功能模塊的設(shè)計與應(yīng)用研究

王 釗

(深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

功能模塊最初應(yīng)用于火電和化工行業(yè)設(shè)計，隨著其廣泛應(yīng)用，國際上也開始出現(xiàn)相應(yīng)的法規(guī)標準。最早的標準是IEC 60617 -12 -1997［1］，它對基本功能模塊(black functional blocks，BFB)的設(shè)計和使用有了一定的要求，避免了功能模塊在使用上的混亂。而基于此標準，中國也發(fā)布了相應(yīng)標準GB 4728.12.2008《二進制邏輯元件》［2］。功能模塊作為圖符工具也同樣遵循GB 16901. 1 - 2008《技術(shù)文件圖形符號表示規(guī)則》［3］和GB 20063.6 -2006《簡圖用圖形符號 第6 部分測量與控制功能》［4］。隨著核電的快速發(fā)展，功能模塊也應(yīng)用到了核電行業(yè)，而相關(guān)法規(guī)標準也在對應(yīng)使用。

功能模塊屬于圖符工具，每個模塊都有定義的功能。功能模塊可以分成基本功能模塊以及廣義的專用功能模塊。基本功能模塊指的就是“與”、“或”和“非”等模塊。這些模塊的功能是普遍通用的，而且無論是在早期還是現(xiàn)階段，其功能沒有變化，只是后續(xù)在數(shù)量上有所增加，功能也更全面。相關(guān)的法規(guī)標準也主要針對這種基本功能模塊。廣義的專用功能模塊就有所不同，不同的設(shè)計者在設(shè)計時會定義一些專用的模塊，這些模塊的功能不是通用的。這部分在法規(guī)標準上就沒有太多的規(guī)范和要求，但設(shè)計者會有專門的文件定義這些模塊的功能。

隨著核電技術(shù)的發(fā)展，功能模塊的使用也慢慢有了變化?；竟δ苣K沒有太大變化，只是新增了一些基本功能模塊，而廣義的專用功能模塊有了很大的變化。本文即針對廣義專用模塊進行深入研究和介紹，并介紹了本人設(shè)計的廣義專用模塊。

1 功能模塊的應(yīng)用

1.1 功能模塊的設(shè)計目的

功能模塊設(shè)計的目的是為了將核電廠常用的功能邏輯進行模塊化，減少設(shè)計過程中的設(shè)計錯誤，增加圖紙的可讀性。通過功能模塊的設(shè)計，也使得核電廠工作人員對現(xiàn)場設(shè)備的類型、控制方式有更清晰的認識。同時，邏輯模塊化更有利于保護核心技術(shù)。

1.2 CPR1000 功能模塊的應(yīng)用

二代核電技術(shù)早期核電廠的控制邏輯圖使用的功能模塊主要是最簡單的基本功能模塊，包括與模塊、或模塊、非模塊、延時模塊以及RS 觸發(fā)器模塊。這幾個模塊屬于功能模塊，每個模塊實際是有對應(yīng)邏輯的。而其他模塊只是簡單的圖形模塊，沒有特定功能，包括報警模塊、執(zhí)行機構(gòu)模塊以及傳感器模塊等。這些模塊都是按照相關(guān)法規(guī)和標準設(shè)計的。

后續(xù)核電廠所使用的數(shù)字化控制系統(tǒng)，在控制邏輯圖的繪制上差別不大。但是DCS 供貨商在設(shè)計數(shù)字化控制系統(tǒng)時使用的組態(tài)圖，大量使用了功能模塊和專用驅(qū)動功能模塊。

基本功能模塊供貨商仍然按照IEC 60617 -12 -1997［1］的要求設(shè)計。但是專用驅(qū)動功能模塊的千差萬別給功能模塊的發(fā)展帶來很大影響。在三代核電技術(shù)上，DCS 供貨商進一步完善了這些功能模塊。

CPR1000 項目DCS 供貨商雖然有變化，但是，其控制邏輯圖與之前并沒有太大的變化;基本功能模塊保持不變，只是圖形模塊增加信息輸入功能，可以輸入一些必要的信息，便于后續(xù)信息的導(dǎo)出和統(tǒng)計。

1.3 EPR 項目功能模塊的應(yīng)用

EPR 技術(shù)作為AREVA 力推的核電三代技術(shù)，在功能模塊的設(shè)計上確實是目前世界上最領(lǐng)先的。在西門子早期組態(tài)圖的設(shè)計上就使用了基本功能模塊配以帶有內(nèi)部邏輯的驅(qū)動塊，而后在EPR 的設(shè)計上更是完善了整個功能模塊的設(shè)計。雖然AREVA 在專用驅(qū)動模塊設(shè)計上也沒有相關(guān)法規(guī)標準要求，但是AREVA會出版相關(guān)的文件對這些模塊進行說明和規(guī)范。

