CN110388774B

CN110388774B - 一种核级冷水机组数字化控制保护系统

Info

Publication number: CN110388774B
Application number: CN201910682434.7A
Authority: CN
Inventors: 王晓卫; 郑伟智; 林杰; 孟庆军; 孙洪涛; 刘静波; 林颖杰; 王任远; 刘克超; 张弋
Original assignee: China General Nuclear Power Corp; China Techenergy Co Ltd
Current assignee: China General Nuclear Power Corp; China Techenergy Co Ltd
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2021-07-27
Anticipated expiration: 2039-07-26
Also published as: CN110388774A

Abstract

本发明涉及一种核级冷水机组数字化控制保护系统，属于核级冷水机组控制领域，解决了现有技术中因未考虑隔离、冗余、功能分散以及故障安全造成的可靠性差、稳定性低、抗干扰能力弱、硬件成本高等问题。该系统包括信号调理单元、信号采集单元、逻辑控制单元。系统整体硬件架构采用了冗余配置，提高了系统的稳定性；信号的采集及通讯采用了不同的隔离措施，提高了系统的抗干扰能力。

Description

一种核级冷水机组数字化控制保护系统

技术领域

本发明涉及核级冷水机组控制技术领域，尤其涉及一种核级冷水机组数字化控制保护系统。

背景技术

目前核级冷水机组控制系统主要采用可编程逻辑控制器(PLC)配合工业触摸屏实现控制及报警显示等功能，控制器安装在冷水机组本体上的电气箱中，控制系统内部信号采集、逻辑处理均未考虑隔离、冗余、功能分散以及故障安全等设计措施。

PLC及工业触屏均属于NC级设备，采用上述方式实现核级冷水机组的控制及保护，主要存在以下问题：

1)核级冷水机组控制系统软件要求为B类，PLC属于NC级设备，其软件不满足B类软件功能要求，在特定情况下系统软件会触发自我保护机制，进而导致核级冷水机组被自我保护机制关闭，进而影响整台机组执行安全功能；

2)采用PLC技术的控制系统，仅完成抗震试验，但并未开展鉴定活动，这给后续机组运行带来了安全隐患。另外，由于采用NC级设备实现安全功能，系统在研发过程中并未执行标准要求的V&V活动，假若软件设计过程中留存任何缺陷，在后续设备执行安全功能时会带来不可控的安全隐患；

3)核级设备设计、制造成本高昂，加之核电厂对设备安装布置的要求，使得现有核级冷水机组普遍采用1台控制器控制多个独立的冷水机组模块的架构。如图1所示，控制系统在设计过程中未考虑功能分散及冗余备份功能，当单个模块或控制器故障时很容易造成整台机组故障失效，进而影响冷水机组执行安全功能。

4)核级冷水机组控制器普遍安装在机组本体上，由于现场工作环境恶劣，加上机组运行时产生的震动影响，导致控制系统抗干扰能力差，系统稳定性不理想。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种核级冷水机组数字化控制保护系统，用以解决现有核级冷水机组因未考虑隔离、冗余、功能分散以及故障安全造成的可靠性差、稳定性低、抗干扰能力弱、硬件成本高等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种核级冷水机组数字化控制保护系统，包括信号调理单元、信号采集单元、逻辑控制单元；

所示信号调理单元的输入端用于将核级冷水机组输出的模拟量信号和RTD信号调理为标准有源信号，并将调理后的信号传输至信号采集单元；

所示信号采集单元包括用于采集标准有源信号的AI板卡和采集核级冷水机组输出的数字量信号的DI板卡；同时还包括用于输出模拟量信号的AO板卡和数字量信号的DO板卡；

所述逻辑控制单元，用于对标准有源信号与数字量信号进行逻辑运算、对多路远程启/停信号进行表决，将逻辑运算结果和表决结果由AO/DO板卡输出至核级冷水机组进行相应的状态控制和启/停控制。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，所述保护系统还包括故障记录单元；所述故障记录单元用于接收并记录信号调理单元输出的标准有源信号及数字量信号；同时接收并记录通过逻辑控制单元表决后输出至AO板卡或DO板卡的信号。

