摘要：本文提出了大亞灣核電站核島試驗儀表系統的各項功能及其設計要求；介紹了Hollysys HS2000CAS系統在新核島試驗儀表系統的系統結構、軟件系統及功能設計。

    關(guān)鍵詞：數據采集；熱平衡；設計

    1 引言

    在核電站的整個(gè)運行期間，為獲取重要設備性能的信息和某些特定參數的偏離狀況，大亞灣核電站專(zhuān)門(mén)設計了一套核島試驗儀表系統——KME系統，用于核島重要系統和設備的自動(dòng)及定期試驗。

    KME系統的主要功能是執行兩個(gè)重要的性能試驗：⑴用于計算反應堆熱功率的熱平衡試驗；⑵為判斷RRI/SEC（設備冷卻水系統/核島重要生水系統）熱交換器換熱能力而進(jìn)行的RRI/SEC熱交換器性能試驗。兩個(gè)試驗均需要在數據處理端實(shí)現復雜的熱工水力計算，相關(guān)規范要求計算精度不低于1%，這就要求在信號端必須實(shí)現高精度的數據采集。

    2 系統特點(diǎn)

    KME系統主要的功能特點(diǎn)包括有：信號隔離和高精度數據采集功能、試驗控制功能、復雜熱工計算和文件管理功能。信號隔離和高精度數據采集功能。KME系統與上游信號源是電氣隔離的，數據采集精度高于0.01%。數據采集的周期最快可以設置為25ms，同時(shí)系統數據采集通道是路路隔離，電氣隔離電壓不低于1500VAC。

    試驗控制功能。定義電信號與實(shí)際物理值之間的轉換方式計算公式，并完成對系統中數據采集設備進(jìn)行初始化和配置。在試驗期間，系統可以提供顯示、跟蹤監視、打印全部或部分測量信號及其物理值等功能。

   復雜熱工計算。按照試驗程序要求進(jìn)行熱平衡試驗和RRI/SEC熱交換器性能試驗；為滿(mǎn)足計算精度要求，需要考慮各種因素可能造成的影響，同時(shí)還要計算各種偏差產(chǎn)生的誤差傳遞函數以精確的驗證計算精度。

    文件管理功能。系統提供操縱員管理試驗文件和歷史數據的平臺。

    3 系統硬件結構

    在充分分析需求和系統采購技術(shù)規范后，北京和利時(shí)系統工程股份有限公司為大亞灣核電站設計了全新的核島試驗儀表系統。

    核島試驗儀表系統總體結構如圖1所示。系統由接線(xiàn)端子柜、采集隔離模塊、采集PC計算機、處理PC機及數據輸入和顯示設備組成。所有設備均位于電氣廠(chǎng)房。

    KME接線(xiàn)端子柜9KME001CQ集中了所有來(lái)自1號機組和2號機組的信號，信號經(jīng)端子柜送到采集處理柜進(jìn)行數據處理。隔離采集機籠支持96路直流電壓/電流輸入。信號經(jīng)隔離后通過(guò)CAN總線(xiàn)將信號發(fā)送到采集計算機。數據采集計算機對隔離采集模塊數字化處理后的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行高精度采集，并執行工程量變換及數據合法性檢查，在數據上附加有數據特性和數據質(zhì)量的信息，然后將其集中并通過(guò)以太網(wǎng)傳送到數據處理計算機上。數據處理計算機通過(guò)以太網(wǎng)與位于數據采集計算機柜內的數據采集計算機相連，主要功能是對發(fā)送過(guò)來(lái)的數據進(jìn)行存貯和記錄，并可通過(guò)顯示器和鼠標、鍵盤(pán)進(jìn)行顯示和操作。數據處理計算機執行熱平衡試驗和RRI/SEC試驗的熱工計算和數據處理。
 
                         
            
                                       圖1  系統硬件結構圖  

    4 軟件系統

   軟件系統包含系統平臺軟件和系統應用軟件兩個(gè)部分。系統平臺軟件包括數據采集計算機上運行的操作系統。數據采集計算機中安裝了QNX 實(shí)時(shí)操作系統。QNX 是一種基于UNIX的實(shí)時(shí)操作系統，具有良好的多任務(wù)協(xié)同性和足夠的系統魯棒性，適于不存在人機交互的嵌入式應用；在數據處理計算機上采用WINDOWS 2000 Server操作系統，其人機交互功能良好，適于開(kāi)發(fā)復雜的數據操作程序。HHHH系統應用軟件包括采集計算機應用軟件、數據處理計算機應用軟件和網(wǎng)關(guān)軟件；其中，數據處理計算機上的應用軟件是專(zhuān)門(mén)面向KME執行的兩個(gè)重要的熱工性能試驗開(kāi)發(fā)的。

