核電廠(chǎng)控制系統(tǒng)與常規(guī)島工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)接口

丁 浩,沙 明

(1.國(guó)核工程有限公司,上海 200233;2.東北電力設(shè)計(jì)院,長(zhǎng)春 130021)

核電廠(chǎng)的不同的區(qū)域、系統(tǒng)或設(shè)備之間在設(shè)計(jì)過(guò)程中都存在各類(lèi)設(shè)計(jì)接口,如島間接口,工藝系統(tǒng)間的接口,工藝、儀控、電氣等不同專(zhuān)業(yè)之間的設(shè)計(jì)接口等。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中,設(shè)計(jì)接口內(nèi)容復(fù)雜,進(jìn)度匹配難點(diǎn)多,是核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一。本文通過(guò)某在建核電廠(chǎng)的實(shí)例,介紹 AP1000核電廠(chǎng)控制系統(tǒng)(PLS)與常規(guī)島 /電廠(chǎng)配套設(shè)施(CI/BOP)工藝系統(tǒng)之間的設(shè)計(jì)接口及設(shè)計(jì)接口管理的主要內(nèi)容。

1 電廠(chǎng)控制系統(tǒng) PLS與 CI/BOP系統(tǒng)間的設(shè)計(jì)接口

在 AP1000核電廠(chǎng)中,儀控系統(tǒng)可按如下層次劃分:工藝接口層(Level 0),控制保護(hù)層(Level 1),運(yùn)行與信息管理層(Level 2)與現(xiàn)場(chǎng)管理層(Level 3)。各層之間依次存在各類(lèi)接口(見(jiàn)圖1)。

Level 0為反應(yīng)工藝過(guò)程狀態(tài)的傳感器和和控制工藝過(guò)程的泵、閥和加熱器等執(zhí)行部件。Level 0中常規(guī)島(CI)和電廠(chǎng)配套設(shè)施(BOP)包括主蒸汽系統(tǒng)(MSS)、主給水系統(tǒng)(FWS)、二次側(cè)采樣系統(tǒng)(SSS)等三十多個(gè)工藝系統(tǒng)。

電廠(chǎng)控制系統(tǒng) PLS是 Level 1層中以分散控制系統(tǒng)(DCS)為基礎(chǔ)的核電廠(chǎng)控制系統(tǒng)。 PLS(Level 1)接收 Level 0層的 CI/BOP工藝過(guò)程檢測(cè)信號(hào),并為 CI/BOP的執(zhí)行設(shè)備提供輸出信號(hào)。在實(shí)現(xiàn) PLS對(duì) CI/BOP工藝系統(tǒng)控制功能的設(shè)計(jì)時(shí),PLS設(shè)計(jì)方和 CI/BOP設(shè)計(jì)方將依照對(duì)方的設(shè)計(jì)要求相互提供設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),即 PLS與 CI/BOP間的設(shè)計(jì)接口。

2 PLS設(shè)計(jì)方接口要求

工藝接口層(Level 0)的測(cè)量?jī)x表表征的物理量有壓力、流量、濕度、液位、溫度、物質(zhì)含量、速度等,執(zhí)行設(shè)備主要有風(fēng)門(mén) /擋板,斷路器,風(fēng)扇 /風(fēng)機(jī),泵,加熱器,閥門(mén)等。 PLS方設(shè)計(jì)接口要求主要體現(xiàn)在PLS與這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接上,包括PLS和Level0層之間信號(hào)的種類(lèi)和要求,信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì),PLS所提供的輸入和輸出模塊。CI/BOP設(shè)計(jì)方將遵照PLS設(shè)計(jì)方提供的設(shè)計(jì)接口規(guī)范,即現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和PLS間的信號(hào)和聯(lián)接要求對(duì) Level 0中的傳感器和執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 核電廠(chǎng)儀控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Level 0層傳感器接收或發(fā)送至 PLS信號(hào)的種類(lèi)主要有電壓 /電流、電阻、開(kāi)關(guān)量信號(hào)、觸點(diǎn)信號(hào)、脈沖信號(hào)、總線(xiàn)數(shù)據(jù)等,PLS方將對(duì)這些信號(hào)分別提出設(shè)計(jì)接口要求,或執(zhí)行的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這些要求包括信號(hào)的電壓 /電流值范圍,頻率范圍,觸點(diǎn)容量,電阻值范圍,信號(hào)接入方式,總線(xiàn)通訊方式與規(guī)范,電氣特性等內(nèi)容。以速度傳感器為例,PLS設(shè)計(jì)方要求傳感器向 DCS傳送信號(hào)應(yīng)為正弦或脈沖序列信號(hào),包括無(wú)源和有源2種方式,無(wú)源傳感器的頻率范圍為 200～51 200 Hz,最小分辨率為 1 Hz,有源傳感器的頻率范圍為 0.72～65 535 Hz,信號(hào)值應(yīng)大于100 mV,信號(hào)線(xiàn)為屏蔽雙絞線(xiàn)或同軸電纜。

