关于秦山一期棒控系统电流调节回路软件化的设想

关于秦山一期棒控系统电流调节回路软件化的设想
谭平;黄程
【摘要】The paper takes the control rod control system of Qin Shan nuclear power phase I as anexample, describe thecontrol rod driven mechanism、the principle of current regulating circuit and control scheme briefly, discuss the function of theset point function module, currentregulating module,phase shift trigger module, anddo the software requirement analysis for them. The paper is based on the C8051F(micro control unit)toachieve the function of these three module,improving the integrity of the current regulating circuit, saving the space of cabinet, conforming to the Miniaturized design.%本文以秦山一期棒控系统为例，简要介绍了秦山一期控制棒控制系统（下述简称棒控系统）的控制对象控制棒驱动机构、电流调节回路原理及控制方案，论述了棒控系统定值、电流调节、移相触发器组件的功能，并对这三类模块功能进行软件分析。

本文采用以C8051F单片机为控制
核心，将原来采用硬件实现的功能改由软件实现，提高了电流调节回路的集成度，节省机柜空间，符合微型化设计理念。

【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2016(023)004
【总页数】4页(P64-67)
【关键词】棒控系统;电流调节;移相触发器
【作者】谭平;黄程
【作者单位】中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300;中核核电运行管理
有限公司，浙江海盐 314300
【正文语种】中文
【中图分类】TM623
秦山一期核电站共有37束控制棒，每一束控制棒有3套电流调节回路（分别对应提升、保持和传递电流）。

控制棒控制系统（下述简称棒控系统）正是通过这些电流调节回路的输出电流来控制控制棒驱动机构进行动作，进而实现对控制棒的升降控制，电流调节回路是棒控系统的关键控制回路。

电流调节回路参数整定的合理、稳定与否直接关系棒控系统能否可靠稳定的控制驱动机构动作。

参数的合理性是在设计调试过程时所需要考虑的，而参数的稳定性（由于元器件固有的离散性、器件的老化漂移）很难得到长期的保证。

同时，为提高稳定性，设计时采用了大量的精密元器件，也增加了设备制造成本、维修成本。

另外，设备出厂后，对易老化、易漂移器件如电容、电位器等只能进行预防性维修，比如测试器件性能，一旦性能下降，则采用新型器件进行替换等方式，这样定期检测更换元器件的方式对电路板也存在着一定的损伤。

本文提出一种设想，采用可编程芯片减化电路，将电位器作为定值设定的功能用软件来替代，消除电位器参数漂移产生的问题。

棒控系统主要调节参数都位于定值、电流调节、移相触发器三类卡件上，如将这些卡件的功能都采用软件来实现，参数漂移的问题可以得到很好的解决。

另外，元器件、组件的减少，可减少故障点，降低功耗，大大节省了机柜的空间，提高了电流调节回路的集成度，符合微型化设计理念。

本文以秦山一期30万机组棒控系统为例，论述定值、电流调节、移相触发器三类卡件软件化思想。

1.1 控制对象—驱动机构（CRDM）线圈
秦山一期的CRDM（control rod driven mechanism）线圈是一个电感量很大的
阻感负载，可以简单等效为一电阻与一电感的串联，其电阻R从冷态到热态幅度
提升很大，电感L显然受温度的影响比较小。

为了避免线圈参数变化大对驱动机
构工作的不利影响，需要设计电流自动调节系统提高其动态特性。

秦山一期A1.1驱动机构线圈参数见表1。

1.2 驱动机构（CRDM）线圈电流调节系统原理［1］
秦山一期CRDM动力电源为交流380V，由2台并列运行的棒电源机组提供。

驱
动机构是靠线圈电流产生的电磁力来工作的，其驱动能力的大小取决于线圈电流的大小。

由于线圈大电感的存在，正常运行时线圈电流的脉动成分相对较小，因此电流调节系统选取电流的平均值Iy作为主调节变量。

秦山一期30万棒控系统电流调节系统原理图如图1所示。

1.3 电流调节回路总体方案
秦山一期棒控系统采用“一带一”方案，即每束控制棒的电流调节回路包括提升、保持、传递电源机箱各一个，分别向对应CRDM的提升、保持、传递3个线圈供电。