    5 系統主要功能簡(jiǎn)述

   5.1 系統管理

    系統管理功能包括安全性管理、操作系統訪(fǎng)問(wèn)管理、系統配置和設備管理功能。

    安全性管理是針對用戶(hù)權限和口令設置，有6種操作級別，每一級別定義不同的操作范圍?？煞謩e對測量點(diǎn)組態(tài)、試驗方案設置和操作系統訪(fǎng)問(wèn)等內容進(jìn)行權限設置。操作系統訪(fǎng)問(wèn)管理給用戶(hù)提供操作系統的訪(fǎng)問(wèn)接口并進(jìn)行安全權限檢查，以確保系統的安全性。系統配置是對系統的應用軟件模塊運行參數和系統硬件進(jìn)行配置。設備管理功能實(shí)時(shí)監視系統設備運行狀態(tài)并提供設備安裝和維護的接口。

    系統管理模塊同時(shí)支持自動(dòng)和手工校時(shí)服務(wù)，以實(shí)現全系統范圍內的時(shí)鐘同步。系統可以通過(guò)一臺校時(shí)終端接收電廠(chǎng)母鐘發(fā)來(lái)的對時(shí)消息，廣播到KME系統的系統通訊網(wǎng)絡(luò )上，使在該網(wǎng)絡(luò )上掛接的所有設備都得到對時(shí)。

    數據處理計算機是整個(gè)系統運行的核心也是KME系統管理的主要工具，負責數據的集中處理、計算和系統的運行管理，其軟件系統結構圖如圖2所示。
     
                                
                                  圖2  數據處理計算機軟件系統結構圖  

    5.2 信號隔離

    單路直流信號輸入模塊在KME系統中用于采集直流輸入信號，可以通過(guò)手持編程器或采集計算機進(jìn)行校正和編程修改輸入信號的范圍和屬性(電流或電壓)，其原理圖如圖3所示。


    將A/D轉換安放在隔離放大器模塊中，對系統有極大的好處。在以往的系統中，只有一個(gè)A/D模塊負責所有的信號轉換，一旦這個(gè)模塊出現問(wèn)題，所有的通道均不能工作；同時(shí)當增加信號時(shí)，每一路信號均要消耗一次A/D轉換時(shí)間，是串行處理，所以路數越多，總的采集周期越長(cháng)，使系統的動(dòng)態(tài)精度特性變壞且不可預測，A/D模塊是一個(gè)瓶頸。由于技術(shù)的發(fā)展，在我們的系統中，采用了新的工藝和技術(shù)，每一個(gè)通道均有一個(gè)A/D送。由于數字信號的傳輸加有CRC等嚴格的檢錯和糾錯措施，其抗干擾能力遠大于模擬信號的傳輸，所以采用轉換器，所有通道同時(shí)轉換，是并行處理，每一個(gè)模塊已經(jīng)將模擬信號轉換成數字信號向數據采集計算機傳數字信號可以大大提高系統的可靠性。同時(shí)由于A(yíng)/D轉換是同步進(jìn)行的，增加信號不影響系統總的采集周期，提高了系統的實(shí)時(shí)性。
     
