基于Alstom,P320平台的汽轮机STG主/辅控制器切换逻辑优化
时间：2023-01-25 10:45:04 来源：天一资源网 本文已影响 人 
张建华
（中核核电运行管理有限公司 维修二处，浙江 海盐 314300）
方家山核电工程包括两台百万千瓦机组，汽轮机采用法国Alstom公司生产的P320平台V2+版本的控制系统。该系统采用分布式过程控制和冗余的技术理念[1]，很好地满足了各项控制需求，具有较多的优点，例如标准模件冗余配置，根据实际汽机状态的自动控制、自启动和升负荷、自动速度控制、自动干扰处理等，代表了当今世界核电汽机控制的前沿水平。
该控制系统汽轮机调节相关的控制逻辑主要通过两个STG控制器实现。这两个STG控制器互为冗余，正常工况下机柜左侧的名为“Primary”的控制器处于主用，机柜右侧名为“Secondary”的控制器处于备用。当主控器出现硬件故障、网络故障或者其他外部条件触发控制器切换逻辑的时候，主控器会将控制权限无扰切换到辅控制器上，确保汽轮机的正常运行。
1.1 P320的结构
P320的结构如图1所示，主要包括负责通讯的CCL控制器，用于汽机保护的STP控制器，用于信号采集的I/O控制器，用于轮机调节的STG控制器，用于阀位控制的Vickers卡、转速采集卡，以及工程师站、操作员站和现场调节阀等[2]。图1中，工程师站、HMI以及打印机等设备通过Office网络连接，各个控制器间通过FIP8000网络连接，Office网络和FIP8000网络之间的通讯通过S8000网络传输。
图1 P320系统结构Fig.1 P320 System structure
1.2 汽机调节系统
汽机调节系统是汽轮机控制系统的重要组成部分。它工作的基本过程为：STG控制器将来自于现场的各项运行参数通过控制逻辑完成计算，将计算后的参数送入数字电液控制系统，由数字电液控制系统调节高、中压调节阀的开度，完成进入汽轮机蒸汽流量的调节[3]，从而完成汽轮机转速、功率、频率和压力等控制。同时实现机组的超速限制、超加速限制、负荷速降限制和蒸汽流量需求限制等，使机组安全和经济地运行于各种工况，满足供电频率和功率的要求[4]。
汽机调节系统结构如图2所示。
图2 汽机调节系统结构Fig.2 The structure of the turbine regulating system
1.3 FIP8000网络
FIP8000网络采用基于WorldFIP 标准的内部总线通信方式[5]，传输速度2.5Mbits/s，通过它实现STG控制器、STP控制器等的连接和相互间的通讯。FIP8000网络包括A网和B网，互为冗余，确保任意一路故障时各个控制器间依旧能够进行通讯和数据交换。
FIP8000网络与DCS的通信通过两台冗余网关完成，两者无主从之分，数据的发送和接收同时在两个网关上进行[6]。
FIP8000网络结构如图3所示[7]。
图3 FIP8000网络结构Fig.3 FIP8000 Network structure
1.4 STG控制器及切换逻辑
STG控制器为主/辅冗余的结构。出于机组稳定性考虑，STG控制器在切换和调节过程中应确保调节的连续性和稳定性。
P320系统通过VOS125快速双稳转换继电器，确保主/辅控制器的切换不会导致汽轮机监视功能和控制功能失效。
两台STG控制器均由两路独立的不间断电源供电，一路电源的失去或重新合闸不会干扰机组的正常运行。
STG主/辅控制器切换如图4所示。
图4 STG主控器正常工作及主辅切换示意图Fig.4 Schematic diagram of the normal operation of the STG main controller and the main-auxiliary switching
STG控制器切换逻辑的编写和修改在阿尔斯通自身开发的CCAD控制软件中进行。修改完成，编译无误后再将控制逻辑下装到STG控制器内部，完成控制器的各项控制、调节功能，其中也包括控制器间的切换功能。
主/辅控制器的切换逻辑中涉及的信号及状态见表1[8]。
表1 主/辅控制器涉及切换逻辑信号及状态Table 1 The main/auxiliary controller involves switching logic signals and states
在设计逻辑中，会引起STG主/辅控制器切换的信号根据优先级有如下4组：
1）PRIORITY SWITCH BY CV FAULT（阀 门 控 制输出指令故障），其触发信号包括STG控制器模拟量输出卡ALG392物理输出异常，或高、中压调阀反馈回路异常。