1.3.1 EPR 項目基本功能模塊設(shè)計

EPR 項目的基本功能模塊BFB 總共有65 個，包括15 個數(shù)字量的模塊和50 個模擬量的模塊。數(shù)字量模塊輸入和輸出的都是數(shù)字量信號，而模擬量模塊輸入的是模擬量信號，輸出的則可以是數(shù)字量或者模擬量。AREVA 在設(shè)計時詳細地定義了每一個模塊的圖符、功能、輸入和輸出，部分基本功能塊還定義了參數(shù)，通過對參數(shù)的修改來改變其功能。

1.3.2 EPR 項目專用驅(qū)動功能模塊設(shè)計

EPR 項目的驅(qū)動功能模塊稱為Macros，根據(jù)設(shè)計階段和分工不同，又分為工藝功能模塊和儀控功能模塊。因為儀控功能模塊主要用于DCS 組態(tài)階段的設(shè)計，所以在此主要介紹工藝功能模塊。

EPR 項目的工藝功能模塊主要分為14 大類，每一類都針對不同的設(shè)備，主要包括電動閥、氣動閥、調(diào)節(jié)閥、加熱器、電機類設(shè)備以及儀表等設(shè)備，如表1所示。

每一類設(shè)備又根據(jù)不同需求而分為不同的MACRO，比如AM 模塊就根據(jù)接收的信號不同分為AM_CV(電流和電壓)和AM_TM(溫度測量)，圖符如圖1 所示。

表1 EPR 項目的專用驅(qū)動模塊Tab. 1 The dedicated drive blocks in EPR project

圖1 AM 模塊圖符Fig.1 Symbol of AM block

EPR 項目中，詳細定義了每個工藝功能模塊的功能、輸入、輸出以及參數(shù)，并給出了簡易的邏輯。以電動閥MOV 模塊為例(圖符如圖2 所示)，其功能主要是管理電動閥門，通過獲得控制命令、反饋信號以及動力電、控制電喪失等信號來提供開關(guān)控制命令給閥門，或者提供閥門開關(guān)狀態(tài)給人機界面或者其他控制。所以MOV 的主要輸入是開關(guān)命令、手自動模式以及控制電失去信號和動力電失去信號，這幾類輸入對于電動閥來說可以滿足所有輸入要求。而輸出主要是開關(guān)狀態(tài)和手自動模式狀態(tài)。這些輸入輸出都有確定而且唯一的縮寫，針對各個功能塊都適用。

圖2 MOV 模塊圖符Fig.2 Symbol of MOV block

參數(shù)設(shè)置相對基本功能模塊內(nèi)容較多也很全面，既有設(shè)備主要信息也有設(shè)計要求。例如MOV 的主要參數(shù)就有安全等級、地震等級、是否有應(yīng)急供電、是否要求嚴重事故供電、開關(guān)優(yōu)先位置、PICS 或者SICS 顯示等這類設(shè)計要求，也有閥門開關(guān)時間、力矩延時時間等這類設(shè)備信息。這些參數(shù)都會對閥門的設(shè)計和控制產(chǎn)生影響，所以大部分參數(shù)都需要仔細填寫。

功能模塊最核心的內(nèi)容還是內(nèi)部邏輯，這些內(nèi)部邏輯的設(shè)計需要在明確設(shè)備需求，完整地定義輸入、輸出和參數(shù)以后才能完成。MOV 功能模塊的內(nèi)部邏輯，主要分成開命令、關(guān)命令和控制模式3 大塊。每一塊都有明確的輸入和輸出和相應(yīng)邏輯，但是對于開、關(guān)命令各自的優(yōu)選邏輯并沒有完全體現(xiàn)，而只是明確了各命令的優(yōu)先級，具體邏輯處于黑匣子中。所以優(yōu)選邏輯作為模塊設(shè)計的核心內(nèi)容并沒有在EPR 相關(guān)文件中有所體現(xiàn)，相應(yīng)的報警邏輯的設(shè)計也是如此。AREVA 充分利用功能模塊設(shè)計來保護核心技術(shù)與知識產(chǎn)權(quán)。

2 功能模塊的設(shè)計

2.1 功能模塊的設(shè)計現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)關(guān)于功能模塊的設(shè)計還比較落后，各家核電設(shè)計院都沒有比較完整的功能模塊的設(shè)計，CPR1000 項目只有常規(guī)島部分邏輯圖設(shè)計有使用專門的專用驅(qū)動功能模塊。基于國內(nèi)目前功能模塊的應(yīng)用現(xiàn)狀，國內(nèi)核電設(shè)計院有必要對功能模塊進行更深入的研究?；谇捌趯τ诠δ苣K的了解和研究，本人也參與了部分功能模塊的設(shè)計。

