仿制设备在秦山核电厂全范围模拟机上的开发与应用

【摘 要】本文对秦山核电厂全范围模拟机的概况与盘装设备分类、控制信号类型进行了简述，就目前模拟机盘装设备出现的问题进行分析汇总，针对盘装设备存在的问题探索解决途径，研发仿制设备。并就仿制手操器如何达到预期目标做了详细方案，对研发过程与结果进行了全面解析，阐明了仿制设备的便利与优点。

【关键词】全范围模拟机；仿制手操器；控制模块；光电传感器

【Abstract】This paper briefly presents the general situation of full-scope simulators for Qinshan Nuclear Power Plant， a classification of panel mounted equipment， and the categories of control signal. In addition， the author focuses on researching and developing a simulated equipment after sufficiently analyzing and summarizing the panel mounted equipment past issues. It also contains a credible plan， which explains how to achieve anticipated goal of the simulated manual-control instrument in detail. After comprehensively analyzing the research process and results， the convenience and advantages of the simulated equipment are demonstrated in the meanwhile.

【Key words】Full-scope simulators；Simulated manual-control instrument；CMOD（control module）；Photoelectric sensor

0 概述

秦山核電厂全范围模拟机建造于1995年，由珠海亚洲仿真技术有限公司与秦山核电站合作共同研制。作为中国大陆第一台全范围核电仿真机，荣获当年全国十大科技成就奖，建成后一直用于核电站操纵员的培训和取照考试。模拟机考试是主控室候选操纵员或候选高级操纵员发放核电厂反应堆操纵员或高级操纵员执照的必要条件之一，另外法规还规定已获得核电站反应堆操纵员执照的主控室操纵员（包括高级操纵员），每年必须经过至少两周的全范围培训模拟机的复训。

核电厂全范围模拟机是1：1模拟参考机组控制室环境的设施，包括总体外观、平面布置、照明特性、通讯连络设施、办公设施、各种操作台盘、控制台和操作站以及参考机组正常运行操作和故障处理所必需的控制、仪表、报警和其他人机界面。

1 全范围模拟机盘装设备简介

秦山核电厂全范围模拟机盘装设备硬件设备主要由仪表、开关、按钮、指示灯及报警设备构成，整体布置与电厂主控室完全一致，具有与实际设备相同外形和功能。但是模拟机与主控制室信号的来源不同，使得二者的仪表设备也存在差异。

1）盘台仪表主要分成常规仪表、改装仪表以及特种仪表；

2）开关从外形上分为转换开关、钥匙开关；从功能上分为自保持与自复位两种；

3）按钮分为带灯按钮与不带灯按钮。

4）指示灯外观各有不同，颜色主要分为红、绿、白三种，表示设备处于何种状态。

5）报警设备包括报警光字牌与报警音箱、警铃。

2 仿制设备研究背景

秦山核电厂模拟机上用的盘装设备除部分随模拟机改造更新外，大多从1995年开始使用至今，随着使用年限的增长，故障率已明显提高，同时精度、灵敏度等参数与原标准差异大的问题。由于设备老旧、厂家转型、采购费用高等因素的制约造成有些已经不符合运行要求的设备也只能带病工作。

目前秦山核电厂全范围模拟机的盘装硬件设备现存的主要问题归纳为如下几点：

1）设备陈旧，价格高

秦山核电厂全范围模拟机始建于1995年，经过30多年的运行。随着电子设备科技日新月异的发展，一些老旧落后的设备已被市场逐渐淘汰，原有厂家也已转型不再生产同类型产品，造成设备采购困难，即使有些厂家为客户需要保留此产品的流水线也因销量有限导致价格昂贵，采购成本大幅上升。

2）设备结构复杂，维修不便

为与电厂保持一致性，模拟机盘装设备与电厂采购的是同型号的产品。实际应用中，电厂主控室的采集信号与模拟机的不同，为保障电厂的安全运行，一个设备须同时有几路信号接入或者一个信号供几个设备，而模拟机采用的是一一对应的单个信号，复杂的结构对模拟机而言带来的只有维修的不便与故障率的增加。

3）进口设备采购周期长

模拟机的盘装设备很多为进口设备，由电厂统一采购。进口设备不仅价格高且受到各种不确定因素影响，造成设备采购周期长，无明确的到货时间，增加了采购难度。尤其是价值高无备件的设备，如果出现故障，零配件国内市场没有通用件可替代，此类设备一般在整个模拟机系统运行中有着不可或缺的重要地位，直接对操纵员培训带来严重影响。

4）二次改造增加使用成本

模拟机的特殊性使得原厂采购的某些产品由于接口信号与电源等级的不匹配，不能直接适用于模拟机，为适应模拟机的运行要求需对原产品进行改造，为此不仅增加了设备使用成本同时也降低了设备的使用寿命。

3 仿制设备研究目标与方法

为解决以上各项问题，研发仿制设备作为模拟机盘装设备的替代是便利有效的途径。手操器为盘装设备的显示操作仪表，操纵员在培训过程中使用频率高且最为重要的设备之一。其整体构造分为垂直显示与手动操作两部分，因使用频繁导致故障率高，且价格昂贵、采购周期长等因素造成该设备备件短缺。通过对国内电子产品市场与仪表厂家生产技术的调研、分析，认为仿制此设备无论从价值还是技术上均具备高度可行性，并对仿制设备需达到的目标与具体方案进行全面探索。