                           
                                      圖3  信號隔離功能原理圖

    5.3 高精度數據采集

    在KME 系統中， 直流輸入信號的種類(lèi)有： 1 ～ 5 V 、0.2～1V、100mV～500mV、4～20mA、0 V～10V。A/D部分的量程有2種，0 V～+5V和-5V～+5V。在儀表放大器部分有4級放大倍數分別是：1、2、4、8。在0 V～5V的A/D量程，可以輸入的信號范圍有：0 V～5V、0 V～2.5V、0 V～1.25V、0 V～0.625V。在-5V～+5V的A/D量程中，可以輸入的信號范圍有：-5～+5V、-2.5～+2.5V、-1.25V～+1.25V、-0.625V～+0.625V。所以直流輸入為1～5V時(shí)，可以選擇1倍放大倍數，利用了80%的量程。16位A/D的分辨率為1/65535，即使漂移達6個(gè)LSB，依舊可以達到0.01%的精度，輸入0.2～1V時(shí)，選擇4倍放大倍數，利用了64%的量程，只損失了1位的精度，可以達到1/32768的分辨率。輸入0.1～0.5V的信號時(shí)，選擇8倍的放大倍數，利用了64%的量程，只損失了1位的精度，可以達到1/32768的分辨率。在0V～10V輸入信號時(shí)，儀表放大器為1倍增益，A/D前的運算放大器做1/2衰減，達到0V～5V的100%量程。以上的說(shuō)明可以證明在這4種的程控增益下，A/D轉換過(guò)程（包括隔離放大器和程控儀表放大器）至少達到0.02%的精度。

    5.4 數據庫管理

    實(shí)時(shí)數據庫采用和利時(shí)開(kāi)發(fā)的分布式實(shí)時(shí)數據庫結構。HMI和實(shí)時(shí)數據庫無(wú)縫結合，共享數據?？刹捎肙LE，OPC，ODBC，SQL等開(kāi)放的協(xié)議或標準與通用的數據庫平臺（SQLServer，ORACLE，SYBASE等）交換數據。系統總容量大，虛擬中間點(diǎn)無(wú)限制。測量點(diǎn)組態(tài)和報警定義基于友好的圖形化界面和方便的人機會(huì )話(huà)方式，支持組態(tài)定義文件的導入和導出，可根據常用的試驗方案在系統中保存多個(gè)測量點(diǎn)組態(tài)方案，滿(mǎn)足靈活的試驗要求。能夠在試驗過(guò)程中修改數據庫（如修改點(diǎn)的物理量程、物理通道號、換算公式等）而不需要中斷系統操作，可大大地減少試驗準備時(shí)間。

     5.5 試驗控制功能

    試驗方案組態(tài)管理是對試驗配置參數并進(jìn)行數據組織，系統設計支持每個(gè)試驗獨立進(jìn)行或多個(gè)試驗同時(shí)進(jìn)行，每個(gè)試驗配置都可保存為試驗方案定義文件。試驗啟?？刂瞥梢钥刂圃囼灥膯?dòng)和停止外，還可以進(jìn)行單/多個(gè)試驗管理和測量點(diǎn)通道測試試驗。試驗參數配置功能可進(jìn)行如下設定：

    試驗描述：關(guān)于該試驗的描述信息。

    試驗方式：連續采樣試驗/事故觸發(fā)試驗，事故觸發(fā)試驗方式下定義觸發(fā)條件。

    采樣設置：采樣間隔(25ms的整數倍)、采樣方式（全采樣/選點(diǎn)采樣）。

    存儲設置：存儲間隔、存儲長(cháng)度、數據類(lèi)型（物理值/電氣值）和記錄類(lèi)型（瞬時(shí)值/最大值/最小值/平均值）。

    在線(xiàn)參數修改：可以修改采樣間隔和存儲間隔，還可以進(jìn)行測量點(diǎn)采樣抑制/允許操作。

    5.6 復雜熱工計算（以熱平衡計算為例）

    核電站運行期間，反應堆堆芯熱功率是十分重要的一個(gè)參數。只有對堆芯熱功率進(jìn)行準確、快速的測量，才能保證反應堆安全、經(jīng)濟運行。如果堆芯熱功率測量值低于實(shí)際值，反應堆將在超過(guò)其運行參數的條件下運行，反應堆容易燒壞，從而引發(fā)事故，危及設備及人身安全。相反，如果堆芯熱功率測量值高于實(shí)際值，反應堆沒(méi)有達到其額定運行條件，反應堆向外放出的熱量及由此導致的發(fā)電量均低于設計值，機組的經(jīng)濟性將受到影響。

    KME系統采用熱平衡試驗進(jìn)行反應堆堆芯熱功率的測量。

    熱平衡試驗是在測量蒸汽發(fā)生器中二回路工作介質(zhì)溫度、壓力、流量等物理參數的基礎上，計算出二回路工作介質(zhì)通過(guò)蒸汽發(fā)生器時(shí)產(chǎn)生的焓升，從而得到反應堆一回路傳給二回路的能量，然后再把一回路通過(guò)其它設備得到的能量和失去的能量考慮進(jìn)去，由能量平衡原理求出反應堆堆芯熱功率。

