田灣核電三號(hào)機(jī)組是哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的1000MW汽輪機(jī)，對(duì)汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)(ETS)有著最高等級(jí)的安全、精度和控制速度要求，例如要求系統(tǒng)控制周期在20ms以內(nèi)等。Woodward Inc.公司的三冗余控制系統(tǒng)Micronet TMR以高可靠性的三模版冗余結(jié)構(gòu)、高達(dá)5ms的控制速度和確定性的控制周期滿足此項(xiàng)目的嚴(yán)格要求。

本文介紹了Micronet TMR系統(tǒng)在田灣核電三號(hào)機(jī)組ETS的應(yīng)用，特別是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理、特點(diǎn)等。

ETS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ETS系統(tǒng)主要由Micronet TMR控制器和Micronet Safety Module(以下簡稱MSM)組成。Micronet TMR是三模版冗余控制器，主要負(fù)責(zé)機(jī)組各種保護(hù)信號(hào)的處理和機(jī)組在線試驗(yàn)等。

MSM控制器是三模板冗余結(jié)構(gòu)的機(jī)組超速保護(hù)控制器，負(fù)責(zé)機(jī)組的超速保護(hù)。Micronet TMR與MSM直接通過硬件線和通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和協(xié)調(diào)， 構(gòu)成統(tǒng)一的整體。ETS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 ETS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)特點(diǎn)

1.徹底的三冗余結(jié)構(gòu)

通常說起控制系統(tǒng)的冗余，例如三冗余，往往指CPU的三冗余。實(shí)際上，控制系統(tǒng)的冗余分多個(gè)層次，例如輸入方面， 包括傳感器信號(hào)、輸入通道、輸入模板、和CPU等。同理，輸出方面也包括CPU、輸出通道、輸出模板、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

這些環(huán)節(jié)和控制對(duì)象一起組成控制回路，如果任何一個(gè)環(huán)節(jié)不是冗余結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)就存在單點(diǎn)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)并不是真正的三冗余架構(gòu)。在英文中，三冗余控制器也稱為TMR ， 是Triple Module Redundancy的縮寫， 也就是三模板冗余的意思，表示不僅CPU，包括模板等部件也需要是三冗余結(jié)構(gòu)。可見，真正的三冗余控制系統(tǒng)并不是單指CPU的冗余，而指的是控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都是三冗余配置。

Micronet TMR和MSM控制器就是采用這種真正三冗余結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。以ETS的冷凝器真空低信號(hào)PS-LV1為例， Micronet通過專用的分配端子將此信號(hào)分成三路，分別送到三個(gè)輸入通道， 而這三個(gè)輸入通道分別位于三個(gè)不同的模板， 每個(gè)模板將信號(hào)分別送給三個(gè)CPU。

可以看出，在輸入通道的所有環(huán)節(jié)，都是三冗余結(jié)構(gòu)，任何環(huán)節(jié)故障均不影響系統(tǒng)工作。同樣道理，所有的輸出環(huán)節(jié)也是三冗余配置。

Micronet TMR的CPU表決方面同樣是徹底的三冗余結(jié)構(gòu)。Micronet TMR的三個(gè)獨(dú)立控制核心運(yùn)行同樣的控制程序， 獨(dú)立進(jìn)行三取二表決運(yùn)算。同時(shí)， 三個(gè)控制核心并不是孤立的，它們通過專門的數(shù)據(jù)總線對(duì)所有的輸入輸出信息進(jìn)行交換，每一個(gè)CPU都可以得到另外CPU的輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行表決后再送回給其它CPU進(jìn)行二次表決。這樣，任何數(shù)據(jù)值或數(shù)據(jù)通道損壞都不影響數(shù)據(jù)進(jìn)行三取二表決。CPU表決如圖2所示。

圖2 CPU表決示意圖

2.快速而確定性的控制周期

Micronet TMR系統(tǒng)不僅速度快，控制周期最快可達(dá)5毫秒，而且更重要的是控制周期的穩(wěn)定性，也就是說，Micronet TMR的控制周期是確定性的， 英文中稱為“Deterministic”

在Micronet TMR的控制器的底層采用VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。VxWorks與Micronet TMR上層應(yīng)用程序GAP(Graphical Application Program)相結(jié)合，采用速率組”Rate Group”方式，把控制任務(wù)分成預(yù)先確定的時(shí)間片，保證每個(gè)時(shí)間片都能穩(wěn)定地按預(yù)定的計(jì)劃確定地執(zhí)行。

同時(shí)，關(guān)鍵的控制回路的速率組可達(dá)5毫秒，這樣，不僅保證的控制器的快速響應(yīng)，而且保證了整個(gè)控制程序的時(shí)序是預(yù)先確定的，即在任何工控不會(huì)出現(xiàn)CPU負(fù)荷大小的變化，更不會(huì)出現(xiàn)控制器在某些工控超負(fù)荷的情況。Micronet TMR控制任務(wù)時(shí)序分配如圖3所示。

圖3 Micronet控制任務(wù)時(shí)序

3.可靠的繼電器表決結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的冗余控制系統(tǒng)往往重視CPU的冗余，忽略執(zhí)行機(jī)構(gòu)。但是ETS中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，特別是輸出的最后一個(gè)環(huán)節(jié)繼電器的冗余配置對(duì)機(jī)組的安全起著關(guān)鍵的作用。

Micronet系統(tǒng)的繼電器輸出通道也采用徹底的三冗余結(jié)構(gòu)，每個(gè)CPU的表決指令分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)繼電器，所以，Micronet的每個(gè)開關(guān)量輸出通道實(shí)際上都由六個(gè)繼電器以及相關(guān)的輔助檢測(cè)電路構(gòu)成，如圖4所示。這樣的設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了繼電器環(huán)節(jié)的三取二表決，而且通過輔助電路，實(shí)現(xiàn)了繼電器的工作狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)和熱替換。

圖4 繼電器輸出配置

4.停機(jī)電磁閥表決結(jié)構(gòu)

ETS停機(jī)電磁閥的布置采用哈爾濱汽輪機(jī)廠傳統(tǒng)的”兩或一與”結(jié)構(gòu)， 停機(jī)電磁閥的布置如圖5所示。這樣的電磁閥布置實(shí)現(xiàn)了停機(jī)電磁閥的冗余，即電磁閥SV-1和SV-3任何一個(gè)動(dòng)作，同時(shí)SV-2和SV-4的任何一個(gè)動(dòng)作，機(jī)組都可以停機(jī)。同時(shí)，四個(gè)電磁閥中任何一個(gè)電磁誤動(dòng)或拒動(dòng)，都不會(huì)造成機(jī)組停

這樣配置的另外一個(gè)功能是實(shí)現(xiàn)了在線電磁閥試驗(yàn)以及在線更換電磁閥。ETS系統(tǒng)具有在線通道和在線電磁閥測(cè)試功能，還包括真空和軸承油壓低等在線試驗(yàn)功能。

圖5 停機(jī)電磁閥的配置

結(jié)論

田灣核電三號(hào)機(jī)組采用Micronet TMR系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了包括從輸入信號(hào)、通道、模板、CPU到、輸出通道、模板和繼電器等多環(huán)節(jié)的真正三冗余結(jié)構(gòu)，同時(shí)滿足了項(xiàng)目對(duì)快速控制周期和控制穩(wěn)定性的要求。

本文編自《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“三冗余控制器在核電汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用”，作者為金洪偉、代波濤 等。