朱凌佳，刘鑫伟
（中国核电工程有限公司，北京 100840）
为保证某核化工项目的玻璃固化子厂房的正常运行，当厂房内正常电源和厂外辅助电源失去后，为其配套修建的应急电源中心将为玻璃固化厂房的安全功能和安全相关功能的执行提供动力，为安全运行所需的动力、照明、仪表装置和通信设备等安全系统及安全相关系统的负荷提供应急电源。应急电源中心内的设备主要包含应急柴油发电机组、应急低压配电屏、应急低压UPS屏和安全级直接蒸发式组合空调机组等，这些设备及其使用到的房间均为两套，之间互为独立，互不冗余，构成了两序列的应急供电回路。
不同于一般民用工程，核工程在为确保应急电源中心自身正常运行的前提下还要保证工程的放化安全功能[1]，满足事故工况下对重要工艺参数的监控要求。因此，控制系统的设置显得尤为重要，既能实现本中心各类参数测点的集中显示，完成各类设备的开关操作和状态显示，达到关键参数自动控制的目的，同时又能与全厂DCS系统实现通信，远程实时监控应急电源中心的运行情况。
为确保该核化工项目中放化安全总目标，应急电源中心内的各测量、控制参数可以分为非安全级和放化安全级，例如适用于防止发生事故以及在发生事故时和事故后为保护工作人员和公众所需的电气设备，属于放化安全级。针对应急电源中心的非安全级和安全级测控需求，本文将PLC和常规模拟技术结合起来，综合考虑进行研究和设计，给出了一种具体的控制系统方案。
1.1 参数测量和控制需求
两路应急供电系统的设计相对独立又保持一致，因此各工种在两路供电系统中所提的测量和控制条件均保持一致。应急电源中心仪控专业的设计任务来自于暖通、电气和给排水工种仪表检测和控制要求。测控参数按照安全分级[1]分为放化安全级、非安全级有特殊要求的物项和非安全级3类。
1）放化安全级参数检测控制要求
放化安全级参数包括两序列中的3个柴油发电机房温度（每序列），回风总管的温度（每序列），应急柴油发电机组和应急电源中心安全级控制系统之间的电气接口和安全级直接蒸发式空调机组与应急电源中心安全级控制系统的接口。
每序列中柴油发电机房温度需与屋顶风机联锁控制，回风总管的温度检测仪表由仪控专业选型，空调机组控制系统由厂家成套供货。仪表信号按照与厂家的接口要求，经安全级仪控桥架送往空调机组厂家的安全级控制系统，实现温度测点的监控及联锁控制后，再由其隔离分配出一路仪表信号送往应急电源中心的安全级控制系统显示。
2）非安全级有特殊要求的物项检测控制要求
非安全级有特殊要求的物项参数包括两序列的燃油储罐液位（每序列），送风总管温度（每序列）和新风总管的温度（每序列）。
每序列中，燃油储罐的液位检测仪表信号直接送往应急柴油发电机组的监控柜进行监控和报警；
检测仪表和控制系统箱分别随燃油储罐和柴油发电机厂家成套供货；
送风总管和新风总管温度检测仪表由仪控专业选型，仪表信号送往厂家的安全级空调机组控制系统进行温度的监控和运行模式的调节。
3）非安全级参数检测控制要求
非安全级参数包括储油间集水坑的液位（每序列），油发电机房温度（每序列）、空压机间温度（每序列）和消防设备间温度（每序列）。每序列中，储油间集水坑的液位检查信号除了监控要求外，还需与对应的潜污泵联锁控制。同理，柴油发电机房、空压机间和消防设备间温度检测信号除了监控要求外，分别需与对应的电暖风机联锁控制。
1.2 控制系统的总体结构研究和设计
根据上述对测点的安全分级和测控需求，本文的控制系统大致可以分成非安全级控制系统与安全级控制系统，两者之间存在部分的信号互送。该非安全级控制系统设置在应急电源中心内，通过交换机（或光交换机）与全厂DCS实现数据通信，完成正常工况下工艺过程参数的实时监控和管理。
安全级控制系统由两套安全级常规模拟仪表盘组成，用于实现两序列的非安全级有特殊要求和安全级物项测点的监控，保证在设计基准事故下工艺系统的安全停车及事故后安全重要参数的连续监控。为了实现各子项的监控参数的统一监控和操作，方便管理，应急电源中心的安全级控制系统的相关参数将接入某子项的非安全级DCS控制系统，在正常工况下实时监测安全级控制系统的仪表信号，同时也对电气设备运行状态信号予以监测。
在安全级控制系统中，把其工作状态置于“允许非安全级控制系统操作”时，通过非安全级控制系统进行安全级设备的手动控制。此时，安全级控制系统与非安全级控制系统的手动操作具有同等优先级。对于机房风机的联锁启停等自动控制逻辑，比手动控制具有更高优先级，且无论是否允许非安全级控制系统操作，自动逻辑均在安全级控制系统中实现，从而保证安全性。
应急电源中心的控制系统结构如图1。
图1 控制系统结构图Fig.1 Control system structure diagram
