摘要：本文提出了大亞灣核電站核島試驗(yàn)儀表系統(tǒng)的各項(xiàng)功能及其設(shè)計(jì)要求；介紹了Hollysys HS2000CAS系統(tǒng)在新核島試驗(yàn)儀表系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件系統(tǒng)及功能設(shè)計(jì)。

    關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；熱平衡；設(shè)計(jì)

    1 引言

    在核電站的整個(gè)運(yùn)行期間，為獲取重要設(shè)備性能的信息和某些特定參數(shù)的偏離狀況，大亞灣核電站專門設(shè)計(jì)了一套核島試驗(yàn)儀表系統(tǒng)——KME系統(tǒng)，用于核島重要系統(tǒng)和設(shè)備的自動(dòng)及定期試驗(yàn)。

    KME系統(tǒng)的主要功能是執(zhí)行兩個(gè)重要的性能試驗(yàn)：⑴用于計(jì)算反應(yīng)堆熱功率的熱平衡試驗(yàn)；⑵為判斷RRI/SEC（設(shè)備冷卻水系統(tǒng)/核島重要生水系統(tǒng)）熱交換器換熱能力而進(jìn)行的RRI/SEC熱交換器性能試驗(yàn)。兩個(gè)試驗(yàn)均需要在數(shù)據(jù)處理端實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的熱工水力計(jì)算，相關(guān)規(guī)范要求計(jì)算精度不低于1%，這就要求在信號(hào)端必須實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集。

    2 系統(tǒng)特點(diǎn)

    KME系統(tǒng)主要的功能特點(diǎn)包括有：信號(hào)隔離和高精度數(shù)據(jù)采集功能、試驗(yàn)控制功能、復(fù)雜熱工計(jì)算和文件管理功能。信號(hào)隔離和高精度數(shù)據(jù)采集功能。KME系統(tǒng)與上游信號(hào)源是電氣隔離的，數(shù)據(jù)采集精度高于0.01%。數(shù)據(jù)采集的周期最快可以設(shè)置為25ms，同時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集通道是路路隔離，電氣隔離電壓不低于1500VAC。

    試驗(yàn)控制功能。定義電信號(hào)與實(shí)際物理值之間的轉(zhuǎn)換方式計(jì)算公式，并完成對(duì)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行初始化和配置。在試驗(yàn)期間，系統(tǒng)可以提供顯示、跟蹤監(jiān)視、打印全部或部分測(cè)量信號(hào)及其物理值等功能。

   復(fù)雜熱工計(jì)算。按照試驗(yàn)程序要求進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)和RRI/SEC熱交換器性能試驗(yàn)；為滿足計(jì)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(jì)算各種偏差產(chǎn)生的誤差傳遞函數(shù)以精確的驗(yàn)證計(jì)算精度。

    文件管理功能。系統(tǒng)提供操縱員管理試驗(yàn)文件和歷史數(shù)據(jù)的平臺(tái)。

    3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

    在充分分析需求和系統(tǒng)采購(gòu)技術(shù)規(guī)范后，北京和利時(shí)系統(tǒng)工程股份有限公司為大亞灣核電站設(shè)計(jì)了全新的核島試驗(yàn)儀表系統(tǒng)。

    核島試驗(yàn)儀表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由接線端子柜、采集隔離模塊、采集PC計(jì)算機(jī)、處理PC機(jī)及數(shù)據(jù)輸入和顯示設(shè)備組成。所有設(shè)備均位于電氣廠房。

    KME接線端子柜9KME001CQ集中了所有來(lái)自1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組的信號(hào)，信號(hào)經(jīng)端子柜送到采集處理柜進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。隔離采集機(jī)籠支持96路直流電壓/電流輸入。信號(hào)經(jīng)隔離后通過(guò)CAN總線將信號(hào)發(fā)送到采集計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)對(duì)隔離采集模塊數(shù)字化處理后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度采集，并執(zhí)行工程量變換及數(shù)據(jù)合法性檢查，在數(shù)據(jù)上附加有數(shù)據(jù)特性和數(shù)據(jù)質(zhì)量的信息，然后將其集中并通過(guò)以太網(wǎng)傳送到數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)上。數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與位于數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)柜內(nèi)的數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)相連，主要功能是對(duì)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯和記錄，并可通過(guò)顯示器和鼠標(biāo)、鍵盤進(jìn)行顯示和操作。數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)執(zhí)行熱平衡試驗(yàn)和RRI/SEC試驗(yàn)的熱工計(jì)算和數(shù)據(jù)處理。
 