进一步，所述信号调理单元包括调理板卡和至少三个继电器；所述DI板卡数量为至少三个；

所述调理板卡，用于将4～20mA模拟量信号和RTD信号转化为标准的4～20mA有源信号；

所述继电器用于数字量干接点信号的隔离分配，其中至少3个并联用于将机组远程启/停的数字量信号分为3路相同的数字量信号，并送至不同的DI板卡。

进一步，所述逻辑控制系统包括主控制器、IO通信板卡和环网通讯板卡；

所述主控制器，用于标准有源信号与数字量信号进行逻辑运算、对多路远程启/停信号进行表决；

所述逻辑运算包括阈值比较、与、或、非及计时运算中的至少一种；

当标准有源信号或数字量信号不满足阈值比较、与、或、非及计时运算结果不满足要求时，输出动作保护信号，对输出所述不满足条件信号的相应组件，进行动作；

当多路远程启/停信号中的至少一路有效时，输出相应的启/停控制指令，控制所述冷水机组的启/停；

所述IO通信板卡，用于实现逻辑控制单元和信号采集单元之间的数据通讯；

所述环网通讯板卡，用于实现主控制器与安全显示单元的实时通讯。

进一步，所述主控制器实现对RAM、程序存储、处理器、数据总线、通信、信号采集和冗余控制状态的自诊断和电源状态、机柜温度、风扇状态和机柜柜门的自监视。

进一步，所述保护系统还包括报警显示单元；所述报警显示单元包括安全显示单元、环网通讯模块和光旁通模块；

所述安全显示单元，用于接收主控制器输出的逻辑处理结果，实现报警显示；

所述环网通讯模块，用于实现主控制器与安全显示单元的实时通讯；

所述光旁通模块，用于实现主控制器与安全显示单元的实时通讯。

进一步，所述逻辑控制单元与报警显示单元之间数据通信采用多节点网络。

进一步，所述故障记录单元至少包括两台横河记录仪，一台用于接收输入至保护系统的信号，另一台用于接收逻辑表决后的信号。

进一步，所述保护系统还包括采用冗余配置的供配电单元，放置在机柜中的交直流配电设备模块，所述交直流供配电设备输出24VDC向机柜提供直流电源；同时供配电单元设置有滤波和浪涌装置。

进一步，还包括机柜；所述机柜由上而下依次设置有风扇单元、交直流配电设备、电源分配盘、报警显示单元、故障记录单元、逻辑处理单元、信号调理单元、信号采集单元和电源分配盘；其中，在所述电源分配盘与报警显示单元之间、故障记录单元与逻辑处理单元之间、信号调理单元与信号采集单元之间设置之间均设置有盖板；在邻近逻辑处理单元下方设置风扇和盖板，盖板放置在风扇和信号调理单元之间；同时，在机柜两侧还设置有5V电源板卡为主控制器供电。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、控制系统整体硬件架构及配电采用冗余配置，提高了系统的稳定性；

2、信号的采集及通讯采用了不同的隔离措施，提高了系统的抗干扰能力；

3、控制系统软件的设计严格且合理，提高了系统的可靠性和安全性。

4、机柜内硬件的布置节省了空间，降低了成本。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为现有技术1台控制器控制多个独立的冷水机组模块示意图；

图2为一个实施例中一种核级冷水机组数字化控制保护系统结构示意图；

图3为一个实施例中调理板卡对模拟量调理隔离原理图；

图4为一个实施例中继电器分配机组远程启停信号示意图

图5为一个实施例中控制器实现三取一逻辑表决原理图；

图6为一个实施例中主处理器故障诊断示意图；

图7为一个实施例中核级冷水机组机柜配电示意图；

图8为一个实施例中核级冷水机组保护机柜结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种核级冷水机组数字化控制保护系统。如图2所示，包括信号调理单元、信号采集单元、逻辑控制单元；信号调理单元的输入端用于将核级冷水机组输出的模拟量信号和RTD信号调理为标准有源信号，并将调理后的信号传输至信号采集单元；信号采集单元包括用于采集标准有源信号的AI板卡和采集核级冷水机组输出的数字量信号的DI板卡；同时还包括用于输出模拟量信号的AO板卡和数字量信号的DO板卡；逻辑控制单元，用于对标准有源信号与数字量信号进行逻辑运算、对多路远程启/停信号进行表决，将逻辑运算结果和表决结果由AO/DO板卡输出至核级冷水机组进行相应的状态控制和启/停控制。