DCS作为一个系统，辅以其他计算机控制系统可以实现大型项目的监控，比较适合点数较多，操作要求集中的设计要求。而PLC控制系统则更像是一个小型装置，非常适合作为相对独立的辅助控制系统，其具有强大的通讯性能，各方面性能足以满足本工程的测控要求，并具有一定的扩展性。
该PLC控制系统包含中央处理器，主机架挂有电源模块、中央处理器和DP通讯模块（通过Modbus TCP协议与某子项进行通信），同时选用模拟量输入模块4个，模拟量输出模块1个，数字量输入模块2个，数字量输出模块1个，完成与现场各类非安全级仪表和设备的信号传输。厂房在正常运行期间柴油发电机组不启动，本厂房内平时无人值班，并不设有专门的仪控机柜间，因此机柜将布置在通信设备间内，同时为了巡检方便，在机柜上放置了一块触摸显示屏作为人机界面，触摸屏通过PROFIBUS DP协议与CPU通信。
应急电源中心的非安全级控制系统的结构如图2。
图2 非安全级控制系统结构图Fig.2 Structure of non-safety level control system
3.1 分析和选型
随着数字化控制系统的广泛应用，经过多年的实践验证与总结，在安全性和可靠性得到充分保障的情况下，安全级DCS控制系统已在核电厂应用十分广泛[3]。
在应急电源中心安全级控制系统的选择上，由于核燃料后处理项目的特殊性，仅能够选用国产安全级DCS系统。目前国产安全级DCS处于初步阶段，没有大规模的实际应用，同时核电和核化项目对于核安全的分级标准并不一致，对于工程来说其相关风险依然不可控[4]。同时，后处理工艺流程及安全分级与核电存在较大差别。从全球范围来看，在役的所有核化工项目均采用传统的常规模拟系统（以下简称常规模拟仪表盘）来实现安全级参数的监控，其在国内外核化工项目中已经有着较广泛的应用经验，技术上来说成熟可靠。相对于DCS来说，常规模拟仪表盘盘内的设计比较复杂，布置较为松散，对电路逻辑控制回路的设计理解能力要求较高。在应急电源中心，安全级控制系统与其他主工艺子项独立，规模较小，设计难度也相对小些，使用常规模拟仪表盘的方案非常适合。因此，将使用常规模拟仪表盘作为应急电源中心的安全级控制系统。
3.2 基于常规模拟仪表盘的控制系统的设计方法
常规模拟仪表盘的设计将满足遵循单一故障、独立性、冗余性等原则。常规模拟仪表盘设置硬接线的控制按钮和显示仪表，系统内部部件及其与安全相关系统和非安全系统之间在电气上和结构上都保持了彼此相互独立，满足了控制系统的独立性设计要求。设计过程同样需要满足实体分隔准则，例如布线和电缆通道满足最小分隔距离。为实现动力电缆和控制电缆的隔离，采用配电盘的方式，两种电缆分别布置于机柜两侧的走线槽中，保证了二者的安全距离，同时使用独立的电源柜供电方式予以实现动力电缆与仪表电缆的隔离[5]。对于仪表电缆和控制电缆的隔离，将通过独立的信号隔离器予以实现。
对于常规模拟仪表盘与非安全级DCS的数据通信接口，包括硬接线输入信号接口和硬接线输出信号。其中，硬接线信号分为模拟量信号和数字量信号。模拟量信号采用运算放大器设计隔离分配模块，可有效实现与现场传感器信号的隔离，而数字量信号则采用继电器进行隔离。
3.3 安全级控制系统的架构设计
考虑到应急电源中心平时无人值守的情况，安全级控制系统将放置在某厂房的控制室内，采用由符合相应安全等级的一次仪表、二次仪表、按钮、指示灯、报警器、隔离器及继电器等元件组成的常规控制方案构建，通过硬接线与某子项的非安全级DCS相接并实现光电信号的隔离，图3为应急电源中心的安全级控制系统的结构图。
图3 安全级控制系统结构图Fig.3 Structure diagram of safety level control system
3.3.1 测量逻辑的实现
现场仪表的信号通过隔离分配器输出两路信号，一路用于安全级控制系统内部使用，另一路再输出到非安全级控制系统，如图4。
图4 安全级信号隔离分配示意图Fig.4 Schematic diagram of safety level signal isolation and distribution
第一路供电系统的柴油发电机房温度的3个安全级仪表信号首先进入安全级机柜间1中安全级机柜中符合相应安全等级的“一入两出”信号隔离器（允许HART双向通过）隔离，两路输出信号一路送至某主控室安全级操作盘1的二次仪表（数显仪）显示，另一路送至机柜间内非安全级控制系统。为实现设备管理系统对安全级仪表和非安全级仪表的统一管理，HART协议又自非安全级控制系统引至设备管理系统。同理，另一路供电系统进入安全级机柜间2分配后，送往某子项应急监控室。安全级控制系统1和2的显示信号不互送，但在非安全级控制系统中可同时监视。