                         
            
                                       圖1  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖  

    4 軟件系統(tǒng)

   軟件系統(tǒng)包含系統(tǒng)平臺(tái)軟件和系統(tǒng)應(yīng)用軟件兩個(gè)部分。系統(tǒng)平臺(tái)軟件包括數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)中安裝了QNX 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。QNX 是一種基于UNIX的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有良好的多任務(wù)協(xié)同性和足夠的系統(tǒng)魯棒性，適于不存在人機(jī)交互的嵌入式應(yīng)用；在數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)上采用WINDOWS 2000 Server操作系統(tǒng)，其人機(jī)交互功能良好，適于開發(fā)復(fù)雜的數(shù)據(jù)操作程序。HHHH系統(tǒng)應(yīng)用軟件包括采集計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件和網(wǎng)關(guān)軟件；其中，數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用軟件是專門面向KME執(zhí)行的兩個(gè)重要的熱工性能試驗(yàn)開發(fā)的。

    5 系統(tǒng)主要功能簡(jiǎn)述

   5.1 系統(tǒng)管理

    系統(tǒng)管理功能包括安全性管理、操作系統(tǒng)訪問(wèn)管理、系統(tǒng)配置和設(shè)備管理功能。

    安全性管理是針對(duì)用戶權(quán)限和口令設(shè)置，有6種操作級(jí)別，每一級(jí)別定義不同的操作范圍。可分別對(duì)測(cè)量點(diǎn)組態(tài)、試驗(yàn)方案設(shè)置和操作系統(tǒng)訪問(wèn)等內(nèi)容進(jìn)行權(quán)限設(shè)置。操作系統(tǒng)訪問(wèn)管理給用戶提供操作系統(tǒng)的訪問(wèn)接口并進(jìn)行安全權(quán)限檢查，以確保系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)配置是對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件模塊運(yùn)行參數(shù)和系統(tǒng)硬件進(jìn)行配置。設(shè)備管理功能實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并提供設(shè)備安裝和維護(hù)的接口。

    系統(tǒng)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(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的時(shí)鐘同步。系統(tǒng)可以通過(guò)一臺(tái)校時(shí)終端接收電廠母鐘發(fā)來(lái)的對(duì)時(shí)消息，廣播到KME系統(tǒng)的系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)上，使在該網(wǎng)絡(luò)上掛接的所有設(shè)備都得到對(duì)時(shí)。

    數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的核心也是KME系統(tǒng)管理的主要工具，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的集中處理、計(jì)算和系統(tǒng)的運(yùn)行管理，其軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
     
                                
                                  圖2  數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖  

    5.2 信號(hào)隔離

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


    將A/D轉(zhuǎn)換安放在隔離放大器模塊中，對(duì)系統(tǒng)有極大的好處。在以往的系統(tǒng)中，只有一個(gè)A/D模塊負(fù)責(zé)所有的信號(hào)轉(zhuǎn)換，一旦這個(gè)模塊出現(xiàn)問(wèn)題，所有的通道均不能工作；同時(shí)當(dāng)增加信號(hào)時(shí)，每一路信號(hào)均要消耗一次A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間，是串行處理，所以路數(shù)越多，總的采集周期越長(zhǎng)，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度特性變壞且不可預(yù)測(cè)，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(tǒng)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(shù)字信號(hào)的傳輸加有CRC等嚴(yán)格的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)措施，其抗干擾能力遠(yuǎn)大于模擬信號(hào)的傳輸，所以采用轉(zhuǎn)換器，所有通道同時(shí)轉(zhuǎn)換，是并行處理，每一個(gè)模塊已經(jīng)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)向數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)傳數(shù)字信號(hào)可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)由于A/D轉(zhuǎn)換是同步進(jìn)行的，增加信號(hào)不影響系統(tǒng)總的采集周期，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
     