1个电源机箱就是1个电流调节回路，即一束控制棒需要3个电流调节回路，整个系统共计111个电流调节回路。

每个电源机箱内含有9个组件和1个可控硅
三相半波整流电路，其方框图见图2所示。

1）其中2个电源组件将2路安全段电源转换成+24V、+15V、-15V直流稳压电源冗余输出，为本机箱其他组件提供控制电源。

2）定值组件将PLC给出的电流指令信号转换为电流定值信号Us。

3）调节组件比较定值Us与反馈电压Uf（由反馈电流If转换而来），将偏差放
大成Uk输出。

4） 3个移相触发组件将Uk转换成对应一定控制角（α）的移相触发脉冲去触发
三相半波整流电路中的3个可控硅。

5）电流检测组件监测线圈电流，电流过大、电流过长、插件拔出、保传同零时触
发报警，并提供紧急故障机箱互送信号。

6）波形测量组件提供控制回路及报警回路电流波形测点，并监测电流纹波。

1.4 移相触发组件的基本概念以及原理分析
在由晶闸管构成的三相半波整流电路中，晶闸管移相触发电路的作用是根据直流控制电压来产生移相触发角a，不同的触发角对应不同的电源电压的相位，改变触发角即是移动触发脉冲所对应的相位，从而起到调节输出电压的作用。

移相触发组件原理框图见图3。

同步电压（UT）：来自同步电源（同步电源变压器），经锯齿波形成电路，得到
与电源同步的锯齿波电压。

锯齿波电压（UJ）：与控制电压，偏移电压叠加，在其交叉点形成触发脉冲。

控制电压（UK）：工作时，控制其大小，实现在需要的范围内移相。

偏移电压（UP）：与控制电压叠加，以确定控制电压为零时，触发脉冲的初始位
相位。

秦山一期30万机组棒控系统采用的是锯齿波同步触发电路，采用KJ001集成芯
片来实现触发脉冲的移相，KJ001利用的是垂直移相方式，即把锯齿波电压、同
步电压与直流控制电压叠加起来，用改变直流控制电压的大小来改变触发电路翻转的时刻，即触发脉冲的输出时刻，以达到移相的目的。

这种方式较正弦波触发电路，克服了电源电压波动和畸变等主要缺点。

2.1 电流定值组件接口介绍
电流定值组件的输入信号有5个，其中包括来自PLC的信号有3个，分别为定值
大电流、定值小电流、禁止棒动信号；来自保持机箱1个紧急故障；传递机箱1
个紧急故障。

输出信号1个，为送往电流调节的电流定值信号、卡件拔出信号。

来自PLC的定值大、小电流、禁止棒动信号与保持紧急故障进行或逻辑计算后的
信号均经光耦进行电平转换输入单片机，如图3所示。

PLC送入单片机的信号只
是线圈电流的时序信号，而电流定值的大小在单片机中用变量表示，它的大小可通过与上位机通讯来进行修改，取代用电位器来调整电流定值。

当接收到禁止动棒信号、保持紧急故障、传递紧急故障时，将定值大小电流置为零并将A\B\C 3路触
发脉冲的触发角置为关断角，此角度受实际电路限制，应接近180º，但小于180º。

2.2 电流调节组件接口介绍
电流定值组件的输入信号有2个，包括来自定值的电流定值信号和来自霍尔电流
反馈信号。

输出信号：送往移相触发的控制电压信号、卡件拔出信号。

参与调节的参数有2个：电流调节的上、下限。

前面提到过，电流调节组件比较定值Us与反馈电压Uf（由反馈电流If转换而来），将偏差放大成Uk输出；此电路的数学模型：Uk=K（Us-Uf），并设置上
下限，此上下限值的设定与锯齿波偏置相关，并对应于移相触发器实际的移相范围。

来自线圈的反馈电流模拟信号使用单片机的内部A/D转换器进行模数转换。

图4
为C8051F单片机端口功能分配图，其中P0.1/P0.2分别为提升定值大小电流指令，电流反馈Uf接入A/D端口，输出Uk=K（Us-Uf）在单片机内部完成计算［2］。

2.3 移相触发器组件接口介绍
移相触发器组件的输入信号有3个，包括来自调节组件的控制电压、来自同步变
压器的2相同步电压信号。

输出信号：移相触发脉冲输出信号、卡件拔出信号。

2.4 移相触发组件软件化分析
2.4.1 同步信号的获取
在三相可控整流电路中，选择触发电路的同步电源非常重要，只有正确地选择了同
步电源，才能使各晶闸管在指定的时刻及时依次顺序触发导通。