实施时，信号采集单元与逻辑控制单元通过冗余的总线管理板卡进行数据通讯，当单个通信链路故障时，不影响整个系统的采集功能，提高了系统的可靠性的同时，最大限度降低了机组模块间故障隐患的相互影响。

与现有技术相比，本实施例提供的核级冷水机组数字化控制保护系统，整体硬件架构采用冗余配置，提高了系统的稳定性；信号的采集及通讯采用了不同的隔离措施，提高了系统的抗干扰能力。

优选地，保护系统还包括故障记录单元；该故障记录单元至少包括两台记录仪，一台记录仪用于接收并记录信号调理单元输出的标准有源信号及数字量信号，另一台用于接收并记录通过逻辑控制单元表决后输出至AO板卡或DO板卡的信号。通过故障记录单元实现了无纸化记录，节省了劳动力，提高了系统的工作效率。

优选地，信号调理单元包括调理隔离板卡和三个继电器，DI板卡数量为三个；如图3所示，调理隔离板卡包括信号采集器，用于采集模拟量信号、RTD信号及数字量干接点信号；仪表放大器，用于增强系统的共模抑制能力；隔离变压器用于信号的保护及滤波；校准器用于将4～20mA模拟量信号和RTD信号校准为标准的4～20mA有源信号；压流转化器用于将调理板卡内部输出电压转换为直流电流。

通过专用调理隔离板卡或调理模块，用于将4～20mA模拟量信号和RTD信号调理分配为2路相互隔离的4～20mA有源信号，再分别送往信号采集系统和故障记录系统。每列核级冷水机组接收一路由核电厂主DCS发送的控制指令信号，例如机组远程启/停命令及机组保护关命令，为了防止此类信号失效影响整个系统可用性，控制系统在设计时，如图4所示，采用三个继电器并联形式用于将数字量信号分为3路相同的数字量信号，并送至不同的DI板卡。

通过设置信号调理单元，当机组本体任一传感器故障时，其故障隐患不会蔓延到控制柜内部，进而对整台机组的保护功能产生影响，提高了系统的运行能力。

优选地，该系统包括主控制器、IO通信板卡和环网通讯板卡；主控制器，用于标准有源信号与数字量信号进行逻辑运算、对多路远程启/停信号进行表决；逻辑运算包括阈值比较、与/非运算中的至少一种。当标准有源信号或数字量信号不满足阈值比较条件或与/非运算结果不满足要求时，输出动作保护信号，对输出所述不满足条件信号的相应组件，进行动作；当多路远程启/停信号中的至少一路有效时，输出相应的启/停控制指令，控制所述冷水机组的启/停。具体地，如图5所示，三取一逻辑表决包括三路远程启/停信号中任一路信号为1则有效的判断。IO通信板卡，用于实现逻辑控制单元和信号采集单元之间的数据通讯；环网通讯板卡，用于实现主控制器与安全显示单元的实时通讯。

需要说明的是，由于冷水机组输出的信号多样，包括风机、接触器及各种阀门开度等数据，不同的信号数据的控制或正常与否的判断均不相同，因此需选择相应的逻辑运算进行控制或判断，如软件滤波、阈值比较、时序运算、PID运算、与或非运算等；根据采集的信号进行相应的选择，同时根据相应的结果对冷水机组各组件进行相应的动作，这可以由本领域技术人员根据实际需要来完成，此处不一一展开描述。