                           
                                      圖3  信號(hào)隔離功能原理圖

    5.3 高精度數(shù)據(jù)采集

    在KME 系統(tǒng)中， 直流輸入信號(hào)的種類有： 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(jí)放大倍數(shù)分別是：1、2、4、8。在0 V～5V的A/D量程，可以輸入的信號(hào)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(hào)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(shù)，利用了80%的量程。16位A/D的分辨率為1/65535，即使漂移達(dá)6個(gè)LSB，依舊可以達(dá)到0.01%的精度，輸入0.2～1V時(shí)，選擇4倍放大倍數(shù)，利用了64%的量程，只損失了1位的精度，可以達(dá)到1/32768的分辨率。輸入0.1～0.5V的信號(hào)時(shí)，選擇8倍的放大倍數(shù)，利用了64%的量程，只損失了1位的精度，可以達(dá)到1/32768的分辨率。在0V～10V輸入信號(hào)時(shí)，儀表放大器為1倍增益，A/D前的運(yùn)算放大器做1/2衰減，達(dá)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(zhuǎn)換過(guò)程（包括隔離放大器和程控儀表放大器）至少達(dá)到0.02%的精度。

    5.4 數(shù)據(jù)庫(kù)管理

    實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)采用和利時(shí)開發(fā)的分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。HMI和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)縫結(jié)合，共享數(shù)據(jù)。可采用OLE，OPC，ODBC，SQL等開放的協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)與通用的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)（SQLServer，ORACLE，SYBASE等）交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總?cè)萘看螅摂M中間點(diǎn)無(wú)限制。測(cè)量點(diǎn)組態(tài)和報(bào)警定義基于友好的圖形化界面和方便的人機(jī)會(huì)話方式，支持組態(tài)定義文件的導(dǎo)入和導(dǎo)出，可根據(jù)常用的試驗(yàn)方案在系統(tǒng)中保存多個(gè)測(cè)量點(diǎn)組態(tài)方案，滿足靈活的試驗(yàn)要求。能夠在試驗(yàn)過(guò)程中修改數(shù)據(jù)庫(kù)（如修改點(diǎn)的物理量程、物理通道號(hào)、換算公式等）而不需要中斷系統(tǒng)操作，可大大地減少試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間。

     5.5 試驗(yàn)控制功能

    試驗(yàn)方案組態(tài)管理是對(duì)試驗(yàn)配置參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，系統(tǒng)設(shè)計(jì)支持每個(gè)試驗(yàn)獨(dú)立進(jìn)行或多個(gè)試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，每個(gè)試驗(yàn)配置都可保存為試驗(yàn)方案定義文件。試驗(yàn)啟停控制除可以控制試驗(yàn)的啟動(dòng)和停止外，還可以進(jìn)行單/多個(gè)試驗(yàn)管理和測(cè)量點(diǎn)通道測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)配置功能可進(jìn)行如下設(shè)定：

    試驗(yàn)描述：關(guān)于該試驗(yàn)的描述信息。

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

    采樣設(shè)置：采樣間隔(25ms的整數(shù)倍)、采樣方式（全采樣/選點(diǎn)采樣）。

    存儲(chǔ)設(shè)置：存儲(chǔ)間隔、存儲(chǔ)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)類型（物理值/電氣值）和記錄類型（瞬時(shí)值/最大值/最小值/平均值）。

    在線參數(shù)修改：可以修改采樣間隔和存儲(chǔ)間隔，還可以進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)采樣抑制/允許操作。

    5.6 復(fù)雜熱工計(jì)算（以熱平衡計(jì)算為例）

    核電站運(yùn)行期間，反應(yīng)堆堆芯熱功率是十分重要的一個(gè)參數(shù)。只有對(duì)堆芯熱功率進(jìn)行準(zhǔn)確、快速的測(cè)量，才能保證反應(yīng)堆安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。如果堆芯熱功率測(cè)量值低于實(shí)際值，反應(yīng)堆將在超過(guò)其運(yùn)行參數(shù)的條件下運(yùn)行，反應(yīng)堆容易燒壞，從而引發(fā)事故，危及設(shè)備及人身安全。相反，如果堆芯熱功率測(cè)量值高于實(shí)際值，反應(yīng)堆沒(méi)有達(dá)到其額定運(yùn)行條件，反應(yīng)堆向外放出的熱量及由此導(dǎo)致的發(fā)電量均低于設(shè)計(jì)值，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性將受到影響。