在 PLS和 CI/BOP工藝接口層間信號(hào)傳遞的介質(zhì)為信號(hào)線(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn),PLS方對(duì)信號(hào)線(xiàn)的種類(lèi)(數(shù)字、模擬、雙絞線(xiàn)、屏蔽方式等)和總線(xiàn)方式提供了對(duì)應(yīng)的接口規(guī)范。如Hart模擬信號(hào)的接口要求電流范圍為 0～4 mA,輸入模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率是16位,25°C時(shí)精度是量程的 0.05%,通道采樣頻率為24 ms,輸出的分辨率為14位。對(duì)其他各種類(lèi)型的信號(hào)線(xiàn),PLS設(shè)計(jì)方同樣應(yīng)提供對(duì)應(yīng)的接口規(guī)范。

分散控制系統(tǒng) DCS與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)接口的模塊包括電流 /電壓輸入模塊,熱電阻溫度檢測(cè)模塊,熱電偶輸入模塊,速度檢測(cè)模塊,脈沖計(jì)數(shù)模塊,電流輸出模塊,電壓輸出模塊,數(shù)字輸出模塊,閥門(mén)定位模塊,繼電器輸出模塊,HART功能的 I/O模塊,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)模塊等,PLS方對(duì)這些模塊提供的接口規(guī)范主要包括通道數(shù)量,信號(hào)接入方式,屏蔽要求,端接方式,信號(hào)輸入輸出范圍等,為 CI/BOP方設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)儀控設(shè)備接入 PLS的方式提供參考。

對(duì)于Level 0層的執(zhí)行設(shè)備,PLS方除了規(guī)定常用設(shè)備的控制方式和所需信號(hào)的具體內(nèi)容外,還對(duì)某些特殊的設(shè)備,也規(guī)定了特定的接口,如具有超馳功能的風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)接口,類(lèi)似的特殊設(shè)備還包括某些加熱器和電機(jī)等。對(duì)非 PLS控制的第三方設(shè)備包(如 PLC控制的設(shè)備),PLS方的設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)二者間的接口信號(hào)也有明確的要求,包括信號(hào)內(nèi)容,信號(hào)種類(lèi)等,該設(shè)備包與 PLS間信號(hào)傳送的方式如有Porfibus/Modbus總線(xiàn),該設(shè)備供方應(yīng)按照 PLS方規(guī)定的數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì),數(shù)據(jù)內(nèi)容包括所應(yīng)包含的命令信號(hào),狀態(tài)信號(hào),字節(jié)中各比特位的定義及數(shù)據(jù)字節(jié)中參數(shù)組態(tài)的詳細(xì)內(nèi)容,例如 MCC控制的1E級(jí)電池充電單元等重要設(shè)備,除信號(hào)線(xiàn)外,還需另通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)提供反饋信號(hào)至 PLS。這些PLS接口規(guī)范將是 CI/BOP設(shè)計(jì)方對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器和工藝執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型的基礎(chǔ)。

3 CI/BOP設(shè)計(jì)接口數(shù)據(jù)

CI/BOP設(shè)計(jì)方將提供包括系統(tǒng)說(shuō)明書(shū),P&ID圖,功能邏輯圖/邏輯表,及其它數(shù)據(jù)庫(kù)(如設(shè)備清單,I/O清單)的功能性設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)至 PLS設(shè)計(jì)方,PLS設(shè)計(jì)方將依照這些設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在 DCS上實(shí)現(xiàn)對(duì)CI/BOP工藝系統(tǒng)的控制。

CI/BOP設(shè)計(jì)方以各工藝系統(tǒng)為單位,提供包括各系統(tǒng)所有設(shè)備和控制方案的完整準(zhǔn)確的 P&ID圖供 PLS方在設(shè)計(jì)時(shí)使用,各執(zhí)行設(shè)備的控制邏輯圖也是 CI/BOP設(shè)計(jì)方提供的重要數(shù)據(jù)之一,這是PLS實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制的基礎(chǔ)內(nèi)容。

CI/BOP提供至 PLS設(shè)計(jì)方數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)包括工藝系統(tǒng)的所有設(shè)備清單和 PLS的 I/O點(diǎn)清單,清單中需說(shuō)明各設(shè)備所屬系統(tǒng)、設(shè)備名稱(chēng)、位號(hào)等,I/O清單中還應(yīng)包括信號(hào)類(lèi)型(數(shù)字、模擬),參數(shù)類(lèi)型(液位、溫度、壓力、流量等)、電氣等級(jí)、量程、功能(報(bào)警、控制)、死區(qū)范圍、控制方式、設(shè)定值等參數(shù)。

