卜江涛

(上海核工程研究设计院有限公司， 上海 200233)

核电厂控制棒控制(简称棒控)系统用于实现对反应堆控制棒驱动机构的控制，是保证反应堆安全运行的重要设备[1]。棒控系统作为对发电可靠性要求较高的设备，其运行可靠性直接影响着核电厂的经济效益。

目前，国内棒控系统对驱动机构线圈的供电普遍采用模拟电路进行控制，使用大量的互补金属氧化物半导体(CMOS)分立元件，易出现元件故障率高、可靠性差、维护性差等问题。另一方面，三代非能动核电技术提出了数字化、负荷跟踪、调峰等各种需求，对电厂堆芯控制策略也需要进行调整优化，这对棒控系统提出了更多的功能要求。随着三代核电装机容量增大，控制棒数量也更多，但实际的设备可用布置空间却有所减少，对设备限制较大。

基于如上问题，如何实现棒控系统数字化设计，如何提高棒控设备的可靠性、可操作性、可扩展性，如何简化棒控设备结构使其满足空间限制的要求，是目前棒控系统设计亟需解决的问题[2-3]。

1 棒控系统简介

棒控系统是保证反应堆安全运行的重要设备，通过接收来自反应堆功率控制系统中控制棒移动的方向和速度信号进行自动调节，或者通过手动控制方式(提升或下插控制棒)来调节反应堆功率。正常工况下，可以通过调节控制棒位置实现反应堆的正常启停、调节功率以及维持堆芯在某给定功率运行；事故工况下，可以通过迅速向反应堆堆芯插入控制棒实现紧急停堆，从而实现对反应堆功率和功率分布的控制。

一般每束控制棒悬挂在环形的驱动杆下，驱动杆由驱动机构中的钩爪带动上下移动(见图1)。

图1 控制棒驱动机构动作示意图

驱动机构包括3个安装在压力壳外面的磁轭线圈，1个线圈激励1个安装在压力壳里面的磁极[4]。

2 国内现有棒控系统的设计

国内现有的棒控系统主要由逻辑柜、电源柜、主控室内的棒控指示箱及系统开关等构成。

逻辑柜的功能是在电厂启动、运行期间产生控制棒步进所需要的信号。电源柜由独立的电源设备单元组成，每个电源设备单元与1台控制棒驱动机构相连。每个电源设备单元包括：控制和调节送往驱动机构线圈电流的三相半波相控晶闸管电桥，作为逻辑部分和电源部分之间接口的晶闸管电桥控制电路。 晶闸管电桥及控制电路框图见图2，其中电流定值器、比较器、触发器、相同步变压器等都采用CMOS元件实现其功能。

图2 晶闸管电桥及控制电路框图

3 数字化棒控系统设计

3.1 功能要求分析和总体方案设计

为实现棒控系统的数字化设计，首先，要对其功能要求进行分析和功能划分，确定数字化控制的范围，并对数字化平台进行调研，寻找能满足要求的数字化平台；其次，研究线圈电流供电回路的改进电路，使其满足结构简单且可靠性高的特点，并最终确定总体设计方案。

一般棒控系统从功能上主要分为逻辑柜和电源柜2个部分。

3.1.1 逻辑柜

逻辑柜中主循环处理逻辑为：接收来自电厂控制系统和操纵员的控制命令，并将这些控制命令进行处理，按照控制要求向从动循环处理逻辑发送驱动机构移动所需的移动启动脉冲信号。这部分功能可采用数字化设备完成。

3.1.2 电源柜

电源柜实现的功能主要为：

(1) 从动循环处理逻辑：接收和处理来自主循环处理逻辑产生的移动启动脉冲信号，产生该子组或某棒束在要求方向上移动一步所需的要求时序信号。这部分功能可采用数字化设备完成。

(2) 线圈电流控制逻辑：实现线圈电流的闭环控制，对线圈电流信号进行处理和监测，以判断线圈电流控制逻辑或线圈电流供电回路故障情况，并采取相应的措施防止故障发生时控制棒落棒。这部分功能可采用数字化设备完成。

(3) 线圈电流供电回路：由专用的棒电源机组提供260 V、50 Hz的三相电源，经停堆断路器后送往三相半波相控晶闸管整流电路，整流后向不同的线圈提供脉动直流电流。这些功能可采用结构简单的电路实现。

3.2 逻辑柜软硬件设计

棒控系统属于电厂控制系统的一部分，采用集散控制系统(DCS)平台是目前核电厂控制系统的发展趋势，因此可基于DCS平台来设计棒控系统的逻辑柜。

3.2.1 硬件设计

逻辑柜内DCS硬件由电源模块、输入输出模块及控制器中央处理单元(CPU)构成。其中，电源模块和控制器CPU采用冗余配置以提升可靠性。表1为对各硬件的故障模式进行了分析汇总。

表1 逻辑柜设备故障模式分析及补偿措施设计

3.2.2 软件设计

逻辑柜软件功能实现过程中采用模块化设计，对功能进行梳理，形成功能上相对比较独立、接口相对简单的功能模块(见图3)。对功能模块库进行编程和测试，保证对功能需求的完全响应。

