★ 北京廣利核系統工程有限公司 胡光耀

關鍵詞：冷水機組；可靠性；平臺遷移；FirmSys；延時算法；功能適配

核級冷水機組是核電站電氣廠房冷水系統的核心設備，其任務是為核島內主控室空調、控制柜間通風等關鍵系統提供持續、穩定的冷凍水供應[1]。雖然冷水機組不直接承擔反應堆緊急停堆等安全功能，但作為重要的輔助支持系統，其運行穩定性直接關系到核電站整體運行的可靠性與安全性。

目前，國內外常規冷水機組普遍采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller， PLC）結合工業觸摸屏的控制方案[2]。PLC屬于非核級設備。

隨著我國“華龍一號”等三代核電技術對安全標準要求的進一步提高，根據核安全法規對物項的分級要求， 核級冷水機被劃分為安全2類， 其控制系統軟件的設計應滿足B類軟件的相關設計標準[3]。傳統PLC方案已無法滿足核級冷水機組的控制需求。因此，采用擁有完全自主知識產權、符合核安全級要求的數字化控制系統（Digital Control System， DCS）平臺成為必然選擇。核級DCS軟件算法與平臺特點緊密相關，與PLC程序中的算法功能存在較大差異。在進行PLC向DCS的國產化替代過程中，需要進行大量的算法適配分析和設計，以確保功能實現的正確性。

某核級冷水機組控制系統采用FirmSys[4]核級DCS平臺實現其控制功能。本文針對該系統從PLC向DCS平臺遷移過程中存在的ON延時算法缺失“已延時時間輸出”功能，機組無法實現聯鎖啟停和負荷平滑調節、ON延時算法不支持“延時時間動態調整”，壓縮機加減載動態調整無法實現的問題展開研究，并基于FirmSys平臺設計專用延時算法，以滿足冷水機組的控制要求。

1   延時功能設計關鍵問題

在核級冷水機組控制系統中，延時功能是保障設備安全啟停、穩定調節與可靠報警的核心邏輯基礎。該功能通過對時間參數的精準采集、實時計算與動態控制，為壓縮機、油泵等關鍵設備的運行流程提供了時序約束、條件判斷與延時輸出功能，保證了機組啟停、負荷調節與故障預警等動作嚴格遵循安全時序與工藝要求，有效避免了設備沖擊、運行波動與誤報警情況，從軟件層面全面提升了機組運行的安全性、穩定性和可控性。延時功能典型應用場景包括：

（1）設備順序啟停控制：在壓縮機與油泵的軟啟動/軟停止流程中，延時算法通過“開關量延時輸出”功能，按設定時序控制各設備啟停步驟的切換；同時，其通過“已延時時間輸出”功能提供當前累計延時數據，確保油泵預啟動、壓縮機延時啟停等連鎖邏輯精確執行，避免機械沖擊與運行風險。

（2）機組容量平滑調節：在壓縮機加載與減載過程中，延時算法依托“延時時間動態調整”功能，根據運行狀態適配加減載間隔；結合“已延時時間輸出”提供的實時累計時長，實現負荷的階梯式平穩調節，防止運行參數突變，保障機組穩定運行。

（3）運行預警與故障報警生成：延時算法通過“開關量延時輸出”功能對異常狀態進行延時判斷，過濾瞬時干擾，避免誤報；同時，其通過“已延時時間輸出”功能實時反饋異常持續時間，與設定閾值比對后準確觸發預警或故障信號，為系統安全保護提供可靠依據。

為了實現上述功能， DCS軟件延時算法需要具備以下功能：（1）開關量延時輸出；（2）已延時時間輸出；（3）延時時間動態調整。

某核級冷水機組控制系統的參考項目采用西門子S7-1200 PLC實現。其延時功能通過PLC的TON定時器實現。TON定時器功能塊與時序圖如圖1所示。其包含四個管腳： IN：觸發信號輸入；PT：預設延時值（單位：秒）；Q：延時到達輸出信號；ET：當前已延時時間值（單位：秒）。

其工作時序為： 當IN端輸入上升沿時， 定時器啟動， ET從0開始累加。只要IN保持為“1”， ET便持續增加；當ET達到PT值時（該值可通過組態實現動態調整）， Q輸出“1”，同時ET停止累加并保持等于PT。若在延時過程中IN變為“0”，則定時器立即復位，  Q輸出“0”， ET清零。

