★ 北京广利核系统工程有限公司 胡光耀

关键词：冷水机组；可靠性；平台迁移；FirmSys；延时算法；功能适配

核级冷水机组是核电站电气厂房冷水系统的核心设备，其任务是为核岛内主控室空调、控制柜间通风等关键系统提供持续、稳定的冷冻水供应[1]。虽然冷水机组不直接承担反应堆紧急停堆等安全功能，但作为重要的辅助支持系统，其运行稳定性直接关系到核电站整体运行的可靠性与安全性。

目前，国内外常规冷水机组普遍采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller， PLC）结合工业触摸屏的控制方案[2]。PLC属于非核级设备。

随着我国“华龙一号”等三代核电技术对安全标准要求的进一步提高，根据核安全法规对物项的分级要求， 核级冷水机被划分为安全2类， 其控制系统软件的设计应满足B类软件的相关设计标准[3]。传统PLC方案已无法满足核级冷水机组的控制需求。因此，采用拥有完全自主知识产权、符合核安全级要求的数字化控制系统（Digital Control System， DCS）平台成为必然选择。核级DCS软件算法与平台特点紧密相关，与PLC程序中的算法功能存在较大差异。在进行PLC向DCS的国产化替代过程中，需要进行大量的算法适配分析和设计，以确保功能实现的正确性。

某核级冷水机组控制系统采用FirmSys[4]核级DCS平台实现其控制功能。本文针对该系统从PLC向DCS平台迁移过程中存在的ON延时算法缺失“已延时时间输出”功能，机组无法实现联锁启停和负荷平滑调节、ON延时算法不支持“延时时间动态调整”，压缩机加减载动态调整无法实现的问题展开研究，并基于FirmSys平台设计专用延时算法，以满足冷水机组的控制要求。

1   延时功能设计关键问题

在核级冷水机组控制系统中，延时功能是保障设备安全启停、稳定调节与可靠报警的核心逻辑基础。该功能通过对时间参数的精准采集、实时计算与动态控制，为压缩机、油泵等关键设备的运行流程提供了时序约束、条件判断与延时输出功能，保证了机组启停、负荷调节与故障预警等动作严格遵循安全时序与工艺要求，有效避免了设备冲击、运行波动与误报警情况，从软件层面全面提升了机组运行的安全性、稳定性和可控性。延时功能典型应用场景包括：

（1）设备顺序启停控制：在压缩机与油泵的软启动/软停止流程中，延时算法通过“开关量延时输出”功能，按设定时序控制各设备启停步骤的切换；同时，其通过“已延时时间输出”功能提供当前累计延时数据，确保油泵预启动、压缩机延时启停等连锁逻辑精确执行，避免机械冲击与运行风险。

（2）机组容量平滑调节：在压缩机加载与减载过程中，延时算法依托“延时时间动态调整”功能，根据运行状态适配加减载间隔；结合“已延时时间输出”提供的实时累计时长，实现负荷的阶梯式平稳调节，防止运行参数突变，保障机组稳定运行。

（3）运行预警与故障报警生成：延时算法通过“开关量延时输出”功能对异常状态进行延时判断，过滤瞬时干扰，避免误报；同时，其通过“已延时时间输出”功能实时反馈异常持续时间，与设定阈值比对后准确触发预警或故障信号，为系统安全保护提供可靠依据。

为了实现上述功能， DCS软件延时算法需要具备以下功能：（1）开关量延时输出；（2）已延时时间输出；（3）延时时间动态调整。

某核级冷水机组控制系统的参考项目采用西门子S7-1200 PLC实现。其延时功能通过PLC的TON定时器实现。TON定时器功能块与时序图如图1所示。其包含四个管脚： IN：触发信号输入；PT：预设延时值（单位：秒）；Q：延时到达输出信号；ET：当前已延时时间值（单位：秒）。

其工作时序为： 当IN端输入上升沿时， 定时器启动， ET从0开始累加。只要IN保持为“1”， ET便持续增加；当ET达到PT值时（该值可通过组态实现动态调整）， Q输出“1”，同时ET停止累加并保持等于PT。若在延时过程中IN变为“0”，则定时器立即复位，  Q输出“0”， ET清零。

