反应堆冷却剂泵试验台架仪控系统设计

150 军民两用技术与产品 2018·4（下）
引言
反应堆冷却剂泵是核电厂或者核动力装置的重要组成部分，泵
的功能和性能是否满足设计要求直接影响整个核电厂或核动力装置的运行，因此对反应堆冷却剂泵进行一系列试验测试十分必要。

反应堆冷却剂泵试验台架（以下简称试验台架）能够提供模拟反应堆冷却剂泵试验所需的热工水力、供电、监测和控制等试验条件，是反应堆冷却剂泵试验测试平台。

仪表和控制系统作为整个试验台架的大脑，为整个试验台架的顺利运行提供保证。

1 试验台架简介
反应堆冷却剂泵试验台架是反应堆冷却剂泵的出厂试验平台，需要完成反应堆冷却剂泵的各项试验，试验台架应具有模拟反应堆冷却剂泵实际运行环境（非核条件下）的能力。

试验台架由如下几部分组成：试验回路系统、电气系统、仪控系统和土建部分等组成。

试验回路系统包括主回路、稳压系统、补水系统、冷却系统等子系统，包括试验泵本体、稳压器、辅助泵（包括循环泵、补水泵和设冷泵等）、各类阀门（包括安全阀、截止阀、调节阀和仪表截止阀等）、冷却器、电加热器、管道及相应附件等。

2 试验台架仪控系统设计研究2.1 试验台架仪控系统功能
试验台架仪控系统具有监测显示和运行控制等两大功能[1]。

监测显示功能是对试验台架系统运行控制、安全保护等有关的参数进行监测，包括温度、压力、流量、液位、转速、电机电压及电流、阀门位置等信息；运行控制功能是为试验台架提供远自动控制以及远程/就地的手动控制功能，具体要求包括：
2.1.1 基本功能要求
对试验台架各工艺系统和设备在正常运行和预计运行事件下的变量和系统状态进行全程监测，提供各过程参数的实时数值显示，以便分析、判断各系统、设备的运行状态，进行必要的操作；
当过程参数超过规定的变化范围时，自动给出警告信号，提醒操纵员注意过程参数的异常变化，及时分析原因，采取处理措施；
当重要过程参数超过规定的变化范围时，系统可以实现自动联锁、保护功能；
实现试验台架升温升压、保温保压和降温降压过程的自动控制功能；
对试验台架运行起重要作用的过程参数，送入处理设备处理后，除进行显示和报警外，还会进行数据记录，为试验台架各系统提供安全运行或事故分析依据。

2.1.2 特殊功能要求
试验功能扩展，即仪控系统能提供开放式接口，后期能根据需要增加（集成）其他测试项目；
试验对象扩展，即仪控系统应具备对多种反应堆冷却剂泵进行试验测试的能力。

2.1.3 性能要求测量准确性要求：温度测量：A 级（1级）精度或以上；压力压差测量：≯0.15%；流量测量：≯±1.5%（@额定流量点）；其他测量：满足GB/T3216-2005中的1级要求。

存储容量要求：存储100天内所有试验数据。

2.2 台架仪控系统的架构
参考核电厂仪控系统的架构，可以将试验台架仪控系统总体架构对应的分为现场层（Level0）、控制层（Level1）和监测操作层
（Level2）三层[2]。

现场层包括各类温度传感器、压力压差和流量变送器、液位计、执行机构、视频监控和广播设备，负责采集数据并送至控制层的现场采集设备，与控制层/监测操作层设备进行信息交互、监测和广播通讯。

控制层基于现场采集设备和控制柜等设备，各设备设置网络通讯接口，便于监测操作层直接采集相关参数信息，具有输入输出现场信号、自动控制和联锁功能。

监测操作层是台架仪控系统的最上层，包括显示与操作设备、数据处理设备、控制台、网关、视频监测主机和广播主机等，通过网络/硬接线实现各种运行工况下众多信息集成和处理，为操作员提供运行工况相关信息、报警联锁信息和应急操作手段。

监测操作层的应急操作手段为远程急停功能，当仪控系统出现不可控故障时，操作员可手动完成急停操作。

试验台架仪控系统结构组成如下图1所示
：
图1 仪控系统结构示意图
摘 要 本文提出了反应堆冷却剂泵试验台架仪控系统的系统功能和整体架构，参考核电厂仪控系统设计将试验台架仪控系统分成现场层、控制层和监测操作层等三个层次，针对每个层次的功能、结构和软硬件设计进行了详细的叙述；同时，本文还介绍了试验台架自动运行控制功能的设计与实现。

