? 基于PCS7的SBO后备柴油发电机控制系统设计

基于PCS7的SBO后备柴油发电机控制系统设计

2020-11-26

摘 要: 福岛核事故后,为确保核电厂的安全运行,每台新建核电机组需配置一台后备柴油发电机。以核电厂后备柴油发电机为被控对象,根据其工艺流程,设计了后备柴油发电机控制系统。该控制系统采用西门子PCS7和AS410-H实施控制方案,由PCS7提供的顺序功能图表实现柴油发电机的启动、停机、保护等逻辑功能。作为国内首台套后备柴油发电机控制系统,该控制系统经过了严格的抗震鉴定试验、工厂试验、现场运行试验。试验及运行结果表明,该后备柴油发电机控制系统关键性能指标,如抗震性能、事件顺序记录(SOE)功能、启动时间、启动成功率,均满足设计要求。该研究为核电厂应急柴油发电机控制系统的国产化及设计提供了技术参考。该设计创新地使用了事件顺序记录、模拟量数据高速归档等功能,在设备故障发生后,可通过这些数据对故障原因进行分析。

关键词: 柴油发电机; 控制系统; PCS7; 全厂失电; 抗震试验; 应急停机; 事件顺序记录

0 引言

福岛核事故后,核电厂在地震条件下的安全性引起了广泛的关注[1-2]。全厂失电(station black out,SBO)后备柴油发电机是福岛核电厂事故后,核电厂增设的一种后备供电设备[3],主要应用于核电厂发生失去主发电机和厂外电源事件时,向核电厂永久非安全有关负荷提供交流电源。SBO后备柴油发电机作为极端事故下核电厂安全停堆的最后一道屏障,其地位极其重要。

以某核电厂后备柴油发电机为控制对象,设计了以西门子S7-400H可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)为核心的中央处理器(central processing unit,CPU)硬件冗余控制系统。该系统具有编程方便、易于使用、维护和扩展方便等优点。在满足柴油发电机日常运行逻辑功能的前提下,该控制系统还具有如下特点:①抗震性能优,通过了RCC-E K3期规定的抗震鉴定试验,并在试验的前、中、后期均满足功能的完整性[4]; ②在不增加其他硬件设备的前提下,控制系统可实现事件顺序记录(sequence of event,SOE)功能1 ms的精度;③后备柴油发电机电压建立过程曲线和转速变化曲线,采样周期不大于50 ms;④应急停机有软件、硬件两种实现方式。

1 工艺流程及概述

后备柴油发电机主要包括润滑油系统、启动空气系统、燃油系统、高/低温水系统。

1.1 润滑油系统

备用状态时,润滑油预供泵取油底壳润滑油,送到润滑油热交换器加热,经止回阀进入主油路;然后,经温控阀送入柴油机进行润滑,使柴油机保持良好的备用状态,可以快速启动。运行时,当柴油机本体润滑油压力小于设定下限压力时,预供滑油泵自动启动;当压力继续下降到压力低低,满足3取2逻辑时,禁止柴油机启动。

1.2 启动空气系统

启动空气系统提供柴油机启动系统用气源。在启动工况下,用压缩空气冲转柴油机以及提供调速器控制用气,直至完成点火启动;在停机时,提供控制气源;在超速时,提供吹扫气源;在待机时,充注压缩空气主储气瓶,维持其备用时的正常压力。

1.3 燃油系统

燃油系统的作用是:①在柴油机运行时,为柴油机提供稳定可靠的燃油;②冷却回流燃油;③收集从柴油机泄漏出的柴油,进行再利用;④保持燃油的流动性和清洁度。

1.4 高/低温水系统

每台柴油机包括两个独立的封闭冷却水系统:一是缸套水冷却系统,即高温水系统;二是空冷器/润滑油及柴油回油冷却系统,即低温水系统。当柴油机处于运行状态时,系统的功能是带走柴油机、润滑油等的热量;当柴油机处于备用状态时,保证机组处于暖机状态,确保柴油机顺利启动。

2 后备柴油发电机组控制系统方案设计

后备柴油发电机组控制系统采用西门子PCS7 过程控制系统。西门子 PCS7过程控制系统是一种分布式控制系统,它采用了局域网技术、PLC和现场总线技术[5]。该控制系统在实现数字量输入信号采集的同时,能够实现SOE功能,从而大量减少系统的硬件配置。对于部分模拟量数据,其可实现数据的高速归档。

2.1 控制系统硬件设计

根据工艺要求,本系统采用西门子AS410-H 系列硬件冗余PLC作为主控制器。两台CPU之间采用冗余光纤进行数据的实时冗余传输。当某一台CPU出现问题时,系统将自动、无扰动地切换到另一台CPU,系统运行不受任何影响[6]。 经统计,系统中共有模拟量信号约55个,数字量输入信号约151个,数字量输出信号约72个。控制系统设计2台控制柜,分别命名为控制柜1和控制柜2。其中:硬件冗余CPU、工控机,显示器,交换机、电源模块、ET200M机架1、2、3安装在控制柜1中,ET200M机架4、5安装在控制柜2中。2台控制柜通过PROFIBUS-DP进行数据交换。其中:1号ET200M机架上全部排布数字量输入模块,需要SOE功能的信号全部设计在1号机架的模块上。控制系统PLC网络如图1所示。

