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摘 要：核电汽轮机控制系统和保护系统是核电站重要的控制设备之一，了解和熟悉控制系统对于保证机组安全平稳运行至关重要的。阳江核电六台机汽轮机控制系统采用德国西门子公司的T2000+PCS7系统，该系统在国内核电站半速机上属首次应用。文章结合阳江核电的实际应用情况，全面介绍了系统的架构，并对其优缺点进行了分析。阳江核电1号机组的成功商运表明，该系统功能强大，运行稳定，能够满足核电站对安全型和可靠性的要求。
关键词：核电站；汽机控制系统；T2000；PCS7；控制器；故障安全
中图分类号：TN914 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）21-0036-03
阳江核电站位于广东省阳江核电基地，是我国目前在建的最大核电项目。项目采用中广核集团具有自主品牌的中国改进型压水堆核电技术路线CPR1000+，建设6台百万千瓦级别的压水堆核电机组。1号机组已经已于2014年3月25日成功投入商业运行。
阳江核电常规岛的汽轮机组是由上海电气总包，并且和德国西门子公司共同生产和供货，机组的额定功率为1 086 MW、转速为1 500 r/min、反动式、一高压缸、两低压缸、单轴、一次中间再热，两缸四排汽的凝汽式汽轮机。汽轮机的控制系统采用的是西门子公司提供的T 2000+PCS7数字化汽机控制和保护系统。西门子系统经过不断的发展和升版，T 2000+PCS7系统设计理念已经非常成熟，硬件设备可靠性非常高，TEC4组态非常方便，已经广泛用于世界各地的机组。在国内，同样的设计架构有台山核电的DCS系统，但是在国内核电的汽轮机控制方面还是首次。
1 系统构成
阳江核电TCS系统由6个控制柜、2对控制服务器柜及1对电源柜组成。
6个控制器中，GRE001AR属于GRE汽轮机控制系统，主要负责汽轮机的控制及现场I/O信号的处理与运算如转速、功率信号采集，用来保护汽轮机的精确控制，比如汽机冲转、并网、带负荷等。
GSE001AR及GSE002AR为汽轮机的保护和跳机控制柜，柜内主要是汽机保护功能的控制卡件（分为常规控制卡件和故障安全型控制卡件）、及硬回路超速保护、及部分顺控逻辑信号，可完成汽机的所有保护及跳机功能。
GME001AR机柜，主要用于汽轮机的振动、轴位移、胀差等信号的采集、及转换，但是不参与控制，用于信号的转换和中转。
KCP901AR机柜为汽轮机的辅机系统做准备，此机柜主要用于控制汽机辅机的所有系统，比如EH油系统、润滑油系统、疏水阀门等系统，并且含承担GRE系统送过来的信号转换。
KCP903AR机柜，用于MSR汽水分离再热的控制，这个系统在核电厂的简写为GSS，主要是用于加热从高压缸出来的乏汽，并且控制其出口温度。
KCP905AR机柜，主要用于发电机辅助系统的控制。
GRE002/003AR两个服务器柜，分别是T2000系统的A/B两列，每列大部分设备属于冗余配置，主要是T2000服务器计算机、DCS通讯的网关、时钟同步器、工程师站等设备。
GRE010AR，是一个由交换机、2台操作终端、工程师站客户端组成的操作台，有利于操作员监视和操作汽机设备、查看历史趋势，有利于现场调试的各种工作的配合。其结构，如图1所示。
2 网络系统构成及特点
西门子T2000+PCS7系统由三层网络组成，即零层网为现场控制网、一层为Plantbus总线网、二层为Terminalbus总线网络构成。