具体地，逻辑控制单元对信号采集单元采集的标准有源信号、数字量干接点信号和远程机组启/停信号进行软件滤波、阈值比较、逻辑表决、时序运算、PID运算、与或非运算，逻辑运算结果通过数据采集单元的AO/DO板卡转换为4～20mA有源信号和数字量干接点信号，然后通过硬接线输出到核级冷水机组的能动设备，能动设备包括风机、接触器、加热器、泵、电子膨胀阀、冷水水阀等，最终实现核级冷水机组的启动控制、上下载控制、磨损平衡控制、加卸载控制、温度控制、手动控制、机组保护控制、整机停机控制以及制冷量控制等功能。

同时，逻辑控制单元采用主备冗余配置，其中控制器、IO通讯板卡与环网通讯板卡均采用冗余配置，当单个模块发生故障时控制单元可实现无忧切换，不会出现对现场设备失去控制的情况。

具体地，每台冷水机组控制柜控制3个独立的冷水机组模块，为了防止单个部件的故障导致整台机组失效，同时弱化不同机组模块间故障传导间的影响，系统在IO分配中充分考虑了功能分散原则，具体有：机组启动信号经过调理分配后，送到3块不同的采集板卡，当单个板卡损坏后，不影响机组启动；机组综合控制信号与单个模块的控制信号分配到不同的板卡,防止单个模块故障影响整台机组执行安全功能；单个模块的输入/输出信号与其它两个模块的输入/输出信号均分配到不同板卡，防止模块间相互间故障传导。通过功能分散原则，有效提高了核级冷水机组控制系统的可靠性，进而提升了电厂整体的安全。

优选地，如图6所示，主控制器实现了控制系统的自诊断和自监视功能，具体实现了对RAM、程序存储、处理器、数据总线、通信、信号采集和冗余控制状态的自诊断和电源状态、机柜温度、风扇状态和机柜柜门的自监视。故障诊断可定位到模块级，系统可通过板卡点阵、安全显示单元以及机柜门灯等多种方式对故障进行报警显示，同时便于运维人员进行故障定位及处理。当系统发生异常时，控制系统可根据设备安全需求，将系统输出置于安全状态或已证实的可接受状态。通过自诊断和自监视模块，在控制单元故障状态下，使机组安全性、可用性和设备/人员的保护达到的最优化的状态。

优选地，该保护系统还包括报警显示单元，报警显示单元包括安全显示单元、环网通讯模块和光旁通模块；安全显示单元，用于实现机组状态监视及报警显示等功能，同时也可以实现对核级冷水机组设备的手动调节及开关操作，安全显示单元属于安全级设备，通讯介质为光纤，通讯架构为冗余双环网，当环网上任一节点故障时，不会影响控制系统操作及显示等功能。环网通讯模块，用于实现主控制器与安全显示单元的实时通讯；光旁通模块，用于实现主控制器与安全显示单元的实时通讯。

通过报警显示单元，实现了参数显示、报警显示、故障显示和手动控制，提高了系统的整体运行能力。

优选地，逻辑控制单元与报警显示单元之间数据通信采用多节点网络。多节点通信隔离措施包括：采用独立于主处理器的通信处理器来完成，通信处理器与主处理器之间的数据传输使用定制的双口RAM，从而保证CPU的运行不会受到通信板卡故障的影响；通信具有确定性，预定义的数据长度和数据结构保证通信顺利进行；通过对控制站配置文件的下装，可以使通信处理器不接收内存映射区中的任何数据，同时CPU也不会从通信处理器的主写交换区读取任何数据。通过采用多节点网络实现通讯的方法，保证了系统的正常运行。

优选地，如图7所示，为了防止机柜内部供电部件失效进而影响控制柜可靠性，同时保证系统具备在线维修功能，控制柜内部供电设备采用冗余配置，放置在机柜中的交直流配电设备模块，同时交直流配电设备模块设置有滤波和浪涌装置。电厂交流供电线路进入机柜后被分为A、B两路，再分别供给两套100％冗余的交直流转换设备。交直流转换设备输出的直流电采用耦合形式为机柜提供直流电源，这样即使单个电源或开关设备损坏不影响整台控制柜的供电，进而提高控制系统的可靠性。

