核電機組控制功能切換實現方法研究

摘要：文章針對核電機組設計要求控制系統具備主控制室/遠程停堆室切換的功能，提出軟件切換方式和基于KVM技術的硬件切換方式兩種實現方法，通過分析兩種切換方式各自的優缺點，得出基于KVM技術的硬件切換能更好地實現主控制室/遠程停堆室的切換功能。

關鍵詞：核電機組；控制功能切換；主控制室/遠程停堆室切換；KVM技術；矩陣路由器 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM623 文章編號：1009-2374（2015）22-0023-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.012

目前核電機組儀控系統一般均已采用數字化分布式控制系統來實現，相比傳統電廠，數字化儀控系統在實現核電廠主控制室/遠程停堆室切換這個核電廠基本設計要求上變得更加困難。主控制室/遠程停堆室切換功能指運行核電廠在主控制室出現極端情況（如主控制室發生火災）而需緊急撤離時，要求操縱員將主控制室內的監控功能切換到遠程停堆室內，僅保留主控制室內的監視功能，主控制室/遠程停堆室的切換一般包括安全儀控功能、非安全儀控功能、多樣化備用系統功能切換等，本文僅對非安全儀控功能的切換進行研究。三門核電機組非安全儀控系統在設計過程中出現過兩種控制功能切換的實現方法，下文將詳細介紹兩種實現方法及它們的優缺點，為后續核電機組切換功能的實現提供可行的推薦方案。

1 三門核電非安全儀控系統簡介

三門核電機組非安全儀控系統主要由電廠控制系統（PLS）、數字顯示和處理系統（DDS）、運行和控制系統（OCS）等組成。其中PLS系統主要有控制器機柜及其擴展機柜和遠程機柜組成，這些機柜向下通過機柜內的IO卡件和就地儀表及執行機構接口，向上通過控制器接入DDS系統實時數據網絡，進行電廠過程數據傳遞。DDS系統則為整個非安全儀控系統提供實時數據網以及處理、顯示、儲存電廠數據所必要的服務器主機及圖像轉接設備。而處于DCS監控層的OCS系統則主要由位于主控制室和遠程停堆室內的各種人機接口設備組成，OCS系統為操縱員提供了監視和控制電廠的人機界面。

三門核電機組主控制室內布置有3個操縱員臺（每臺均設置兩個操縱員站）、1個高級操縱員臺（設置兩個高級操縱員站）及16塊墻面大屏幕。所有操縱員站及大屏幕的主機并非布置在主控制室，而是集中安裝在位于計算機室的DDS機柜內，中間通過KVM設備將主機和主控制室內的顯示器、鼠標及鍵盤連接起來。

2 基于控制軟件的切換方式

三門核電機組主控制室內的非安全級控制功能都是通過操縱員站上的DCS控制軟件進行的。操縱員對就地設備進行控制時，通過相關工藝系統監控畫面進入設備的控制窗口，再在窗口的控制組件上進行設備啟停、調節等操作。由于主控制室的控制是通過軟件進行操作的，所以可以通過軟件的方式將主控制室操縱員站上的軟件控制禁用掉就能實現將主控制室的控制功能切換到遠程停堆室。軟件切換方式的具體實現方案就是在每臺操縱員站的主機上都安裝一個公共的宏軟件，正常情況下該宏軟件禁用處于遠程停堆室內操縱員站的軟件控制功能，同時允許主控制室內操縱員站的軟件控制功能正常工作。當主控制室/遠程停堆室的切換開關撥到遠程停堆室側時，該宏軟件禁用主控制室內操縱員站的軟件控制功能，同時允許遠程停堆室內操縱員站的軟件控制功能。通過該方法可以在不增加硬件設備的前提下實現主控制室控制功能切換到遠程停堆室，實現方法簡便，節約硬件成本。但是采用這種方法可能出現一種很嚴重的故障情況，即當該公共宏軟件運行錯誤時，可能同時禁用主控制室和遠程停堆室內所有操縱員站的軟件控制功能。這種軟件共模故障顯然會給電廠的安全運行帶來風險。

3 基于KVM技術的切換方式

軟件切換方式可能造成嚴重的電廠安全運行風險，可以考慮采用基于硬件切換的方式實現主控制室控制功能的切換。基于KVM技術的切換方式可以有效實現主控制室的控制功能切換。

3.1 KVM技術簡紹

KVM由Keyboard（鍵盤）、Video（顯示器）和Mouse（鼠標）三個單詞的首字母組合而成。KVM技術主要實現鍵盤、鼠標、顯示器等外圍設備構成的操作單元（臺）和遠程主機的連接管理。目前使用的KVM設備普遍使用光纖作為傳輸介質。光纖式KVM的核心設備是矩陣路由器，其內部采用數字切換技術，使用光纖作為通訊介質，無需經歷A/D、壓縮、加密等環節，通過KVM終端將電信號轉換為光信號后，可直接進行傳輸，速率高達6.25Gbps，且無明顯延遲現象。光纖式KVM的訪問/連接獨立于工作網絡，不會占用網絡帶寬，另外也減輕了工作網絡的負荷。

光纖式KVM基本結構可分為輸入環節、控制環節、輸出環節三部分，包括以下設備：主機、KVM發送器、矩陣路由器、KVM接收器、操作臺（鼠標、鍵盤、顯示器）、光纖等。主機信號通過四路光纖傳輸，分別為L1視頻信號、L3視頻信號、K1數據信號、K2數據信號。兩路DVI視頻信號通過L1、L3由KVM發送器經矩陣路由器送至KVM接收器，最終由兩臺顯示屏顯示。鼠標、鍵盤USB信號通過K1由KVM接收器經矩陣路由器送至KVM發送器，其返回信號/音頻信號通過K2由KVM發送器經矩陣路由器送至KVM接收器。矩陣路由器是光纖式KVM的核心，由控制器、電源模塊、I/O卡組成，控制器與電源模塊均為冗余配置，I/O卡可熱插拔，每塊I/O卡有5組通道，每臺矩陣路由器最多安裝16塊I/O卡。根據用戶配置，接入矩陣路由器的主機可以與配置許可的接入路由器的操作臺建立連接。