圖1 TON定時器功能塊與時序圖

2   基于FirmSys平臺算法的功能實現分析

2.1   FirmSys平臺ON延時算法功能分析

FirmSys平臺軟件算法主要應用于安全系統， 其采用簡單化設計，避免了多余功能帶來的故障風險，同時方便后期故障排查和修復。因此，與PLC軟件算法相比， FirmSys平臺中的部分算法功能相對較為獨立、簡單。

FirmSys平臺提供的標準ON延時算法與時序圖如圖2所示。該算法包含三個管腳： x：觸發信號輸入；T：預設延時時間（T管腳被隱藏）；y：延時到達輸出信號。ON延時算法的運算周期單位為ms，輸出時間單位為s，算法計時上限為10000s。

該算法基本時序與西門子S7-1200 PLC TON算法的開關量延時輸出功能類似： x端輸入上升沿時，啟動延時， 延時T時間后若x仍為“1”， 則y輸出“1”；x變為“0”則立即復位。但是，該ON延時算法不具備輸出“已延時時間輸出”的功能。

圖2 ON延時算法與時序圖

此外， FirmSys平臺軟件算法實現時， 為提升圖紙的簡潔性和可讀性， 采用隱藏算法參數管腳的策略，其設定值（Set Point， SP）通過清單配置為算法參數賦值。設定值為預設的固定值，無法在運行過程中根據外部輸入進行動態調整。因此，針對冷水機組壓縮機加減載控制中“脈沖時間”和“脈沖間隔時間”需要根據運行工況動態調整的需求，該ON延時算法也無法實現“延時時間動態調整”的控制需求。

2.2   解決方案設計

綜上分析，基于現有的FirmSys平臺軟件算法特點，僅通過單一的ON延時算法無法同時實現“開關量延時輸出”“已延時時間輸出”“延時時間動態調整”三項功能。針對該問題，雖可通過定制開發全新的延時功能算法以滿足冷水機組控制系統的需求，但新開發的算法需要經過嚴謹的開發、測試、驗證流程，在一定程度將增加工程實施成本。同時，該全新復雜算法缺少工程應用的實踐驗證，易引入潛在缺陷。

因此，本文基于FirmSys平臺現有軟件算法，采用組合邏輯設計的方式，實現滿足冷水機組需求的延時算法功能設計。

2.2.1   已延時時間輸出

為實現已延時時間的計算和輸出，可以在原ON延時算法基礎上，增加額外的計時算法，當ON延時算法開始計算時，計時算法同步計時并輸出計時結果。

FirmSys平臺算法庫中的TCM計時器算法具備累加計時功能。TCM計時器如圖3所示：x1為計時輸入信號，x2為復位信號，y輸出當前計時值。其特點是x1為“1”時，啟動計時；x1為“0”時，計時暫停，計時時間停止在原位；待輸入端x1再次為“1”時，在原計時基礎上累積計時；x2輸入上升沿時，計時器復位。 TCM計時器的運算周期單位為ms，輸出時間單位為s，計時器計時上限為1×107s。

圖3 TCM計時器

TCM的x1和x2通過一個IN信號輸入，并且x1輸入端和x2復位端互鎖，可實現： IN=1時計時， IN=0時立即復位。這與西門子S7-1200 PLC中TON定時器ET的計算效果相似。

基于FirmSys平臺ON延時算法和TCM計時器算法的組合邏輯設計方案如圖4所示，邏輯配置如下：

（1）輸入同步： 同一個輸入信號IN同時接入ON延時算法的x端和TCM計時器算法的x1端。

（2）復位控制： IN信號取反接入TCM的x2端，實現IN下降沿復位。

（3）輸出合成： ON延時算法的y端作為最終的延時輸出信號。

（4）時間切換：使用模擬量切換算法，實現已延時時間的記錄和輸出。當ON延時未完成（y=0）時，輸出TCM的當前計時值；當ON延時完成（y=1）時，將輸出切換為預設的延時時間T， 實現ET達到PT后保持的效果。