2）PRIORITY SWITCH BY HARD FAULT（L101C主控制器卡件故障），其触发信号包括L101C卡I/O卡件的保险熔断，数字量输出卡件MDL753异常，高、中压调阀模拟量输出回路异常。
3）PRIORITY SWITCH BY SYNCHRD FAULT（ 时钟故障），其触发信号为当前主时钟状态异常。
4）PRIORITY SWITCH BY FIP MEDIA FAULT（FIP8000网络内部总线故障），其触发信号为单路或者两路FIP8000网络状态异常。
主/辅控制器的切换流程如图5所示。正常情况下，4组信号的输出“AND”块输出端值均为0，送入同一个“OR”门后，输出端为0，根据切换逻辑，控制器保持不切换。当4组信号中任意一组出现故障，使得输出为1时，“OR”门输出端为1，控制器根据控制逻辑完成一次主/辅控制器间的切换。
图5 主/辅控制器切换流程Fig.5 Main/Secondary controller switching process
2.1 STG控制器频繁切换原因分析
在机组运行期间，维修人员发现STG主/辅控制器间存在频繁的切换，通过对STG切换逻辑的分析发现，在控制逻辑“1C（1L101C）”页面 FIP8000网络总线故障的“AND”块（图6第58块）中，存在用于表征主控制器至少一路FIP8000网络通讯故障的“1L101C_XA13”和用于表征辅控制器FIP8000网络通讯故障的“1L101C_XA14”两个信号。
当主控制器任意一路FIP8000网络上某个节点出现异常后，使该控制器FIP8000网络出现不稳定，触发“1L101C_XA13”信号，引起主/辅控制器间的切换。根据设计，当原先主控制器的FIP8000网络不稳定现象消失后，控制逻辑会自动将控制权限再次切回原先的主控制器。因此，当主控制器任意一路FIP8000网络状态频繁出现波动时，就会出现STG主/辅控制器频繁的切换现象。
按照要求，STG主/辅控制器均有冗余的FIP8000网络通讯网络来确保STG控制器和其他设备之间的通讯。当一路FIP8000网络通讯失去时，另一路通讯仍可以进行正常的信号交换。因此，处于主控状态的主控制器的任一路FIP8000网络异常时，STG控制器都不需要进行主/辅间的切换，而只需要给出一个报警，通知维修人员某路FIP8000网络信号存在缺陷进行消缺即可。只有当主控制器的两路FIP8000网络通讯同时失去时，才需要将控制功能切换到辅控制器上，否则就会出现上述主控制器某路FIP8000网络信号出现不稳定导致主/辅控制器间的频繁切换，使得汽轮机控制系统在DCS侧无法实现正常控制与显示，严重时发生汽轮机出现无故甩负荷、跳闸等现象，严重影响机组的安全稳定运行[9]，继而对反应堆的安全造成影响。
2.2 STG控制器切换逻辑优化
2.2.1 FIP8000网络单路故障引起的切换问题优化
根据上述分析可知，若想消除由FIP8000网络单路故障引起的主/辅控制器间频繁切换问题，只需将送入FIP8000网络总线故障“AND”块的“1L101C_XA13”和“1L101C_XA14”两个信号删除即可。
删除上述这两个信号后，“AND”块中相应的输入端1和输入端2无输入值，并且涉及到块中其余4个变量的重新连接，会导致变量错误。为保证该“AND”块输出正确，将该块原本连接“1L101C_XA13”和“1L101C_XA14”的输入端1和输入端2分别用正常工况下的常量1和0（输入端2取非后为1）替代，等同于将两个输入端删除。
修改后的切换逻辑如图6所示[10]。
为了能及时发现FIP800网络异常，在表征当前主STG控制器故障“CUR_CTRL_FLTS”（图7的60块）和表征辅STG控制器故障的“DUAL_CTRL_FLTS”（图7的61块）的 “RF”（单路FIP8000网络异常）输出端引出一个报警信号，当主/辅控制器的FIP8000网络单路故障时触发一个报警信号，用于提示维修人员及时干预。
同时为了避免FIP8000网络出现短时扰动时，频繁地触发报警信号，在上述两个“RF”后端分别引入“TON_W”延时开功能块，确保任意一个STG控制器任意一路FIP8000网络故障时能触发报警。
修改后的切换逻辑如图7所示。
图7 优化后的单路FIP故障引起报警逻辑Fig.7 Alarm logic caused by optimized single-channel FIP fault
2.2.2 FIP8000两路故障后STG控制器无法切换问题优化
在进行2.2.1节的逻辑优化，删除“1L101C_XA13”和“1L101C_XA14”信号后，FIP8000网络总线故障的“AND”块（图6第58块）输入端均为1，使得其输出常置1，即使主控制器的两路FIP8000网络同时故障，也不能触发STG主/辅控制器的切换，导致STG控制器正常的故障切换功能失效。因此，需进一步对STG主/辅控制器切换逻辑进行优化，使得主控制器两路FIP8000网络同时故障后，STG主/辅控制器可正常切换。