3.2 控制功能切換的實現

三門核電機組的非安全控制系統就是使用KVM技術將主控制室、遠程停堆室內的操縱員站和位于計算機室內的主機連接起來。在進行主控制室/遠程停堆室切換時，通過矩陣路由器，可以單獨斷開主控制室內操縱員站上的鼠標鍵盤和它們主機的連接，并保持操縱員站和主機視頻信號的連接，實現主控制室操縱員站在不喪失監控畫面的同時，由于無法使用輸入設備（鼠標鍵盤）而失去控制功能。同時聯通遠程停堆室到遠程主機的鼠標鍵盤鏈路，使遠程停堆室具備控制功能，從而實現控制功能的切換。主控制室/遠程停堆室切換的具體切換流程如下：（1）初始狀態主控制室內的操縱員站上顯示器、鼠標鍵盤通過矩陣路由器和遠程的主機保持連接，遠程停堆室內的操縱員站只保持顯示器和遠程主機的連接，斷開鼠標鍵盤和遠程主機的連接；（2）主控制室發生意外情況需撤離，操縱員撤離主控室，并在切換面板上將切換開關撥到遠程停堆室側；（3）PLS機柜相關輸入通道采集到切換指令信號，經PLS控制器邏輯運算后通過相關輸出通道下發指令給矩陣路由器，要求執行功能切換；（4）矩陣路由器接收到命令后根據預先定義的路徑表，禁用主控制室相關鏈路，同時聯通遠程停堆室相關鏈路；（5）主控制室操縱員站的輸入設備（鼠標鍵盤）不可用，喪失控制功能，遠程停堆室的輸入設備（鼠標鍵盤）激活，獲得控制功能，主控制室/遠程停堆室切換完成。

3.3 KVM技術實現控制功能切換的優缺點

相比較于軟件切換方式，基于KVM技術的切換方式也有它自身獨特的缺點：（1）需增加KVM硬件設備，一定程度上增加了成本。（2）操作員站人機接口設備和其主機之間額外增加了中間設備，導致系統故障點增多，尤其對調試維護而言，針對主控人機接口信號故障的排查檢修變得復雜。（3）在操縱員站和遠程主機之間增加了中間設備，可能導致畫面和操作的延時。該缺陷在使用光纖式KVM設備后并不嚴重。光纖式KVM設備將電信號轉換為光信號后，可直接進行傳輸，速率高達6.25Gbps，無明顯延遲現象。（4）使用KVM切換方式，將導致切換后監控畫面不可操作。在禁用操縱員站的控制功能的同時，將導致其輸入設備（鼠標鍵盤）不可用，使這些畫面無法操作，只能停留在切換前的監控畫面上。這個缺陷是KVM切換方式和軟件切換方式相比最大的不足。但由于切換后操縱員將很快撤離到遠程停堆室里對電廠進行監控，主控制室內的監控畫面將變得不那么重要。另外主控制室內設置了16塊大屏幕，這些大屏幕上的監視畫面基本能覆蓋電廠主要系統。

KVM切換方式相對于軟件切換方式雖有些不足，但它的優點則更加突出：（1）KVM切換方式采用硬件切換的方式，更加可靠。KVM技術的核心設備矩陣路由器可以高可靠性的切換或維持其上各端口的光路連接。當矩陣路由器建立兩個端口的光路連接時，可以保持該連接的高度穩定性，即使矩陣路由器的控制模塊故障，或和外部設備通訊中斷，只要該設備保持上電，就能一直維持已建立的光路連接。同時由于矩陣路由器支持冗余電源供應，可以有效避免單一電源失效，因而進一步保證了已建立的光路連接的可靠性。（2）KVM設備的引入不僅可以用來實現主控制室/遠程停堆室的切換，借助該平臺，還可以實現其他一些功能。如借助該平臺，只要設置幾臺操作臺終端，就可以通過KVM設備選擇連接幾十臺服務器，而不需為每臺服務器單獨設置一套操作終端，這在節約空間和硬件資源的同時，使得系統管理更加靈活。另外通過該平臺，可以將任何操縱員站上的畫面復制到高級操縱員站上顯示，實現了高級操縱員對操縱員操作的同伴檢查功能。（3）物理隔離后同時設置兩套KVM設備，可以避免單一設備故障而導致喪失所有主控制室非安全控制功能的嚴重故障情景。

4 結語

通過上文分析可知，軟件切換方式更易實現，成本也相對更低，但考慮到存在共模故障可能，進而造成喪失所有非安全控制功能的嚴重后果，給電廠安全運行增加了重大風險。而基于KVM技術的切換方式可以有效避免上述風險，其通過硬件切換的方式更加穩定可靠。三門核電機組在國內核電廠中率先將KVM技術引進到非安全儀控系統的設計中，有效地解決了數字化儀控系統在主控制室/遠程停堆室切換功能實現上的困難，為后續核電項目在數字化儀控系統上實現主控制室/遠程停堆室切換功能提供了新的解決方案。

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作者簡介：張俊（1986-），男，浙江臺州人，中核集團三門核電有限公司助理工程師，研究方向：儀控調試。

（責任編輯：周 瓊）