关键词 仪控系统；功能；架构；自动控制
Design of I&C system for reactor coolant pump test bench
Zhubiwei ，Lvxin ，Gaodapeng ，Wuqian ，Xusijie
（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory ，Chengdu ，610041）
Abstract This paper researched the function and structure of Instrumentation & control system （I&C system ）for the reactor coolant pump test bench.On the basis of the above ，the I&C system is compartmentalized at three layers.Fuction ，structure ，hardware and software design of each layer are described detailedly.also ，it introduced the realization of the automatic operation control function of the test bench.
Key words I&C system ；function ；structure ；automatic operation ；文章编号：1009-8119（2018）04（2）-0150-03
反应堆冷却剂泵试验台架仪控系统设计
朱毖微 吕 鑫 高大朋 吴 茜 徐思捷（核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610041）
2018·4（下） 军民两用技术与产品
151
2.3 现场层
现场层主要包括各种温度、压力、流量、液位、电流、电压、功率等测量仪表。

试验台架为高温高压台架，且主回路管道为中大口径奥氏体不锈钢管，采用标准节流装置作为一次测量元件可靠性及效费比更高，同时，相较于诸如孔板和ISA1932喷嘴等其他标准节流装置，文丘里管的结构更简单，压损相对较小，受流体冲刷影响小，正常运行使用状态下可以保证在台架全寿命周期内不需要维修更换。

与普通泵类试验台架不同，试验台架仪控系统还专门设置1套高速功率分析仪用于对试验泵的电压、电流及功率等电气参数进行监测，功率分析仪采样周期最快可达20ms ，可以有效对试验泵启动阶段的电气参数进行测量和分析。

2.4 控制层
监测控制系统主要包括数据采集设备和控制设备，数据采集设备主要为现场采集柜和电气测量柜，控制设备包括主控制柜和泵阀控制柜等。

数据采集设备用于各仪表和传感器数据的采集和预处理、定值比较等，并通过工业以太网传输数据至主控制柜，重要的报警信号通过工业以太网和硬接线分别传输至主控制柜和监控操作层的控制台进行报警。

主控制柜是控制层的核心设备，用于数据和控制指令的上传下达，包括接收来自数据采集设备的数据并经处理后传输至监测操作层设备用于显示、记录、存储、报警和控制等用；接收来自监测操作层的控制指令并传输至泵阀控制柜用于对反应堆冷却剂泵、主调节阀和各辅助泵阀的联锁控制等。

2.5 监测操作层
监测操作层主要用于试验台架运行监控和试验操作，由监测操作设备、数据处理设备、控制台、大屏监控设备和视频监控主机等组成。

监测操作设备共分为两台，互为备用，其中一台主要负责显示工艺系统流程图（人机界面）、监测数据、报警和联锁信息，并连接大屏幕监控设备，另一台主要负责执行试验操作。

数据处理设备用于对试验数据进行存储、处理和生成数据报表，并可传输至打印设备进行试验文件的生成。

以上各设备和控制柜通过一台工业以太网交换机组网进行数据传输。

控制台包括报警光字牌、广播主机和急停按钮等，对重要信号的报警信息进行冗余显示，并提供了应急工况下的特殊处理手段。

监测操作层结构如下图2所示
：
图2 监测操作层结构示意图
3 系统软件设计研究3.1 需求分析
与试验台架仪控系统架构设计类似，在仪控系统软件需求分析的开始应逐步建立整个系统需求的规范的层级结构。

仪控系统软件需求分析的层级结构可以看做将整个仪控系统的软件需求分解到控制层软件需求和监测操作层软件需求两个部分，再分解到各个设备的需求上。

其中监测操作层软件应具备的能力包括：
3.1.1 信息显示
向操作员提供反应堆冷却剂泵启动、运行测试、故障状态和停止等一系列过程中试验台架所有运行过程产生的信息，显示信息可分为：过程参数信息、故障和报警联锁信息、设备状态信息等。

