核电站反应堆棒控棒位控制系统数字化软硬件设计及其可靠性研究

摘要

反应堆是一个核电站的核心装置。反应堆控制棒的控制与位置监测系统(简称为棒控/棒位系统)是反应堆功率控制的关键仪表与控制系统。
　　随着反应堆的仪表与控制系统朝着全数字化的方向发展，核电站仪表与控制系统，尤其是反应堆功率控制与保护系统数字化已成为必然趋势。秦山一期的反应堆棒控/棒位系统，作为70年代自行研制设计的、基于模拟技术的仪表与控制系统，由于受当时技术水平和设计经验的限制，经实际运行表明，其反应堆棒控/棒位控制装置存在着诸多不足。
　　本课题以秦山核电站一期300MW核反应堆棒控/棒位系统数字化改造为设计内容和研究对象，介绍了控制对象-反应堆功率控制的基本原理，对控制系统的功能、设计要求进行了分析和研究。为了克服反应堆功率控制系统存在的在实际运行过程中出现系统逻辑关系不易修改、系统运行状态不易复现等问题，在此次改造工程中提出了一种全新的、基于CPU冗余和网络冗余的数字化设计方案，开展控制系统的设计及设备研制工作，并完成了硬件系统的电气原理图和控制程序的设计、控制系统设备的研制与调试。本控制系统设计方案采用美国Rockwell公司的ControlLogix数字化控制器1756-L63为核心控制器，采用基于光纤和同轴电缆通信方式的ControlNet冗余网络星型拓扑结构，来实现整个系统逻辑功能的控制和参数测量。控制系统的功能控制柜由逻辑柜、电源柜、棒位处理柜三个部分组成。逻辑柜采用CPU冗余控制结构，其冗余CPU之间的无扰动切换能力，大大提高了系统的可靠性；各电源柜配置了独立的CPU用于产生精准的步进循环时序指令；棒位处理柜主要实现棒位检测与报警及葛雷码转换等功能。除此以外，还采用触摸屏作为人机交互界面和调试平台，通过触摸屏操作界面，为系统提供与运行有关的信息及系统初始化参数的预置，对控制棒驱动机构各电磁线圈的电流时序、棒位趋势图及故障报警等重要参数进行实时显示。
　　课题研究中，以控制系统可靠性理论为依据，着重研究了冗余控制系统可靠性问题，尤其是双机冗余控制系统的可靠性与可用性问题。对控制系统冗余设计与可靠性关系、控制系统可靠性与冗余度的关系以及控制系统冗余度的选择问题等也作了深入分析和探讨。
　　最后，对改造后的反应堆功率数字化冗余控制系统可靠性进行了全面的、详细研究，分别建立了反应堆冗余环节、棒控系统、棒位系统的可靠性模型，并相应地分析和计算出了可靠度和失效率等评价系统可靠性的主要指标。利用可靠性框图方法对国内商用反应堆功率数字化控制系统的可靠性进行建模、仿真分析与研究，对改造后的反应堆功率数字化控制系统做出可靠性预测和评估。
　　本研究课题成功地实现了控制反应堆功率的棒控/棒位系统数字化改造设计及其设备的研制，此次改造大大完善了棒控/棒位控制系统的逻辑控制、故障报警和棒位历史数据记录、在线监控、72小时棒动作波形记录以及在授予高级权限下关键参数的修改等系统功能，增强了系统的网络通信与监控能力、数字界面的人机交互能力，降低了维护成本和事故风险，提高了电站的安全可靠性和运行效率。该系统设计新颖，技术先进，符合领域发展要求，对核电站数字化仪表与控制系统的国产化、自主研发具有一定的借鉴意义。

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1 引 言

1.1 课题研究的背景

1.2 国内外核电站反应堆功率控制系统的研究现状

1.3 核电站反应堆功率控制系统数字化发展趋势

1.4 课题研究的主要内容和目标

2 秦山一期反应堆棒控棒位控制系统改造设计方案论证

2.1 改造设计要求

2.2 初步设计方案

2.3 设计方案比较

2.4 设计方案的优化

3 核电站反应堆棒控棒位数字化冗余控制系统设计

3.1 反应堆功率控制基本原理

3.2 反应堆功率控制过程与控制要求

3.3 反应堆棒控棒位数字化控制系统改造设计功能要求

3.4 冗余控制系统的一般原理

3.5 ControlLogix冗余控制系统原理与结构[24]

3.6 冗余控制系统的性能优化

3.7 反应堆棒控棒位数字化冗余控制系统硬件设计

3.8 反应堆棒控棒位数字化冗余控制系统软件设计

3.9 人机交互界面设计

3.10 改造前后棒控棒位系统的性能分析

3.11 本章小结

4 冗余控制系统可靠性的理论研究

4.1 国内外对控制系统可靠性的研究

4.2 控制系统可靠性研究趋势

4.3 一般控制系统可靠性问题

4.4 控制系统冗余设计与可靠性关系研究[70]

4.5 双机热备冗余控制系统的可靠性研究[71]-[77]

4.6 控制系统可靠性与冗余度的关系

4.7 控制系统冗余度的选择

4.8 本章小结

5 核电站反应堆棒控棒位数字化冗余控制系统可靠性研究

5.1反应堆棒控棒位数字化冗余控制系统结构

5.2 棒控系统冗余环节的可靠性框图

5.3 棒控系统冗余环节的可靠性指标计算(1) 模块单元的TMTBF及λ值

5.4 棒控系统冗余环节的可靠度及失效率仿真

5.5 棒控系统冗余环节的可用性分析

5.6 棒控系统的可靠性框图

5.7 棒控系统的可靠性指标计算与仿真(1) 棒控系统逻辑柜可靠度与失效率

5.8 棒位系统的可靠性框图

5.9 棒位系统的可靠性指标计算与仿真

5.10 本章小结

6 总 结

参考文献

攻读博士学位期间完成的主要工作

攻读博士学位期间发表的学术论文

附录1 秦山一期300MW反应堆棒控棒位控制系统数字化改造系统网络结构

附录2 A1组控制棒驱动机构线圈电流波形图(冷态)

附录3 控制棒组驱动机构线圈实测电流波形图(热态)

致谢