    在穩態(tài)運行模式下，可得到如下能量平衡方程：

                   （1） 

    其中：

    WR為反應堆堆芯熱功率(MW)

    WSGi為第i個(gè)蒸汽發(fā)生器內二回路工作介質(zhì)獲得的熱功率(MW)W

    ΔPr為其它熱源傳給反應堆冷卻系統的熱功率(MW)

    對于每一個(gè)回路，根據熱平衡，工質(zhì)所獲得的熱功率為：

              WSGi = Qv Hv + QpHp— QeHe (MW) （2）

    式（2）中，Qv：蒸汽發(fā)生器出口蒸汽流量( kg / s )；Hv：蒸汽發(fā)生器出口蒸汽焓值( kJ / kg )；Qp：蒸汽發(fā)生器排污流量( kg /s )；Hp：蒸汽發(fā)生器排污焓值( kJ / kg )； Qe：蒸汽發(fā)生器入口給水流量( kg / s )；He：蒸汽發(fā)生器入口給水焓值( kJ / kg )。

    計算過(guò)程中，為滿(mǎn)足計算精度要求，需要考慮摩阻系數、雷諾數、管道相對粗糙度以及管道和孔板溫度膨脹系數的影響，此外還要考慮主泵帶入的熱量、補給泵帶入的熱量和穩壓加熱器帶入的熱量，輸出熱量有非再生熱交換器帶走的熱量、密封水換熱器帶走的熱量、反應堆冷卻系統帶走的熱量和系統熱損失。在計算誤差傳遞函數時(shí)，需要同時(shí)考慮隨機誤差和系統誤差的影響。由公式（1）和可得到如下原理算式：
     
               

    5.7 圖形功能

    圖形功能支持動(dòng)態(tài)數據點(diǎn)、棒圖、開(kāi)關(guān)變圖、狀態(tài)趨勢顯示等，屏幕切換時(shí)間小于1秒，刷新周期小于0.5秒，每幅圖中動(dòng)態(tài)點(diǎn)（圖 ）可達512個(gè)，每幅圖的大小不小于1024×768，支持彈出式對話(huà)框，當畫(huà)面大于屏幕范圍時(shí)，支持圖形縮放功能，用戶(hù)可增加靜態(tài)圖片庫。每一屏幕最大可以同時(shí)顯示4組曲線(xiàn)，每組曲線(xiàn)可以最多5條曲線(xiàn)，每條曲線(xiàn)對應的物理通道可以在試驗過(guò)程中任意修改。

    5.8 報警功能

    支持多種級別的分類(lèi)報警，包括各種報警列表和彈出式報警窗口。在報警時(shí)，對指定的對象作相應處理（如圖形變色，閃爍等）。對發(fā)生的報警做記錄，記錄深度大于5000條，在超出時(shí)，保留最新的報警?？蓪缶龃_認、刪除、存盤(pán)和打印等后續處理。

    5.9 歷史記錄功能

    系統對各種數據設定記錄間隔（最小為1個(gè)采樣周期25mS，最長(cháng)為4000秒）。記錄的長(cháng)度可自由設定，可隨時(shí)調用歷史文件顯示趨勢或打印。最大數量與點(diǎn)數（物理和虛擬點(diǎn)）相同。各種趨勢圖可自由設定時(shí)間間隔，有放大縮小和游標測量等功能，并能隨時(shí)打印。系統還可記錄所有發(fā)生的操作。

    6 結語(yǔ)

    大亞灣核電站試驗數據采集系統滿(mǎn)足電站試驗的要求；經(jīng)過(guò)EDF同類(lèi)設備的校驗和比對，KME系統的總體精度滿(mǎn)足規范要求，并且略高于原系統，為保證反應堆安全、經(jīng)濟運行發(fā)揮了積極作用。

    熊?chē)A（1975-）

    男，工程師，1998年畢業(yè)于武漢水利電力大學(xué)電力系統及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現從事核電廠(chǎng)儀控技術(shù)改造工作。

    董超群（1974-）

    男，高級工程師，1995年畢業(yè)于西安交通大學(xué)自動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)，現從事核電站儀表控制方面的工程改造工作。  

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第十一期