3.1.2 操作与控制
向操作员提供参与试验台架运行的所有设备的操作和控制手段，
操作和控制可分为：正常手动操作与控制、正常自动操作与控制以及应急操作与控制。

3.1.3 数据记录与处理
对所有运行测试过程中产生的必要信息和数据进行跟踪和存贮，便于历史回放和故障诊断，并能生成相应的数据报表。

需要特别注意的是以上功能如果只由一台工控机用应用软件来完成，会对工控机处理核心造成极大负荷，降低处理核心的可靠性和使用寿命，而且由一台工控机也无法同时执行显示与操作的所有功能，所以监测操作层的软件设计时将其分解成与功能相对应的三个部分，分别由三台工控机来施行。

3.2 软件设计研究
3.2.1 软件结构
台架仪控系统的软件部分包括控制层软件和监测操作软件两部分，控制层软件分为现场采集设备和控制柜的嵌入式软件；监测操作软件包括运行监测显示、控制与操作、数据处理和辅助功能等。

系统通过OPC 数据访问模式进行控制层与监测操作层之间的数据交换，PLC 采集的数据通过OPC 服务器发送监测控制设备实时显示；在监测控制设备进行的参数设置和控制命令以立即模式发送到PLC 中，即时生效。

数据传输流程示意图如下图3所示
：
图3 数据传输流程示意图
3.2.2 控制层软件
控制层软件均基于PLC 架构，主要功能为现场采集柜和控制柜各功能单元的配置和管理、采集过程参数信号并与监测操作层进行数据交换，控制柜集成大部分控制功能，是驱动辅助泵阀等外部设备的枢纽。

PLC 程序大致分为硬件组态Physical 、逻辑控制Logical 、I/O 输入输出设置Configuration 三个部分。

重要的控制逻辑设计时采用掉电数据保持功能，将程序模块分为Init （初始化）、Cyclic （循环）、Exit （退出）三个结构单元和局部变量块，进行针对性的配置和编写程序脚本，以保证上电初始化等状态下系统的正常运行。

3.2.3 上位机软件
试验台架运行过程中所有的仪表、主要设备以及台架的运行状态均在上位机软件中得到体现，上位机软件基于图形化软件开发工具LabVIEW 开发，创建的画面主要分为两大种类：监测操作画面和报表曲线。

监测操作画面主要包括主画面、实时/历史报警联锁记录画面、主要设备操控画面、试验操作画面、试验数据记录显示画面和系统配置画面等，主界面示意如上图4所示
：
图4 人机主界面示意图
152 军民两用技术与产品 2018·4（下）
报表曲线类主要为试验成果的生成的各种表格曲线以及实时/历史报警联锁信息表格等两大项。

包括试验数据报表、拟合试验曲线、报警联锁表和历史数据表等。

上位机软件采用GUI 图形用户接口，采用菜单和按钮方式，用户通过键盘和鼠标进行操作。

上位机数据采集程序流程示意图见下图5所示
：
图5 数据采集服务器程序流程示意图
内部接口规定了系统内部的重要接口，包括系统之间的参数及其传递方式，程序内部重要的调用格式，即调用函数或过程的名称、参数、参数类型、返回值和返回值类型等，并指出其有关注意事项。

系统通过传递文件和参数，实现模块之间的调用，系统主要通过全局变量表来调用传递数据。

外部接口描述系统与外部的重要接口，包括接口方式、传递参数的类型和格式等。

系统采用Access 数据库、Excel 、Word 作为外部接口，采用模板文件来传递相关信息，实现数据报表等功能。

4 结论
试验台架仪控系统工作是从总体需求出发，自上而下的逐步建立整个系统的需求分析层级结构。

系统按功能被划分为3个层次结构，并以此为基础开展系统的详细设计工作。

同时，系统设计时还做到了在保证安全性前提下，将成熟经验与先进技术进行有效的结合。

在国内同类型台架中率先实现了温度-压力升/降过程的全自动控制调节功能。

通过对试验台架为期1年的实际运行结果的数据分析，整个仪控系统的设计完全得到设计预期。

参考文献
1 罗安、谢禹.核电站仪控系统的自主化[J]，中国小企业，2010，2：48-49.
2 范丽辰、王桂海，核电仪控系统的发展综述[J]，第三届中国（国际）核电仪控技术大会论文集，2015，A10-1.
3 王翠芳，核电站数字化仪控系统开发过程及其验证与确认[J]，自动化仪表，2012，第33卷第7期.作者简介
朱毖微（1984-），男，毕业于西北工业大学导航制导与控制专业，工程师，现从事反应堆仪控系统设计工作。