图1 TON定时器功能块与时序图

2   基于FirmSys平台算法的功能实现分析

2.1   FirmSys平台ON延时算法功能分析

FirmSys平台软件算法主要应用于安全系统， 其采用简单化设计，避免了多余功能带来的故障风险，同时方便后期故障排查和修复。因此，与PLC软件算法相比， FirmSys平台中的部分算法功能相对较为独立、简单。

FirmSys平台提供的标准ON延时算法与时序图如图2所示。该算法包含三个管脚： x：触发信号输入；T：预设延时时间（T管脚被隐藏）；y：延时到达输出信号。ON延时算法的运算周期单位为ms，输出时间单位为s，算法计时上限为10000s。

该算法基本时序与西门子S7-1200 PLC TON算法的开关量延时输出功能类似： x端输入上升沿时，启动延时， 延时T时间后若x仍为“1”， 则y输出“1”；x变为“0”则立即复位。但是，该ON延时算法不具备输出“已延时时间输出”的功能。

图2 ON延时算法与时序图

此外， FirmSys平台软件算法实现时， 为提升图纸的简洁性和可读性， 采用隐藏算法参数管脚的策略，其设定值（Set Point， SP）通过清单配置为算法参数赋值。设定值为预设的固定值，无法在运行过程中根据外部输入进行动态调整。因此，针对冷水机组压缩机加减载控制中“脉冲时间”和“脉冲间隔时间”需要根据运行工况动态调整的需求，该ON延时算法也无法实现“延时时间动态调整”的控制需求。

2.2   解决方案设计

综上分析，基于现有的FirmSys平台软件算法特点，仅通过单一的ON延时算法无法同时实现“开关量延时输出”“已延时时间输出”“延时时间动态调整”三项功能。针对该问题，虽可通过定制开发全新的延时功能算法以满足冷水机组控制系统的需求，但新开发的算法需要经过严谨的开发、测试、验证流程，在一定程度将增加工程实施成本。同时，该全新复杂算法缺少工程应用的实践验证，易引入潜在缺陷。

因此，本文基于FirmSys平台现有软件算法，采用组合逻辑设计的方式，实现满足冷水机组需求的延时算法功能设计。

2.2.1   已延时时间输出

为实现已延时时间的计算和输出，可以在原ON延时算法基础上，增加额外的计时算法，当ON延时算法开始计算时，计时算法同步计时并输出计时结果。

FirmSys平台算法库中的TCM计时器算法具备累加计时功能。TCM计时器如图3所示：x1为计时输入信号，x2为复位信号，y输出当前计时值。其特点是x1为“1”时，启动计时；x1为“0”时，计时暂停，计时时间停止在原位；待输入端x1再次为“1”时，在原计时基础上累积计时；x2输入上升沿时，计时器复位。 TCM计时器的运算周期单位为ms，输出时间单位为s，计时器计时上限为1×107s。

图3 TCM计时器

TCM的x1和x2通过一个IN信号输入，并且x1输入端和x2复位端互锁，可实现： IN=1时计时， IN=0时立即复位。这与西门子S7-1200 PLC中TON定时器ET的计算效果相似。

基于FirmSys平台ON延时算法和TCM计时器算法的组合逻辑设计方案如图4所示，逻辑配置如下：

（1）输入同步： 同一个输入信号IN同时接入ON延时算法的x端和TCM计时器算法的x1端。

（2）复位控制： IN信号取反接入TCM的x2端，实现IN下降沿复位。

（3）输出合成： ON延时算法的y端作为最终的延时输出信号。

（4）时间切换：使用模拟量切换算法，实现已延时时间的记录和输出。当ON延时未完成（y=0）时，输出TCM的当前计时值；当ON延时完成（y=1）时，将输出切换为预设的延时时间T， 实现ET达到PT后保持的效果。