优选地，如图8所示，机柜由上而下依次设置有风扇单元、交直流配电设备、电源分配盘、报警显示单元、故障记录单元、逻辑处理单元、信号调理单元、信号采集单元和电源分配盘；其中，在电源分配盘与报警显示单元之间、故障记录单元与逻辑处理单元之间、信号调理单元与信号采集单元之间均设置有盖板；在邻近逻辑处理单元下方设置风扇和盖板，盖板放置在风扇和信号调理单元之间；同时，在机柜两侧还设置有5V电源板卡为主控制器供电。配电盘用于交流、直流设备控制；风扇单元用于强制机柜内空气流动，保证机柜内外温差在标准范围内。

通过科学布置、合理利用机柜内部空间，在一台机柜上实现了系统配电、信号调理隔离、数据采集、逻辑处理、显示操作以及故障记录等功能，使得整个系统的可靠性指标高，单台控制柜的可靠性指标达到10^-6，相比现有控制系统有了大幅度提高。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种核级冷水机组数字化控制保护系统，其特征在于，包括信号调理单元、信号采集单元、逻辑控制单元；

所述逻辑控制单元，用于对标准有源信号与数字量信号进行逻辑运算、对多路远程启/停信号进行表决，将逻辑运算结果和表决结果由AO/DO板卡输出至核级冷水机组进行相应的设备控制和启/停控制。

2.根据权利要求1所述的核级冷水机组数字化控制保护系统，其特征在于，所述保护系统还包括故障记录单元；

所述故障记录单元用于接收并记录信号调理单元输出的标准有源信号及数字量信号；同时接收并记录通过逻辑控制单元表决后输出至AO板卡或DO板卡的信号。

3.根据权利要求1所述的核级冷水机组数字化控制保护系统，其特征在于，所述信号调理单元包括调理板卡和至少三个继电器；所述DI板卡数量至少为三个；

4.根据权利要求1所述的核级冷水机组数字化控制保护系统，其特征在于，所述逻辑控制单元包括主控制器、IO通信板卡和环网通讯板卡；

当标准有源信号或数字量信号不满足阈值比较条件或与、或、非及计时运算结果不满足要求时，输出动作保护信号，对输出所述不满足条件信号的相应组件，进行动作；

5.根据权利要求4所述的核级冷水机组数字化控制保护系统，其特征在于，所述主控制器实现对RAM、程序存储、处理器、数据总线、通信、信号采集和冗余控制状态的自诊断和电源状态、机柜温度、风扇状态和机柜柜门的自监视。

6.根据权利要求4所述的核级冷水机组数字化控制保护系统，其特征在于，还包括报警显示单元；所述报警显示单元包括安全显示单元、环网通讯模块和光旁通模块；

所述安全显示单元，用于接收主控制器输出的逻辑处理结果，实现报警显示，同时安全显示单元能够发送手动控制指令给主控制器，用于实现核级冷水机组的手动控制；

7.根据权利要求6所述的核级冷水机组数字化控制保护系统，其特征在于，所述逻辑控制单元与报警显示单元之间数据通信采用多节点网络。

8.根据权利要求2所述的核级冷水机组数字化控制保护系统，其特征在于，所述故障记录单元至少包括两台记录仪，两台记录仪实现至少24路信号的故障采集及记录。

9.根据权利要求1所述的核级冷水机组数字化控制保护系统，其特征在于，还包括采用冗余配置的供配电单元，放置在机柜中的交直流配电设备模块，所述交直流供配电设备输出24VDC向机柜提供直流电源；同时供配电单元设置有滤波和浪涌装置。

10.根据权利要求9所述的核级冷水机组数字化控制保护系统，其特征在于，还包括机柜；所述机柜由上而下依次设置有风扇单元、交直流配电设备、电源分配盘、报警显示单元、故障记录单元、逻辑处理单元、信号调理单元、信号采集单元和电源分配盘；其中，在所述电源分配盘与报警显示单元之间、故障记录单元与逻辑处理单元之间、信号调理单元与信号采集单元之间设置之间均设置有盖板；在邻近逻辑处理单元下方设置风扇和盖板，盖板放置在风扇和信号调理单元之间；同时，在机柜两侧还设置有5V电源板卡为主控制器供电。