（上接149页）
平均单孔抽放瓦斯纯量0.126m 3/min ，平均日抽放量1451.5m 3。

3 瓦斯治理工程平行施工
3.1 204工作面后续瓦斯抽采工程与回采工作平行施工
由于瓦斯抽采工程欠帐较大，在第一评价单元抽采达标后，剩余各评价单元部分块段还要施工瓦斯抽采钻孔和进行补孔，在此期间，回采与瓦斯瓦斯抽采工程施工平行作业。

3.2 204工作面两顺槽对临近区段瓦斯抽采工程的施工
在工作面回采期间，为保证工作面的正常接续，需由204工作面两顺槽向工作面临近区段的203运输顺槽、205回风顺槽掘进区段施工抽采钻孔，提前预抽这两条巷道的掘进条带煤层瓦斯，此时，回采与瓦斯抽采工程施工平行作业。

4 矿井瓦斯抽采工程规划4.1 近期计划
4.1.1 204工作面
（１）第一评价单元在8月30日前抽采达标后，采取CO 2致裂增透技术、增加大功率钻机等办法，加快瓦斯抽采工程的施工进度和抽采效果的提升。

同时，按照设计要求，补充施工双排钻孔。

保证其他各评价单元在前一单元回采结束前实现瓦斯抽采达标，确保204工作面正常推采。

（2）在204顶抽巷向204工作面回采区域6中煤层顶板施工高位抽放钻孔，每10m 施工一组，每组2个钻孔，控制204回风顺槽向工作面以里20米范围，用于抽采204工作面回采期间临近层瓦斯及204工作面采空区瓦斯，防止工作面回采期间瓦斯超限。

（3）采用顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯措施，向203运输顺槽、205回风顺槽掘进区域施工抽采钻孔，提前预抽这两条巷道煤层瓦斯，保证正常掘进施工。

4.1.2 管路安装
加快矿井瓦斯抽采主管路安装，在2BEC72型瓦斯抽采泵到货后，立即组织进行调试安装，确保新系统尽快投入运行。

4.1.3 205运输顺槽石门揭煤
争取７月中旬完善相关报告的编制报批备案等工作。

4.2 远期规划
（1）在206顶抽巷施工穿层钻孔，对205运输顺槽和206回风顺槽掘进条带煤层瓦斯进行提前预抽，在205顶抽巷施工穿层钻孔对205回风顺槽掘进条带煤层瓦斯进行提前预抽，在204顶抽巷施工穿层钻孔对203运输顺槽掘进条带煤层瓦斯进行提前预抽。

（2）205运输顺槽揭穿煤层后，沿煤层掘进期间，采用超高压水力割缝增透卸压技术。

（3）203石门掘进结束后，施工石门揭煤瓦斯抽采钻孔，对203和202石门揭煤区域煤层进行瓦斯提前预抽。

（4）在1730三条暗斜井接近16#煤层区域，提前对16煤进行预抽。

（5）1800运输大巷预计8月初启封密闭，对该地点进行瓦斯抽采钻孔施工。

5 需要公司解决的问题
（1）矿井现有ZDY750型坑道钻机设备陈旧，功率偏小，不能满足矿井需要，需购进ZDY3200S 型全液压坑道钻机，ZDY4000L 型履带式钻机，逐步淘汰750钻机，以满足矿井瓦斯抽采钻孔正常施工的需要。

（2）矿井瓦斯发电厂配备能力不足，影响了瓦斯利用率，需要增加瓦斯发电机组，以提高瓦斯抽采利用率，增加企业效益。

（3）矿井钻孔施工人员及管路维护人员不能满足矿井生产需要，协调增加部分人员，保证矿井10台以上钻机同时施工人员。

参考文献
1 王树鹤《防治煤与瓦斯突出规定》煤炭工业出版社2009.
2 徐永圻《煤矿开采学》中国矿业大学出版社2009.作者简介
王士安（1974-），男，采矿工程师，注册安全工程师，毕业于山东科技大学采矿工程专业，毕业后一直从事煤矿生产技术管理工作，现在山东能源集团贵州矿业有限公司生产技术处工作。