第零层网络为现场控制网，主要使用的是PROFIBUS总线技术，传输速率为12 MB/s，采用屏蔽双绞线（A类电缆）作为PROFIBUS传输介质，它传输的信号是RS485信号，具有实时性、同步性、可靠性等特点。该层网络主要用来连接控制器CPU与各个输入输出卡件时间的数据通信，从而实现控制器与各个I/O卡件之间的数据双向交换。控制器CPU与各个控制卡件之间的通信都是冗余的回路来实现的，一路为主一路为从配置。其结构，如图2所示。
西门子的T2000+PCS7系统一层为plantbus总线，采用是西门子公司开发的H1总线，传输速率为100 MB/s，一层plantbus总线网络主要用于连接所有的控制器、PU/SU服务器、工程师站、主时钟、一层通信站等设备，也称为AS620系统，该层网络主要实现汽机的就地控制、以及与DCS的通信，他们通信协议为Modbus TCP/IP。
二层网络是基于工业以太网的TCP/IP协议的网络，连接工程师站、TEC4服务器、XU通信网关、PU/SU、操作员站终端等设备，二层网络主要是实现工程组态和人机接口，主要软件为OM650系统。其结构，如图3所示。
3 主要的硬件架构
TCS系统的主要硬件包括各类控制器、各种功能卡件及西门子的T2000服务器，下面以各个系统的特性对硬件进行介绍。
3.1 GRE系统
GRE属于汽机的控制系统，其中硬件包括快速采集I/O卡件AddFEM、快速闭环运算CPU FM458、常规S7-CPU414 PG等硬件；AddFEM卡件是多功能的采集卡件：①12通道数字量输入；②8通道模拟量输出，4-20 mA；③12通道模拟量输入，4-20 mA，+/-30 mA；④可任意设置3 通道脉冲量输入；⑤16通道数字量输入；⑥冗余的Profibus DP 接口，支持12 M/S通信速率；⑦完善的自诊断功能。其结构，如图4所示。
3.2 GSE系统
GSE系统为汽机的保护系统，也包括西门子的S7-400的CPU，采集卡分为故障安全型卡和非故障安全型卡，因此它的内部逻辑分为T2000部分和PCS7部分，并且GSE还包含硬超速回路。其结构，如图5所示。
3.3 TCS与DCS之间的通讯网关CM104及XU
西门子控制系统T2000与非安全级DCS通讯采用的是两块互为冗余的两块CM104通讯网关及两台XU计算机，DCS与TCS之间的通讯分为Level1及Level2，CM104用于Level1的通讯，主要用于传送控制信号及画面的显示，使用的Modbus TCP/IP协议，由于使用这种协议，因此它们之间的通讯不带时间标签，时间由各自的网关进行标定，因此这些信号的时间标签是有误差的；Level2的通讯采用西门子公司的生产的两台XU计算机来进行DCS与TCS系统之间的数据交换，采用的TCP/IP协议，主要是TCS送给DCS系统的实时的数据，用于DCS系统历史趋势及日志查询。LEVEL1采用两对冗余CM104通讯网关进行实时传送数据，达6000多个信号；Level2采用的是一对并行的XU计算机通讯网关进行实时的数据传输，多达2500多个信号。
3.4 西门子T2000系统S7-400 CPU
阳江核电站汽机的控制系统的CPU使用的是西门子S7-400 PG型号CPU，总共5对CPU，每对CPU都是冗余配置，该类控制器广泛的用于电厂的汽机控制系统，如上海外高桥等电厂，CPU通过Profibus总线与下面的控制卡件相连接，又通过CP443-1与西门子的工厂总线进行数据交换。其结构，如图6所示。
3.5 西门子T2000的校时系统
西门子汽机T2000控制系统设置了一套对时装置：一台DTS4801主时钟，两台DTS4130时间服务器，DTS4801以NTP的方式获取DTV（全厂主时钟系统）送过来的时间报文，然后又以NTP的形式往T2000系统发送时间报文。其结构，如图7所示。