1）人机界面的一致性

保证模拟机与主控室人机界面一致性是仿制设备的必要条件，利用报废仪表外壳进行改造保证了手操器在颜色与外型与原表一致，不仅降低生产成本同时避免废弃物对环境的污染。

2）增强耐用性

手操器的按钮与操纵拨杆为使用频率高的易损部件，在仿制时需考虑此类部件的强度加固，并在组装后进行操作频度测试，降低此类易损部件的故障。

3）控制部件模块化

原手操器与主控室完全一致，在设计上考虑更多的是电厂的安全性。线路板上的所有元器件与接线直接相连，如某一元器件故障就会导致整个设备无法使用且维修费用极高。经过维修后的设备使用寿命也无法保障，有些仅使用不常时间就再次出现故障。仿制设备仅在模拟机上使用不涉及电厂安全的因素，因此在设计时就考虑简便性，采用将线路板模块化，通过接插件形式与所控制的设备相连，当某一元器件出现故障时仅更换相应的线路板就能解决问题，简化设备维修过程。

4）关注人因工程

人因工程是以人为核心因素，考虑人、机总体性能的优化，以提高人的工作绩效，防止人的失误。仿制仪表在发光源的亮度上需做重点考虑，比如与环境的亮度对比，对眼睛刺激性程度是否干扰操纵员判断等因素；仪表的操作手感、精度、指针平滑度等尽量考虑与原表保持一致，实现人、机之间的最佳匹配，使操纵员能有效、安全、健康和舒适的进行模拟机教学培训，真正做到“以人为本”。

5）创新思路

电子产品的快速更新，为仿制设备的研发提供了多种方式。原手操器的调节采用四位波段开关，当手操拨杆移至波盘四个位置中的某一个位置时此点就导通，作为手动调节的关键，因使用频率高，波盘接触面磨损快导致此部件故障频发。若按原设计方式单独加工此部件不仅价格昂贵且质量也无法保证，经过多次探讨与研究，决定考虑以光电传感器代替四位波段开关。

4 研究过程与结果

手操器分为垂直显示单元与自动/手动操作单元两部分。显示单元由一设定拨盘及设定值指示，一个偏差值指示；一个远方输入指示，255PH-ECEP则有一个远方/本地状态切换开关，二个LED报警指示灯。自动/手动操作单元由一块回路输出表、二个自复按钮、四个LED灯和一个4位置的手操拨动开关组成。其中回路输出表用于指示回路输出，按钮用于手动/自动切换，红、绿LED灯用于指示自动、手动状态，二个黄色LED灯用于报警指示，手操拨段开关用于快增、慢增、慢减、快减操作输出。

手操器的交换信号分为四类：模拟量输入AI、模拟量输出AO、数字量输入DI、数字量输出DO。

模拟量输出信号AO： 0～10VDC电压信号，用于驱动手操器的垂直显示与回路输出指示。

模拟量输入信号AI： 0～10VDC电压信号，调节手操器的设定值。

开关量输出信号DO：集电极开路的OC门输出信号，OC门输出为低电位时，表示正逻辑的“0”，若点灯，灯亮；OC门输出为高电位时，表示正逻辑的“1”，可使灯灭，用于手操器的自动、手动状态与报警指示。

开关量输入信号DI：干接点输入信号，所有开关、按钮的闭合和断开，对应于“真（TRUE）”和“假（FALSE）”，用于手动/自动按钮及波段开关的四位输出。

a）垂直显示单元

此部分的研发考虑利用原有的外壳，内部电路和机械结构从以下相对独立的部分着手，即为：

指示部分的动圈仪表：采用磁电式仪表，为提高仪表的稳定性在仪表内框上绕上Ф0.2X16圈铜丝用于增加动圈的阻尼。

拨盘设定部分：当拨盘从0位到100%位拨动时，有一个0～10VDC的输出.同时给偏差值指示（红针）一个相反等值的直流电源.

LED指示灯报警部分：当仪表±15VDC接通后，二个LED灯微亮，表示仪表电源正常，仪表处于正常工作状态；当仪表LED灯显示明亮时，表示显示值高、低位报警。

b）电源部分

电源是保证设备安全稳定运行的核心，采用±15VDC供电。电源部分考虑按原产品电路图设计，在仪表组装完成进行测试时，因电源正负极反接造成仪表损坏，此问题现使用仪表也存在。为解决设备安全隐患，对电源部分的设计进行改进，增加反接保护，如若正负极接反，自保护启动，仪表拒动。

仿制设备电源设计考虑了过压保护、过流保护和反接保护，本保护为自恢复形式，具体电路原理如下图所示：

图1

电路参数为：室温下直流超过18V开始过压保护，电流超过0.6A开始保护，电源反接直接保护。

c）手动/自动按钮，LED指示灯部分

此部分采用接插件方式和主线路板连接，方便更换和调试，解决了因设备一体化带来的此部件故障后只能整体报废的弊病。设备测试过程中发现因加工的支撑杆与支撑孔因间隙过大，造成按钮与指示灯部分容易松脱，需重新加工支撑杆，增大两端截面积，减小二者的装配间隙以保证设备安装的牢固度，具体电路原理图如下：

d）手动输出操作部分

采用槽型光電传感器代替原来的波段开关。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号，光电传感器由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器发出红外光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离只有几厘米，无实际接触，反映灵敏，性能稳定，操作器手感良好。

4 总结

仿制手操器经过前期的市场调研、多次讨论，认为完全具备可实施性。从图纸设计，零部件开模、模块测试、单机调试，与模拟机联调成功后正式投入使用共耗时近一年，在此过程中形成的测试记录与经验积累为以后模拟机盘装设备的更新替代与研制开发提供了依据。盘装设备的仿制不仅能降低生产成本为公司带来经济效益同时还有利于提高技术人员的创新能力。

【参考文献】

[1]EJ/T 1043—2004，核电厂操纵人员的执照考核标准[S].

[2]NB/T 20015-2010，核电厂操纵人员培训及考试用模拟机[S].

[3]中国核工业集团公司核电培训教材，CP300全范围模拟机管理.

[责任编辑：朱丽娜]

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