由于工藝選定和運(yùn)行模式在選擇正確的調(diào)整方式有著重要的作用,而工藝設(shè)計(jì)方對(duì)工藝有著較全面的理解,所以 CI/BOP方提供的功能性設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)還包括:控制點(diǎn)設(shè)定值,復(fù)位或死區(qū)值,控制功能延時(shí)要求,報(bào)警設(shè)計(jì)值,報(bào)警優(yōu)先類(lèi)別,報(bào)警停止要求,報(bào)警延遲要求等,控制器調(diào)節(jié)參數(shù)(PID整定值,時(shí)間常數(shù)),濾波器時(shí)間常數(shù)等,所有輸入(傳感器)、輸出(工藝設(shè)備)和人機(jī)接口部件的功能要求,及各工況的控制要求。

PLS設(shè)計(jì)方在 DCS系統(tǒng)組態(tài)時(shí),CI/BOP設(shè)計(jì)方將提供各系統(tǒng)按物理與功能進(jìn)行劃分和分組的要求,包括數(shù)據(jù)傳遞,選擇總線(xiàn)或信號(hào)線(xiàn),通過(guò)總線(xiàn)傳遞的信號(hào),何處還需要信號(hào)線(xiàn)進(jìn)行傳遞等。這些要求對(duì)機(jī)柜或控制器控制功能的劃分,I/O模塊和通信鏈路對(duì) I/O信號(hào)的劃分,按照機(jī)柜和控制器對(duì)控制回路的控制算法、功能和 I/O點(diǎn)的分組有著重要作用。

PLS設(shè)計(jì)方在組態(tài)硬件和應(yīng)用軟件,實(shí)現(xiàn) CI/BOP工藝控制過(guò)程時(shí),CI/BOP設(shè)計(jì)方應(yīng)明確使用性能要求,包括計(jì)算回路和響應(yīng)回路的時(shí)間要求。對(duì)時(shí)間序列(SOE),CI/BOP設(shè)計(jì)方也應(yīng)提供需記錄的輸入清單,以便 PLS設(shè)計(jì)方在 DCS平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)組態(tài)。

CI/BOP設(shè)計(jì)方需提供 PLS方所需的設(shè)備控制要求至 PLS設(shè)計(jì)方,如所有的閥門(mén)類(lèi)型,閥門(mén)數(shù)量,正常閥門(mén)沖程時(shí)間,控制地點(diǎn),執(zhí)行機(jī)構(gòu)類(lèi)型,電源類(lèi)型,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電氣類(lèi)別,是否由 PLS系統(tǒng)控制,供電方式,控制邏輯圖紙?zhí)?閥門(mén)位置指示方式等。此外,CI/BOP需提供某些重要設(shè)備的信息,包括重要閥門(mén)和泵的流量曲線(xiàn)、性能、響應(yīng)時(shí)間等參數(shù),如主給水泵正常運(yùn)行時(shí)所要求的有效最小凈正吸入壓頭,汽機(jī)全甩負(fù)荷或部分甩負(fù)荷及汽機(jī)停機(jī)的功率響應(yīng)技術(shù)參數(shù),脈沖腔或其它壓力所表征的汽機(jī)功率和汽機(jī)故障等某些重要的信號(hào)。

CI/BOP所有的功能性數(shù)據(jù)按照應(yīng)以系統(tǒng)為單位,按照統(tǒng)一的格式提供,這些功能性數(shù)據(jù)在固化后將作為 PLS方設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的輸入。

4 設(shè)計(jì)接口的控制和管理

在項(xiàng)目開(kāi)始初期,接口管理方和設(shè)計(jì)方應(yīng)編制接口管理程序(IMP)與接口控制手冊(cè)(ICM),目的是為了管理和協(xié)調(diào)各設(shè)計(jì)方的設(shè)計(jì)活動(dòng)以滿(mǎn)足下游設(shè)計(jì)方的要求。IMP的功能是規(guī)定各設(shè)計(jì)方和管理方的責(zé)任,ICM的編制方式和內(nèi)容,接口數(shù)據(jù)提交的方式。 ICM是設(shè)計(jì)接口管理的工具,是設(shè)計(jì)雙方根據(jù)接口內(nèi)容編制的接口條目的匯總,包括各接口的提供方和接收方,接口內(nèi)容描述,接口類(lèi)型,接口提交進(jìn)度等內(nèi)容。