图6 单路FIP800故障引起的STG控制器频繁切换优化后逻辑Fig.6 Logic after optimization of frequent switching of STG controller caused by single-channel FIP800 fault
在主控制器“CUR_CTRL_FLTS”（控制器故障状态）块中，“GF”（主控制器FIP8000网络两路故障）的输出信号“1L101C_CR_FIP_FLT”在FIP8000网络正常的情况下输出为0，在FIP8000网络两路故障后置1，可以利用该信号作为触发STG主/辅控制器切换的条件。
在FIP8000网络内部总线故障的“AND”块中，增加一个输入端“IN7”并将“CUR_CTRL_FLTS”块的“GF”输出端信号“1L101C_CR_FIP_FLT”送入“IN7”，作为判断FIP8000网络总线状态的信号。当主控制器FIP8000网络故障后置1，触发STG主/辅控制器的切换；
当FIP8000网络任意一路或两路恢复正常后置0，实现STG主/辅控制器的正常切换。
优化后的STG控制器切换逻辑如图8所示。
图8 FIP8000网络总线故障增加触发及复位信号后逻辑Fig.8 Logic after FIP8000 network bus fault adds trigger and reset signal
方家山102大修期间，完成了上述STG主/辅控制器切换逻辑的优化。通过测试，验证了优化后STG主/辅控制器切换逻辑的可用性和控制功能的完整性。
3.1 单路FIP8000网络故障，主/辅控制器不切换测试
在机柜中，断开一路FIP8000通讯网络，通过工程师站CCAD软件在线观察FIP8000内部总线故障的“AND”块输出信号依旧保持为0，在工程师站“8 ARCHI”页面观察到STG控制器未进行主/辅切换，并在机柜确认实际STG控制器确实保持原状态未进行主/辅切换，查看P320系统工程师站报警日志，新增一组“FIP通讯故障”报警，满足切换逻辑修改后的要求。
3.2 两路FIP8000网络故障切换测试
在机柜中断开当前主控制器两路FIP8000网络信号，通过工程师站CCAD软件在线观察FIP8000网络内部总线故障的“AND”块输出信号由0变为1，且在工程师站“8 ARCHI”页面观察到STG控制器完成主/辅切换，在机柜确认实际STG控制器确实已经完成主/辅切换，工作状态正常。恢复F8000网络信号后输出信号恢复正常，系统工作正常。
3.3 主控制器卡件及时钟故障切换测试
为了测试逻辑优化后STG控制器控制功能的完整性，通过拆除主控制器端接线和主时钟信号通讯线的方式，模拟主控制器卡件故障和时钟故障。
通过工程师站CCAD软件在线观察“AND”块（图6第56块）输出端信号由0变为1，并在工程师站“8 ARCHI”页面观察到STG控制器完成主/辅切换，同时在机柜确认实际STG控制器确实已经完成主/辅切换，工作状态正常。分别恢复3组信号后，输出信号恢复正常，系统工作正常。
3.4 FIP8000网络总线故障恢复后，阀门控制输出指令故障切换测试
阀门控制输出指令故障的测试是确保FIP8000网络内部总线故障的“AND”块在STG主/辅控制器切换后能自动复位，使得“阀门控制输出指令故障”这个重要信号出现时能正常实现STG主/辅控制器切换。
首先进行3.3的操作，后断开主STG控制器背板卡槽的AGL392卡电源，在工程师站CCAD软件在线观察“阀门控制输出指令故障”的“AND”块输出信号由0变为1，并确认STG控制器完成主/辅切换，恢复AGL392卡件电源后，输出信号恢复正常，系统工作正常。
本文通过对STG控制器切换逻辑的分析研究，找出了正常运行期间STG主/辅控制器频繁切换的原因，并通过对STG控制器切换逻辑的优化，避免了设备的过度保护导致机组状态的不稳定。
从优化后的测试结果可知，在解决了STG主/辅控制器频繁切换问题的同时，没有对其他切换信号故障时的正常切换需求产生影响，确保了STG控制器其他功能完整性。
本次STG控制器切换逻辑的优化为其他同类型机组的类似问题提供了参考，具有较大的实际意义。同时在未来的工作中，随着机组设备的不断升级换代，将进一步研究时钟信号、S8000以太网信号等对于STG控制器切换的影响，找出相应的优化、改进方案，避免由于大量重复的、不必要的逻辑运算降低控制器的响应速度。
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