    KME系統(tǒng)采用熱平衡試驗(yàn)進(jìn)行反應(yīng)堆堆芯熱功率的測(cè)量。

    熱平衡試驗(yàn)是在測(cè)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(shù)的基礎(chǔ)上，計(jì)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(yīng)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(shè)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(yīng)堆堆芯熱功率。

    在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式下，可得到如下能量平衡方程：

                   （1） 

    其中：

    WR為反應(yīng)堆堆芯熱功率(MW)

    WSGi為第i個(gè)蒸汽發(fā)生器內(nèi)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(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的熱功率(MW)

    對(duì)于每一個(gè)回路，根據(jù)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(jì)算過(guò)程中，為滿足計(jì)算精度要求，需要考慮摩阻系數(shù)、雷諾數(shù)、管道相對(duì)粗糙度以及管道和孔板溫度膨脹系數(shù)的影響，此外還要考慮主泵帶入的熱量、補(bǔ)給泵帶入的熱量和穩(wěn)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(yīng)堆冷卻系統(tǒng)帶走的熱量和系統(tǒng)熱損失。在計(jì)算誤差傳遞函數(shù)時(shí)，需要同時(shí)考慮隨機(jī)誤差和系統(tǒng)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(shù)據(jù)點(diǎn)、棒圖、開關(guān)變圖、狀態(tài)趨勢(shì)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(dá)512個(gè)，每幅圖的大小不小于1024×768，支持彈出式對(duì)話框，當(dāng)畫面大于屏幕范圍時(shí)，支持圖形縮放功能，用戶可增加靜態(tài)圖片庫(kù)。每一屏幕最大可以同時(shí)顯示4組曲線，每組曲線可以最多5條曲線，每條曲線對(duì)應(yīng)的物理通道可以在試驗(yàn)過(guò)程中任意修改。

    5.8 報(bào)警功能

    支持多種級(jí)別的分類報(bào)警，包括各種報(bào)警列表和彈出式報(bào)警窗口。在報(bào)警時(shí)，對(duì)指定的對(duì)象作相應(yīng)處理（如圖形變色，閃爍等）。對(duì)發(fā)生的報(bào)警做記錄，記錄深度大于5000條，在超出時(shí)，保留最新的報(bào)警。可對(duì)報(bào)警做確認(rèn)、刪除、存盤和打印等后續(xù)處理。

    5.9 歷史記錄功能

    系統(tǒng)對(duì)各種數(shù)據(jù)設(shè)定記錄間隔（最小為1個(gè)采樣周期25mS，最長(zhǎng)為4000秒）。記錄的長(zhǎng)度可自由設(shè)定，可隨時(shí)調(diào)用歷史文件顯示趨勢(shì)或打印。最大數(shù)量與點(diǎn)數(shù)（物理和虛擬點(diǎn)）相同。各種趨勢(shì)圖可自由設(shè)定時(shí)間間隔，有放大縮小和游標(biāo)測(cè)量等功能，并能隨時(shí)打印。系統(tǒng)還可記錄所有發(fā)生的操作。

    6 結(jié)語(yǔ)

    大亞灣核電站試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)滿足電站試驗(yàn)的要求；經(jīng)過(guò)EDF同類設(shè)備的校驗(yàn)和比對(duì)，KME系統(tǒng)的總體精度滿足規(guī)范要求，并且略高于原系統(tǒng)，為保證反應(yīng)堆安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行發(fā)揮了積極作用。

    熊國(guó)華（1975-）

    男，工程師，1998年畢業(yè)于武漢水利電力大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事核電廠儀控技術(shù)改造工作。

    董超群（1974-）

    男，高級(jí)工程師，1995年畢業(yè)于西安交通大學(xué)自動(dòng)控制專業(yè)，現(xiàn)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