在秦山一期的移向触发电路中，采用的是两相同步电压信号来得到另外一相的触发脉冲的方式。

在这里采用如图5所示的方法，将三相经同步变压器降压后的相电压信号，经过
限流电阻，使用光耦进行电压隔离，在正弦交流电压信号的正半周，发光二极管导通，光耦输出低电平，在负半周输出高电平。

光耦输出信号的下降沿就是同步信号的正过零时刻。

但是，在获取正向过零时会有误差，即得到的不是正向过零时刻。

发光二极管导通需要一定的电流，在刚正向过零的一小段时间内，发光二极管还没能够导通，当电压达到一定值时才导通，在接近负过零的一小段时间内，电流过小，也不导通了，在负半周，由于二极管反向截止，也不导通。

虽然同步信号存在有误差，但并不是一点意义也没有，通过分析有误差的同步信号，同样也可以找到过零点。

从测量到的数据分析，正向过零点应该在下降沿超前14.4º。

这点并不影响到触发脉冲的产生，因为可控硅整流电路自然换向点是在过零点后的30º位置［3］。

2.4.2 KJ001垂直移相算法
前面已经提到过，KJ001集成芯片采用的是垂直移相方式，该芯片内共包括3个
环节，分别为：锯齿波形成环节、脉冲移相环节、脉冲形成及放大环节。

锯齿波
形成环节是通过电源对电容进行恒流充电，从而形成锯齿波同步信号的上升沿，其下降沿是电容通过一小电阻放电而形成的。

锯齿波的宽度由电路参数决定，其频率则与电源电压频率相同。

图6是秦山一期棒控系统同步变压器后端三相交流电以
及某一相锯齿波形。

图上的CH3通道是锯齿波，它同步于CH6通道绿色三相正
弦波，可以看出锯齿波覆盖了对应正弦波几乎所有相位，而实际移相范围在图上
A/B两指针之间。

A、B两指针与锯齿波相交的的位置也分别对应电流调节的上下限。

在这里值得一提的是，锯齿波斜率即KJ001时间常数的调整，对系统的调节性能
是有影响的，即当控制电压变化相同量时，移相的角度变化与斜率成反比关系，所以在设置锯齿波参数时应考虑这个因素。

根据锯齿波波形，我们可以用简单的数学表达式来表示：Y=KX+D，K为斜率；X 为横坐标，单位为角度；Y为纵坐标，单位为电压。

前面提到过，形成触发脉冲的时刻也就是锯齿波电压、控制电压与偏移电压相叠加时的交叉点；由于实际电路所限，上限只能设在0o附近，但大于0o的位置，下
限同理设在180o附近，但小于180o的位置，如图7所示，控制电压Uk取上限时，与锯齿波UJ、偏移电压Up叠加后交于A点。

不难知道，A点的表达式：
KX+D+Uk-Up=0（Up通常设为负值，在表示中为了易于理解把负号写出），则
X=（UP-UK-D）/K，X的值即为触发脉冲的触发角a。

实际设计中可将D纳入到Up中考虑。

2.4.3 可控硅触发脉冲的形成
由于C8051F有2个外部中断，应需要扩展中断来得到3路同步信号即ABC 3路同步信号。

因此，在这里可采用硬件请求和软件查询的方法：即把各个中断源通过硬件“或非”门引入到单片机外部中断源输入端，A路与B路共享INT0中断，C
路使用INT1中断，同时需把A路与B路外部中断源送到单片机的输入输出端口，这样当外部中断时，通过“或非”门引起单片机中断，在中断服务程序中再通过软件查询，进而转相应的中断服务程序。

显然，这种方法的中断优先级取决于软件查询的次序。

其硬件连接见图4和软件编程如下：
定义单片机的中断为下降沿有效，中断处理程序所做的即中断到来，设置单片机内部定时器，定时时间由触发角a来决定，触发角a与延时时间t存在如下关系：
t=（a/360）*20ms。

延时指定的时间t后就在指定的P1口输出一个高电平，经
过4ms，输出低电平。

本文采用以单片机为控制核心，提出了棒控系统主要调节回路组件的软件化思想，
对需要软件化设计的组件进行了详细的软件功能分析，为新的电流调节回路的设计提供了一个新的思路。

【相关文献】
［1］秦山一期棒控棒位系统培训教材［Z］.
［2］潘琢金. C8051F310 FLASH微控制器数据手册［Z］. 2004，11：69-72.
［3］钱士仁.触发电路同步信号的选择［J］.浙江丝绸工学院学报，1989，6（3）：26-31.。