2.2 基本功能模塊設(shè)計

基本功能的設(shè)計相對簡單，主要工作是梳理出控制邏輯圖中使用的基本功能模塊。在參考CPR1000、EPR 和AP1000 的基本功能模塊使用情況，并遵循IEC 60617 -12 -1997［1］和標準GB 4728.12.2008《二進制邏輯元件》［2］后，整理出文件《儀控基本功能單元》。此文件共包含基本功能模塊62 個，并按照輸入為模擬量和數(shù)字量進行分類，每個模塊都按照GB 16901.1 -2008《技 術(shù) 文 件 圖 形 符 號 表 示 規(guī) 則》［3］和 GB 20063.6 -2006《簡圖用圖形符號 第6 部分測量與控制功能》［4］要求來規(guī)范圖形符號并包含名稱、圖標、功能描述、輸入輸出和參數(shù)等內(nèi)容。此文件整理出的基本功能模塊是整個功能模塊設(shè)計的基礎(chǔ)。

2.3 優(yōu)選模塊的設(shè)計

在EPR 項目的專用驅(qū)動功能模塊中，優(yōu)選模塊是黑匣子設(shè)計，非設(shè)計人員無法知曉內(nèi)部邏輯，而優(yōu)選邏輯也是整個功能模塊設(shè)計的基礎(chǔ)和難點。在參考CPR1000 和EPR 優(yōu)選設(shè)計的情況下，確定了信號的優(yōu)先級，如表2 所示。根據(jù)確定的優(yōu)先級關(guān)系，高優(yōu)先級命令閉鎖低優(yōu)先級命令，再加上手自動命令，就形成了優(yōu)先級管理模塊。這個模塊適用于任何一個專用驅(qū)動功能模塊，模塊沒有的控制命令引腳只需空著即可。

表2 信號優(yōu)先級Tab. 2 Priorities of signals

2.4 報警模塊的設(shè)計

在EPR 項目的專用驅(qū)動功能模塊中，報警模塊同樣也是黑匣子設(shè)計。在設(shè)計時需要確定哪些情況需要報警，產(chǎn)生報警的邏輯是什么。經(jīng)過討論，確定開啟超時故障、關(guān)閉超時故障、雙1 故障、雙0 故障、開關(guān)盤故障、綜合故障、開啟響應(yīng)故障、關(guān)閉響應(yīng)故障、運行故障/緊急停、運行故障/緊急開啟、保護關(guān)命令、保護開命令、其他故障等報警信息。這些報警的產(chǎn)生都由相應(yīng)的命令與反饋經(jīng)過一定的邏輯所產(chǎn)生，每一個報警確定了含義，邏輯也就自然產(chǎn)生。這些報警邏輯組合在一起就形成了報警模塊。報警模塊也是一個通用模塊，無需專用驅(qū)動功能模塊即可使用。

2.5 專用驅(qū)動功能模塊的設(shè)計

專用驅(qū)動功能模塊的設(shè)計是在優(yōu)選模塊和報警模塊的基礎(chǔ)上完成的，在開發(fā)每一類專用驅(qū)動功能模塊之前，必須清楚專用控制模塊的功能需求，這是專用控制模塊設(shè)計最核心的設(shè)計輸入。定義各類專用控制模塊的功能需求的過程就是對已有核電廠設(shè)計的積累和總結(jié)的過程，分析和歸納各類執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、控制器的特點和控制要求。以電動閥MOV 模塊為例，輸入主要是開關(guān)命令和模式選擇信號，輸出主要是閥門狀態(tài)和模式狀態(tài)。參數(shù)包括閥門的開關(guān)時間、開關(guān)命令的優(yōu)先級和安全位置等，這是完成MOV 模塊邏輯的前提。

3 后續(xù)專用功能模塊設(shè)計的思考

目前國內(nèi)的控制邏輯圖的設(shè)計上很少使用專用驅(qū)動功能模塊，只有少數(shù)用于常規(guī)島控制邏輯圖設(shè)計中的執(zhí)行器?；趪鴥?nèi)目前專用控制模塊的應(yīng)用現(xiàn)狀，更深入地開發(fā)和研究十分必要，而且功能模塊的研發(fā)必須考慮與DCS 平臺的兼容。目前國內(nèi)DCS 廠家的強勢發(fā)展，為國內(nèi)設(shè)計院和國內(nèi)DCS 供貨商的合作創(chuàng)造了非常好的條件。

4 結(jié)束語

功能模塊的應(yīng)用是核電廠儀控設(shè)計長期積累的必然結(jié)果，也是大勢所趨。在當今世界三代核電技術(shù)都使用功能模塊的情況下，國內(nèi)核電設(shè)計也應(yīng)積極考慮功能模塊的應(yīng)用，在滿足相應(yīng)標準和法規(guī)的要求情況下，深入研究，多使用功能塊設(shè)計，既可以減少不必要的工作量，也可以做到核心技術(shù)的保護。同時，針對國內(nèi)在功能模塊法規(guī)標準上的欠缺，也可以深入研究，保證功能模塊使用的規(guī)范化和統(tǒng)一性。

［1］國際電工委員會.IEC 60617-12-1997 二進制邏輯單元［S］.1997.

［2］ 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 4728.12.2008 二進制邏輯元件［S］.2008.

［3］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 16901.1 -2008 技術(shù)文件圖形符號表示規(guī)則［S］.2008.

［4］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 20063.6 -2006 簡圖用圖形符號 第6 部分測量與控制功能［S］.2006.