圖4 組合邏輯設計方案

經過理論分析，組合邏輯時序如圖5所示。該組合邏輯的時序與圖1所示的西門子TON定時器時序完全一致。

圖5 組合邏輯時序

2.2.2   延時時間動態調整

根據FirmSys平臺算法機制，算法的延時參數可通過“算法名稱_參數名”與SP清單中的設定值參數進行自動關聯匹配。基于該機制，可以在軟件邏輯中對因工況變化計算輸出的時間變量進行數據類型轉換，并通過變量命名的方式將其與延時算法的參數相關聯，從而實現由動態延時變量向延時算法的自動賦值。

延時時間動態調整設計方案如圖6所示，具體如下：

（1）信號生成：產生需要動態設置的延時時間值，該值是一個模擬量信號（real_signal類型）。

（2）信號拆分：使用AS_TO算法，將real_signal信號拆解為數值部分（real類型）和質量位部分。

（3）信號命名：將數值部分信號的名稱，設置為與ON延時算法T參數的“連接變量”（即“算法名稱_ T”）完全一致。

（4）清單調整：在SP清單中，移除原先用于靜態設置T參數的“算法名稱_T”參數變量。

圖6 延時時間動態調整設計方案

3   延時算法實現方案驗證

3.1   已延時時間輸出驗證

在FirmSys組態軟件中，根據圖5所示的設計方案搭建典型的測試邏輯，對組合邏輯功能進行仿真。試驗設置不同的預設延時時間T（5s、15s、30s），每組測試重復20次，結果如表1所示。

表1 組合邏輯方案試驗結果

測試結果表明，該組合邏輯在所有測試案例下均表現正確，其輸入輸出結果與西門子TON定時器完全等效，成功解決了當前時間記錄的功能需求。參考機組最大定時時間為7200s，均包絡在ON延時算法和TCM計時器的能力范圍內。該方案已成功應用于某核電冷水機組項目，并順利通過了工廠測試、現場聯調及熱態功能試驗，運行穩定可靠。

3.2   延時時間動態調整驗證

根據圖8所示的設計方案，搭建測試邏輯驗證延時動態調整功能。在仿真環境中，修改“動態預設延時時間”對應的時間設置值（5s、15s、30s），并記錄輸出結果。動態時間調整方案的試驗結果如表2所示。

表2 動態時間調整方案試驗結果

驗證結果表明， ON延時算法能夠準確地按照動態設置的新時間值進行延時，輸出響應正確。

4   結論

核級冷水機組的順序控制、容量平滑調節及可靠報警生成等功能，高度依賴延時算法所提供的“開關量延時輸出”“已延時時間輸出”和“延時時間動態調整”三大核心能力。為解決FirmSys平臺標準算法功能無法直接適配上述延時算法功能需求的問題，本研究采用組合邏輯算法的設計策略，通過ON延時算法、TCM計時器、模擬量切換算法的組合邏輯設計，成功實現了開關量延時和已延時時間的準確計算與輸出。同時，本研究結合FirmSys平臺的參數關聯機制，通過變量與參數相關聯的方式，實現了延時設定值的在線動態調整。

仿真測試與工程應用結果表明，組合邏輯方案在測試案例中表現正確、穩定可靠，完全滿足了核級冷水機組的控制要求，并已成功通過現場驗證。本研究有效解決了特定工程中的技術問題，同時也為其他核級DCS平臺上實現復雜功能邏輯提供了可借鑒的設計思路，對完善關鍵控制系統國產化替代過程中的功能適配與可靠性優化具有積極的參考價值。AP

作者簡介：

胡光耀（1989-），男，湖北人，工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核安全級儀控系統設計方面的工作。

參考文獻：

[1] 孫蘭飛, 趙曉, 劉占盛, 等. 華龍一號核級水冷式冷水機組的鑒定[J]. 暖通空調, 2020, (S2) : 170- 172.

[2] 師鐸, 陸廣華, 孫松麗, 等. 基于S7-200PLC與MCGS的螺桿式冷水機組控制系統[J]. 機電工程, 2016, (12) : 1523 - 1528.

[3] NB/T 20055-2011, 核電廠安全重要儀表和控制系統執行B類和C類功能的計算機軟件[S]．

[4] 張弋. "華龍一號" 核電技術自主化DCS設計與實現[J]. 自動化儀表, 2021 : 46 - 51.

摘自《自動化博覽》2026年6月刊