在正常情况下，DTS4801主时钟获取DTV的时钟报文，然后发送给DTS4130时间服务器，再发送给T2000控制系统。间服务器DTS4130接收主时钟DTS4801的时间报文，然后DTS4130时间服务器是以广播的形式往T2000发送时钟报文，如果DTS4801主时钟出现跳变的话，DTS4130主时钟有两种响应方式，一种是立刻响应；一种慢慢靠近，而不跳变，慢慢同步。这两种方式通过DTS4130时间服务器里进行设置。
3.6 西门子T2000系统的服务器
与其他厂家的控制系统相比，西门子的汽机控制系统具有自己的优势。TCS的控制柜里包含了工程师站ES680、组态服务器TEC4 SERVER、过程处理及历史服务器PU/SU，及GRE的服务器PG。整个TCS控制系统，还包含两台操作员站OT。TEC4 SERVER 计算机主要用于汽机所有逻辑的组态，安装有专门的组态软件；ES680属于工程师站，用于汽机逻辑的编译和下装，并且对TCS整个系统进行管理，使用的是Saloris系统。两台操作员站，在平时由于汽机接受DCS系统控制，因此操作员站仅仅作为监视，当DCS与TCS通讯网关出现问题时，OT操作员站可以接管汽机的控制。
4 汽机GRE主要的控制
4.1 汽机的转速控制功能
西门子汽机的转速控制功能包含两部分：转速控制来控制汽轮机的转速升降，其中包括：转速给定、转速的升速率限制、临界转速识别、超速试验等；转速控制来控制汽轮机的功率，转速控制来控制功率是通过不等率来实现，阳江核电的转速不等率为5%，通过转速与实际功率的转换从而来实现功率的控制，如在厂用电的情况下，阳江核电的汽机是通过转速来控制汽轮机功率，转速控制和负荷控制可以无扰的切换。
4.2 汽机的负荷控制功能
汽机负荷控制包含汽机并网并带上最小负荷、负荷设定值、最大负荷计算、升负荷速率及负荷的正常调节。西门子汽机的控制系统对负荷的控制只有自动控制模式而没有手动控制一说。
在此模式下，汽机的功率设定值减去功率实际值、加入一次调频分量，经过PID计算后用于计算总蒸汽需求量，总蒸汽需求量受到蒸汽流量限制、主汽压力限制，形成有效的蒸汽流量需求。有效蒸汽需求用于计算阀位、阀门开启速度等，直至负荷升到目标负荷。
4.3 蒸汽流量限制及主蒸汽压力限制
当汽机在负荷控制模式时，蒸汽流量自动设定在最大值105%，操作员可以根据机组的运行情况在主控室修改蒸汽流量的限值，该限制限值了最大的蒸汽流量。蒸汽流量限制与主汽压力限制值较小者，便为负荷控制回路的功率上限值。
压力控制模式目的是用来限制汽机进气压力的方式来限制蒸汽流量，从而达到汽机功率的限制。压力控制模式也可以由反应堆发出的一个逻辑信号启动，以防止反应堆超功率。
4.4 一键启机控制逻辑的实现
在自启动系统的作用下，汽轮机能够安全的，在一个合适的时间启动。这符合电厂可能的最短启动时间和高可用性的经济要求。汽轮机控制系统的任务就是使汽轮机和所有需要启动的辅助系统达到安全，可靠地从停机状态转换到发电运行状态。
为了使汽轮机在最短的时间内并且经济效益最高的情况下尽快启动，西门子设计了一键启机的逻辑，整个汽机启机使用西门子的顺控逻辑，从盘车状态冲转、暖机、过共振区、同期转速，并网、带上最小负荷都是在这个顺控里一步一步走完，启机顺控总共35步。
5 结 语
本文详细地介绍了西门子汽机控制系统T2000+PCS7的硬件配置及控制功能，该系统硬件设计紧凑、安全可靠、独特的冗余模式提高了机组的保护系统的可靠性。软件组态方面功能强大，操作简单，在机组正常带负荷试验中（超速试验、ATT阀门试验、甩负荷、跳机试验等）均表现优良，满足核电安全性和可靠性。本文充分介绍了西门子汽机在核电中使用的一些先进的设计理念，如一键启机等，对同类型的机组设计、运行等具有广泛的借鉴意义。
参考文献：
[1] 赵先国，张敏.ALSTOM汽机控制系统在岭澳二期核电站的应用[J].自 动化仪表，2013，（2）.