图3 控制逻辑软件功能模块流程简图

3.3 数字化电源柜设计

3.3.1 线圈电流控制回路的设计

线圈电流控制回路采用数字化设备可以避免不少模拟设备的缺点，但仍然存在不少难点：驱动机构动作过程比较复杂，要求控制装置提供的电流快、准、稳，暂无现成的数字化设备；线圈中时序电流故障模式识别、信号采集、故障判断难度较大；故障后采取应急措施，在很短的时间内重新保持控制棒较难；设备的电磁兼容性要求高。

针对以上难点，通过对已有成熟可靠的数字化设备进行调研和分析，并结合实际的特殊要求，确定采用现场可编程门阵列(FPGA)+数字信号处理(DSP)控制器，可实现相关功能。

基于FPGA+DSP控制器的全数字化棒控结构见图4。

1—控制模块；2—三相电压采集模块；3—线圈供电电路；4—外部接口模块；5—电流传感器；6—驱动脉冲放大模块；7—外部控制模块；8—存储模块。

图4 基于FPGA+DSP控制器的全数字化棒控结构示意图

在具体的软件设计过程中，采用FPGA完成以下功能：

(1) 外部接口信号处理。对来自逻辑处理控制器的移动命令的接收和识别，对逻辑柜发送的错误信号直接进行屏蔽，并发送紧急报警故障，避免误动作的发生。

(2) 利用运行速度快、定时精度高的FPGA控制器产生控制棒移动所需的时序电流要求信号。控制参数根据需求可调，具有很好的灵活性和适用性。

(3) 对供电回路和控制回路故障在线监测。通过高速采集信号的在线监测，判断线圈电流过高、钩爪线圈电流同时为零、电压缺项等故障，通过控制器内部监测程序判断控制器输入、输出、通信及处理故障。

(4) 同步触发晶闸管的导通。实现控制信号与三相电源的同步，并触发相应的晶闸管。

采用DSP完成以下功能：

(1) 线圈电流的PID闭环控制。对采集的线圈电流信号和要求的时序电流信号的偏差进行算法处理，并转换成对应晶闸管的导通角信号。

(2 )供电回路控制对象的线性化处理。对晶闸管导通角与对应线圈能形成的电流进行线性化处理，提高对线圈电流的控制精度。

(3) 对线圈电流进行分析，判断驱动机构动作是否正常。通过某算法对线圈电流波形上的凹坑进行监测，核实驱动机构关键动作点是否完成，从而确定下一个动作是否安全。

另外，还应考虑控制回路的紧急故障处理和电磁兼容性的要求，以保证控制棒运行的安全性和可靠性。

3.3.2 线圈供电回路的设计

每个驱动机构对应3个线圈：提升线圈、固定钩爪线圈、移动钩爪线圈。线圈的供电及线圈电流控制部分在电源柜中实现。根据线圈功能及供电要求的不同，电源柜分为移动柜和选择柜。选择柜向固定钩爪线圈和移动钩爪线圈提供供电回路及控制；移动柜向提升线圈提供供电回路及控制。

选择柜按其功能不同分为3个部分：上部为电源层，负责三相电源的输入以及控制电源的处理；中部包含1套线圈供电回路及线圈电流控制回路，用于向1个子组内4束棒的固定钩爪线圈供电；下部同样包含1套线圈供电回路及线圈电流控制回路，用于向1个子组内4束棒的移动钩爪线圈提供线圈电流及控制回路，线圈电流控制回路由FPGA+DSP控制器实现。

移动柜由2部分组成，上部为电源层，下部包含1套线圈供电回路及线圈电流控制回路，能同时向1个子组内4束棒的提升线圈提供线圈电流及控制。此外，不同时移动的子组还可共用该提升线圈供电及控制回路。共用提升线圈供电回路的子组通过控制晶闸管的通断来实现。

通过该配置可大大减少提升线圈供电及控制回路设备。以69束棒的AP1000棒控系统为例，采用该配置方式，只需要11个电源柜(2个移动柜及9个选择柜)。

3.4 人机接口设计

在人机接口设计方面，应以核电站人因工程设计准则为指导，结合实际驱动机构控制装置人机接口需求和现场实际运行经验反馈，按照不同的操作需求设置不同的操作界面，主要应包括：主控制界面、失步校正操作界面、参数设置界面、故障定位界面和试验界面等。

设计界面时应考虑操作所需信息的全面性、操作的合理性、防误操作功能等。在操作界面设置不同的操作权限，仅有对应权限的人员才能进行相应的操作，降低了由于不当人因操作而引起的意外故障。

4 结语

基于DCS平台，采用FPGA+DSP控制器数字化技术设计的数字化棒控系统，其逻辑柜采用DCS平台实现控制功能，电源柜中线圈电流控制部分通过几个模块(包括CPU)来实现，线圈电流供电回路采用一带四的控制方式。通过简化控制结构、利用数字化技术进行控制和监测，可大幅提高设备的利用率和可靠性，同时通过数字化的调试和监测方法，可降低维护和调试的难度。另外，通过合适的人机接口修改控制参数，可将其应用于各种功率等级的压水堆核电厂棒控系统。