图4 组合逻辑设计方案

经过理论分析，组合逻辑时序如图5所示。该组合逻辑的时序与图1所示的西门子TON定时器时序完全一致。

图5 组合逻辑时序

2.2.2   延时时间动态调整

根据FirmSys平台算法机制，算法的延时参数可通过“算法名称_参数名”与SP清单中的设定值参数进行自动关联匹配。基于该机制，可以在软件逻辑中对因工况变化计算输出的时间变量进行数据类型转换，并通过变量命名的方式将其与延时算法的参数相关联，从而实现由动态延时变量向延时算法的自动赋值。

延时时间动态调整设计方案如图6所示，具体如下：

（1）信号生成：产生需要动态设置的延时时间值，该值是一个模拟量信号（real_signal类型）。

（2）信号拆分：使用AS_TO算法，将real_signal信号拆解为数值部分（real类型）和质量位部分。

（3）信号命名：将数值部分信号的名称，设置为与ON延时算法T参数的“连接变量”（即“算法名称_ T”）完全一致。

（4）清单调整：在SP清单中，移除原先用于静态设置T参数的“算法名称_T”参数变量。

图6 延时时间动态调整设计方案

3   延时算法实现方案验证

3.1   已延时时间输出验证

在FirmSys组态软件中，根据图5所示的设计方案搭建典型的测试逻辑，对组合逻辑功能进行仿真。试验设置不同的预设延时时间T（5s、15s、30s），每组测试重复20次，结果如表1所示。

表1 组合逻辑方案试验结果

测试结果表明，该组合逻辑在所有测试案例下均表现正确，其输入输出结果与西门子TON定时器完全等效，成功解决了当前时间记录的功能需求。参考机组最大定时时间为7200s，均包络在ON延时算法和TCM计时器的能力范围内。该方案已成功应用于某核电冷水机组项目，并顺利通过了工厂测试、现场联调及热态功能试验，运行稳定可靠。

3.2   延时时间动态调整验证

根据图8所示的设计方案，搭建测试逻辑验证延时动态调整功能。在仿真环境中，修改“动态预设延时时间”对应的时间设置值（5s、15s、30s），并记录输出结果。动态时间调整方案的试验结果如表2所示。

表2 动态时间调整方案试验结果

验证结果表明， ON延时算法能够准确地按照动态设置的新时间值进行延时，输出响应正确。

4   结论

核级冷水机组的顺序控制、容量平滑调节及可靠报警生成等功能，高度依赖延时算法所提供的“开关量延时输出”“已延时时间输出”和“延时时间动态调整”三大核心能力。为解决FirmSys平台标准算法功能无法直接适配上述延时算法功能需求的问题，本研究采用组合逻辑算法的设计策略，通过ON延时算法、TCM计时器、模拟量切换算法的组合逻辑设计，成功实现了开关量延时和已延时时间的准确计算与输出。同时，本研究结合FirmSys平台的参数关联机制，通过变量与参数相关联的方式，实现了延时设定值的在线动态调整。

仿真测试与工程应用结果表明，组合逻辑方案在测试案例中表现正确、稳定可靠，完全满足了核级冷水机组的控制要求，并已成功通过现场验证。本研究有效解决了特定工程中的技术问题，同时也为其他核级DCS平台上实现复杂功能逻辑提供了可借鉴的设计思路，对完善关键控制系统国产化替代过程中的功能适配与可靠性优化具有积极的参考价值。AP

作者简介：

胡光耀（1989-），男，湖北人，工程师，硕士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核安全级仪控系统设计方面的工作。

参考文献：

[1] 孙兰飞, 赵晓, 刘占盛, 等. 华龙一号核级水冷式冷水机组的鉴定[J]. 暖通空调, 2020, (S2) : 170- 172.

[2] 师铎, 陆广华, 孙松丽, 等. 基于S7-200PLC与MCGS的螺杆式冷水机组控制系统[J]. 机电工程, 2016, (12) : 1523 - 1528.

[3] NB/T 20055-2011, 核电厂安全重要仪表和控制系统执行B类和C类功能的计算机软件[S]．

[4] 张弋. "华龙一号" 核电技术自主化DCS设计与实现[J]. 自动化仪表, 2021 : 46 - 51.

摘自《自动化博览》2026年6月刊