信号。（2）禁止控制棒的自动控制功能，系统进入手动操作方式。（3）自动切断紧急故障电源柜中提升线圈供电回路的输出，同时立即给固定钩爪线圈和可动钩爪线圈通以先大后小的电流信号，直至故障被排除，这就是所谓的“双保持电路”。电源供电控制回路在接收到紧急报警信号后，使动钩线圈和定钩线圈产生300ms的大电流信号，待驱动杆被抓住后改为小电流保持，防止钩爪线圈温度升高进而影响驱动机构的性能。

3 控制棒位置指示系统的数字化设计

控制棒位置指示系统主要实现对棒位探测器的信号进行采集和处理。棒位指示系统设备由棒位测量柜和棒位处理柜组成。棒位测量柜负责向棒位探测器的初级线圈提供初级电流，并在落棒实验时配合棒控系统的数据采集柜完成落棒试验，同时采集37个棒位探测器的六位葛莱码信号，并对这些信号进行整理和初步处理后送往棒控系统处理柜[4]。棒位处理柜中的PLC接收来自葛莱码整形模块的37束控制棒的葛莱码信号，并把这些信号转换成实测棒位信号。此外PLC控制器还需对控制棒的棒失步、组失步、棒离顶、落棒以及棒位装置故障进行监测。控制棒控制系统和棒位指示系统之间通过通信方式连接，取消了原来棒控系统和棒位系统之间的大量电缆。通信光纤采用冗余的配置方式，保证了系统之间通信的可用性。

4 技术成果及创新

C-2项目中，改进的数字化棒控棒位系统具有以下几个创新点：（1）采用PLC控制器实现逻辑柜处理功能，方便了控制逻辑的优化和修改。（2）采用PLC控制器实现从动循环处理功能，增加了控制的灵活度，提高了系统的可靠性。（3）优化了PLC控制器与线圈电流控制回路间的接口控制电路，提高了可靠性，降低了故障下控制棒落棒的几率。（4）采用了友好的人机接口界面，显示系统状态信息，调试和维护十分方便。（5）采用了PLC控制器实现实测棒位处理功能。（6）棒控棒位系统采用通信方式传输棒位信号。减少了两个系统之间的传输电缆。

5 数字化棒控棒位设备后续发展方向探讨

在C2项目中由于各种限制，棒控棒位系统并未实现最大程度的数字化。今后可考虑在以下方面进一步改进和优化：（1）主控室内棒控棒位系统的数字化显示；（2）控制棒控制系统电源柜控制的数字化设计。线圈电流供电回路的控制电路进行数字化设计，可消除采用定位器调节时序电流给定值时造成控制参数漂移的现状，进一步提高系统的可靠性和设计的灵活性。（3）控制棒驱动机构线圈电流等数据的在线采集、处理和分析功能，方便设备使用情况的监测和判断。

参考文献

[1]杜圣华.核电站[M]。北京：原子能出版社1958

[2]卜江涛.棒控系统设备柜规范书。上海核工程研究设计院，2013，B版

[3]胡晓英.控制棒指示系统说明书 上海核工程研究设计院，2011，B版

作者单位

上海核工程研究设计院 上海市 200233