3.3.2 显示和控制逻辑的实现
图5是应急柴油发电机组的电气信号与应急电源中心控制系统信号互送的接口示意图。
图5 柴油发电机组与控制系统信号互送的接口示意图Fig.5 Interface diagram of signal transmission between diesel generator set and control system
应急柴油发电机组送往安全级控制系统的输入信号，分别通过硬接线的方式接入常规模拟仪表盘，通过指示灯实现信号的显示，而安全级控制系统送给柴油发电机组的输出信号则通过手动按钮实现操作。
每路供电系统中柴油发电机房温度的测点均设置为3个，且测量要求一致。考虑到暖通工种对仪表的冗余设置，因此仪控工种不再进行仪表的冗余设计。同时，两台安全级风机需要与发电机房温度实现联锁启停，以保证柴油机组启动时其在合适范围内。具体的联锁要求为：柴油发电机组运行时，当测点温度上升到24℃，启动风机1；
当温度高于27℃，则再启动风机2；
若温度低于18.5℃，首先停止风机2，风机1继续运行；
当温度低于15.5℃，则风机1也将停止运行。若柴油机停止运行，运行的风机延迟30min关闭。温度联锁控制两台风机时，考虑到两台风机并不是一备一用的关系，先要采用“三选二”优选模块进行逻辑判断，避免单一仪表故障时自动控制逻辑的漏触发和误触发。
图6示出了其中一路供电系统中带有自动控制功能的安全级风机的测控逻辑。
图6 安全级风机的联锁控制逻辑示意图Fig.6 Interlock control logic diagram of safety level fan
在数据采集部分选用3块拥有四通道数字量信号输出信号的数字指示调节器，分别接入3块安全级仪表信号，根据4个不同的温度设定值4个通道将分别输出信号，如图7。
图7 数据采集实现示意图Fig.7 Schematic diagram of data acquisition
其中，1～12分别表示调节器对应的输出通道。当柴油发电机房温度达到调节器的设定值时，相应通道输出常“1”信号。当温度大于24℃时，通道3、7和11输出信号“1”，否则输出信号“0”；
当温度到达27℃之后，4、8和12通道开始输出“1”信号。而当温度降到18.5℃时，通道2、6和10信号由“0”变为“1”，当温度继续降到15.5℃之后，通道2、6和10继续输出信号，而1、5和9通道开始输出信号“1”。调节器的输出信号通过搭建继电器回路，实现一入二出，继电器的两副触点均送往相应的“三选二”逻辑控制回路。不同于安全级DCS通过算法实现四选二或三选二逻辑，在安全级模拟仪表盘中只能通过搭建继电器的形式予以实现。考虑到每台风机同时只能接收启动和停机命令中的一种，所以在“三选二”逻辑控制回路中分别加入互锁信号，保证风机在收到启动命令的时候，停止风机的“三选二”逻辑控制回路处于断路状态，反之亦然，其控制逻辑电路如图8。
从图8中可以看出“三选二”逻辑控制回路保障了风机的正常联锁启停，避免了自动控制逻辑的漏触发和误触发。由于风机联锁启动的先决条件是柴油发电机组必须运行，在设计主控制回路的时候，通过搭建接收柴油发电机组的启动状态信号的继电器回路，把状态信号串入启动风机的主控制回路，再将启动命令送至风机的电控柜，完成风机的联锁启动。
图8 逻辑控制回路Fig.8 Logic control circuit
对于风机的联锁停机控制回路，一旦柴油发电机组停机之后，无论此时风机处于什么状态，在安全级控制系统收到柴油发电机组停机信号的30min后，风机将停止。与风机的启动控制回路相似，在设计安全级控制系统控制回路的时候，通过搭建接收柴油发电机组的停机状态信号的继电器回路，把状态信号串入停止风机的控制回路，再将停止命令送至风机的电控柜，完成风机的联锁停止。为了满足延时停机的要求，在搭建继电器回路的时候将选用电子时间继电器，通过旋转开关预设所需时间功能，达到30min延时停止风机的控制要求。控制风机的主回路如图9。
本文在控制系统的设计过程中充分考虑了模拟控制系统和数字控制系统各自的特点，根据PLC控制系统具有独立运算能力的特点以及常规模拟仪表盘自身的优势，将两者结合应用到某核化工电源中心控制系统的设计中，实现了参数测量显示、控制和逻辑运算以及信号隔离和二次分配的功能要求，保障了厂房在正常工况和事故工况后的运行。
图9 风机联锁控制主回路Fig.9 Fan interlocking control main circuit
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