图1 控制系统PLC网络示意图

Fig.1 Schematic diagram of PLC control system network

2.2 控制系统软件设计

在工厂单元发生故障的同时,监视站将收到大量消息,可在事后以毫秒级的时间单位追溯可能导致系统停机的原因。SOE功能通过功能块Pcs7DiIT与功能块EventTs配合实现。其中,功能块Pcs7DiIT中参数TimeStam需设置为1,表示时间戳来自机架。如果将功能块中参数TimeStam设置为0,则表示时间戳来自CPU,其时间精度将无法保证为1 ms。数字量输入信号连入功能块Pcs7DiIT的输入端PV_In,功能块Pcs7DiIT的输出端TS_Out连入功能块EventTs的InTS1端。每个EventTs功能块均可接入8个数字量输入模块。

控制系统采用RawData归档数据连接的方式,实现对S7-400 PLC 的高速数据采集。PLC将每个循环周期所采集的过程值(或PLC以其他方式得到的数据或数据包)以一定的顺序存放在具有一定格式的数据块(data block,DB)块中。当达到一定的数量后,PLC可以调用系统功能块SFB37,将这个DB块主动地发送给WinCC;然后,WinCC会在后台自动调用标准化的动态链接库来拆解数据,并将其按时间顺序保存在数据库中。在WinCC的过程画面中,可以使用在线趋势控件或在线表格控件来查看所采集的数据。

3 控制系统关键性能的实现

3.1 抗震功能

根据核电厂设计要求,控制系统需满足“1E级电气设备抗震鉴定试验技术条件”的规定。试验采用三轴时程试验,包含5次基准地震(operating-basis earthquake,OBE)试验和1次安全停堆地震(safety shutdown earthquake,SSE)试验[7]。对此,控制系统所有组成元器件均采用无风扇设计,降低故障率。控制系统柜体采用抗震设计,柜体框架通过采用辊扎成型的多重弯曲框架结构,使得框架质量轻、刚性强。为增强控制柜柜体整体的抗震性能,增设抗震底座及抗震套件,确保在发生强震时,柜体不会出现任何变形。

抗震鉴定试验结果如下。

①抗震鉴定试验前后,控制系统结构完整无裂痕,外观无损伤及形变,内部无元器件脱落。

②抗震鉴定试验前后测试结果表明,控制系统所有开关量通道正常,所有模拟量通道正常,系统内所有元器件工作正常。

③抗震鉴定试验模拟地震中,选取的开关量信号变化正常,选取的模拟量信号通道信号无断续,可编程逻辑控制器、工控机、显示器均工作正常。

3.2 事件顺序记录

事件顺序记录功能主要用于记录故障发生的时间和事件类型,其数据存储时间设置为6个月,时间分辨率为1 ms,可为系统的故障分析提供精确的顺序数据。人机界面可实现SOE数据查询。

控制系统的SOE功能均设置在1号机架的8个数字量采集模块,根据实际使用情况,可采集的通道数可达128个。

在进行SOE功能测试时,从8个数字量采集模块上分别选取1个通道同时进行测试,使用SOE信号发生器发出8路开关量信号。每路开关量信号前后间隔1 ms,每路开关量信号周期为1 000 ms。在测试结果中,红色感叹号表示信号为1,信号到达;绿色感叹号表示信号为0,信号离开。分布在8个不同模块上的8个通道分别间隔1 ms依次到达;经过1 000 ms后,8个通道上的信号分别间隔1 ms依次离开。测试结果表明,SOE功能符合设计要求。

3.3 模拟量数据高速采集

在一般的PLC控制系统中,模拟量的采集周期和显示周期最小为250 ms。后备柴油发电机控制系统要求电压建立曲线和机组转速曲线的采集周期和显示周期最大不超过50 ms,即要求监控计算机对高速变化的过程数据进行归档记录。

在出厂试验过程中,使用信号发生器产生电流信号,并快速手动调节该电流信号,模拟现场采集的机组转速信号。监控计算机在1 s内共采集到20个数据,信号采集和显示周期不大于50 ms。经过多次测试,该功能均稳定、可靠。

3.4 机组应急停机

系统软件应急停机示意图如图2所示。

图2 系统软件应急停机示意图

Fig.2 System software emergency shutdown

后备柴油发电机应急停机功能通过硬件(硬接线)、软件(PLC)两种方式实现,充分考虑并优化硬件回路和软件回路的电源独立、信号分配、线路走向,确保硬回路功能绝对独立。在PLC失效(无法完成软件应急停机)时,可通过应急停机按钮,115%超速3取2,润滑油进机口压力低3取2,差动保护等硬接线电话自动实现应急停机。

在硬接线停机电路中,3个转速信号分别接入3个转速变送器。当转速变送器采集的转速信号超过115%额定转速时,转速变送器将开关量信号输出至时间继电器,经过1 s的延时,将转速115%超速3取2信号输出至应急停机继电器;3个润滑油进机口压力信号分别进入3个配电器,配电器判断电流大小输出开关量信号至时间继电器,经过1 s的延时,将3取2信号输出至应急停机继电器;按下应急停机按钮,差动保护等信号直接驱动应急停机继电器进行应急停机。

软件应急停机回路通过对采集进控制系统的信号进行逻辑处理后,再输出应急停机信号。

4 结束语

在分析后备柴油发电机的工艺流程及运行逻辑特性的基础上,综合工艺指标、安全、稳定、可靠等诸多要求,设计了完整的后备柴油发电机控制系统。对该系统进行了历时半年的样机研发、试验、认证,以及历时一年的产品生产、出厂试验,并联机调试。出厂试验及运行结果表明,该控制系统完全满足后备柴油发电机系统的各工艺指标要求,系统运行稳定、可靠。该设计方案将有效降低核电厂应急电源部分的建造成本,可推广应用到国内外其他核电厂,具有广阔的应用前景[8]


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