由于核電廠(chǎng)的安全標(biāo)準(zhǔn)高,設(shè)計(jì)接口的內(nèi)容多,設(shè)計(jì)過(guò)程也較長(zhǎng),而核電廠(chǎng)的各設(shè)計(jì)方在設(shè)計(jì)過(guò)程中都將按照各自的設(shè)計(jì)流程,這使得核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)接口管理成為較為復(fù)雜的過(guò)程,這些復(fù)雜性主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)雙方對(duì)設(shè)計(jì)接口內(nèi)容,接口數(shù)據(jù)的質(zhì)量和接口數(shù)據(jù)提交進(jìn)度方面存在不同的觀點(diǎn)。

為了避免或減少這些設(shè)計(jì)過(guò)程中可能出現(xiàn)的難點(diǎn),總承包方和設(shè)計(jì)方都應(yīng)在設(shè)計(jì)管理上投入一定的資源。接口內(nèi)容是設(shè)計(jì)雙方首先應(yīng)明確的事項(xiàng),在雙方出現(xiàn)分歧時(shí),管理方可組織雙方對(duì)該接口進(jìn)行詳細(xì)的分析,必要時(shí)根據(jù)核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)的安全性和完整性做出判斷,其中也會(huì)涉及到核島的設(shè)計(jì)要求,而通常核島的安全性具有較高的優(yōu)先級(jí)。

ICM中接口數(shù)據(jù)的提交日期應(yīng)參照項(xiàng)目的三級(jí)進(jìn)度進(jìn)行編制,在實(shí)施進(jìn)度管理時(shí),管理方應(yīng)按照IMP,要求雙方按照進(jìn)度要求和規(guī)定的方式提交,而接口數(shù)據(jù)的質(zhì)量往往會(huì)影響下游設(shè)計(jì)方的設(shè)計(jì),所以接口數(shù)據(jù)的提交可分為初版數(shù)據(jù)和終版數(shù)據(jù)進(jìn)行,為設(shè)計(jì)方修改數(shù)據(jù)預(yù)留一定的時(shí)間,因此管理方應(yīng)敦促使用數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方及時(shí)對(duì)初版數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)審,并提供其評(píng)審意見(jiàn),同時(shí)也要求提供數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方對(duì)評(píng)審意見(jiàn)進(jìn)行澄清、補(bǔ)充或修改,通常以不影響對(duì)方的設(shè)計(jì)內(nèi)容為條件,直至雙方對(duì)接口數(shù)據(jù)達(dá)成一致方可關(guān)閉接口條目。

設(shè)計(jì)過(guò)程中,設(shè)計(jì)雙方往往不能滿(mǎn)足對(duì)方的進(jìn)度要求,管理方首先應(yīng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)雙方積極配合對(duì)方的設(shè)計(jì)活動(dòng),通常也會(huì)根據(jù)工程設(shè)計(jì)的實(shí)際情況,對(duì)某些接口數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分或分步提交,逐步關(guān)閉數(shù)據(jù)接口條目。

5 接口管理的建議

為保證核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)達(dá)到質(zhì)量和進(jìn)度要求,項(xiàng)目管理方應(yīng)首先建立有效的設(shè)計(jì)接口管理體系,包括項(xiàng)目工作程序,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和專(zhuān)家支持體系。其次設(shè)計(jì)管理方應(yīng)建立設(shè)計(jì)審查和跟蹤體系,主要內(nèi)容包括有效文件清單,接口數(shù)據(jù)質(zhì)量,接口交付進(jìn)度,接口數(shù)據(jù)變更等。

項(xiàng)目管理方還應(yīng)根據(jù)文件清單與設(shè)計(jì)進(jìn)度之間的匹配關(guān)系對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)行過(guò)程監(jiān)測(cè)和結(jié)果監(jiān)測(cè),并定期形成接口文件交付狀態(tài)報(bào)告以指出發(fā)現(xiàn)的重要問(wèn)題 (安全 ,進(jìn)度 ,造價(jià))。

當(dāng)設(shè)計(jì)接口出現(xiàn)偏差或設(shè)計(jì)方對(duì)接口的內(nèi)容和進(jìn)度出現(xiàn)較大分歧時(shí),設(shè)計(jì)管理方應(yīng)收集各方所需的技術(shù)信息和決策的所有要求,根據(jù)項(xiàng)目的當(dāng)前狀態(tài)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合分析,同時(shí)組織專(zhuān)家支持體系進(jìn)行專(zhuān)家診斷和技術(shù)決策,并落實(shí)技術(shù)決策或變更,發(fā)揮對(duì)設(shè)計(jì)方協(xié)調(diào)管理的核心作用,使問(wèn)題的出現(xiàn)和決策以及信息的傳遞都處在設(shè)計(jì)管理的職能控制之下。