中國實驗快堆三回路計算機監控系統系統結構可靠性設計改造

，，　，張春，　，

(中國原子能科學研究院，北京　102413)

中國實驗快堆(以下簡稱“快堆”)是我國第一座快中子增殖反應堆，其熱功率為65 MW，電功率為20 MW，采用鈉-鈉-水三回路設計。快堆三回路的主給水通過直流式蒸發器將二回路的熱量導出并產生蒸汽推動汽輪發電機組發電，從而將核能轉變為電能。

快堆三回路計算機監控系統負責三回路的工藝參數監視、工藝設備動作、保護、報警及數據記錄等工作，是一套SCADA系統。

1　設計改造背景

快堆三回路計算機監控系統為下位硬件采用施耐德公司Modicon Quantum系列PLC完成數據采集和處理的任務，該系列PLC可支持熱備冗余以提高系統可靠性。系統內共有兩組PLC，第一組有5個控制柜，第二組有3個控制柜，外部I/O點近千余。配套編程軟件為Concept 2.6。服務器為兩臺IBM塔式服務器，負責接收PLC傳來的數據并經過處理供客戶端顯示及操作，將操作指令經處理后傳輸到PLC完成設備動作，此服務器同時還兼顧報警服務器、趨勢服務器及歷史數據記錄服務器的功能。6臺操作員站為研華工控機，操作員可在其上通過客戶端在線監視系統運行狀態以及對控制設備發送操作指令。上位組態軟件使用的是施耐德公司在200x年主推的Monitor Pro 7.2。歷史數據記錄軟件采用的是微軟公司的SQL Server 2000數據庫軟件。

快堆運研部網控組接收過三回路計算機監控系統的維護工作后，收到了大量的維修任務單，其中較嚴重的運行異常現象主要有以下幾種。

1)操作員站死機，無法操作；

2)上位監控界面中數據顯示異常(有時全部，有時部分)；

3)操作指令無法下發到設備；

4)現場設備誤動作；

5)兩臺操作員站中監控數據顯示不同；

6)部分測點數據長時間顯示與現場就地儀表顯示不一樣等。

三回路計算機監控系統幾乎已經無法正常運行。因在檢查中發現三回路計算機監控系統中存在著大量的嚴重影響系統穩定運行及難以進行后期維護的問題，需對三回路計算機監控系統進行重新設計及改造。考慮到節省經費及時間的目的，三回路計算機監控系統中目前可以利用的軟、硬件還需保留，即在必要的花費基礎上使三回路計算機監控系統達到穩定可靠的運行要求，以保障快堆100%功率并網發電運行的順利進行。

2　需進行設計改造的類項

經過對運行中出現的各種異常問題進行仔細的分析，列出可能造成異常的各種原因，并逐一進行現場排查，最終總結出快堆三回路計算機監控系統存在如下需要進行設計改造的方面,并按照系統結構及功能進行了分類。

2.1　控制柜中需進行設計改造的部分

1)監控系統上位監控界面中出現部分數據顯示不正常，部分設備動作指令無法下達的異常情況。此類異常中大部分由同軸電纜通訊問題造成。同軸電纜起到連系PLC主站和各個遠程分站的作用，主站和各個遠程站之間的數據通訊都要經過同軸電纜這條路徑。經檢查，同軸電纜布置并非冗余結構，并且同軸電纜接頭制作質量也非常差，很多處接頭只需“輕輕一碰”，就會造成其聯系的RIO站與主站的數據傳輸失敗；

2)還會出現異常情況如上1)中所述，現場控制柜檢查時發現控制柜電源開關處在“Off”位，經排除人為關閉可能后，分析為開關自動掉落到“Off”位，為控制柜內部供電設計不合理造成的問題，需對存在問題的控制柜內部供電進行改造；

3)一些同類型數據在上位顯示錯誤，或者一些動作指令無法下達。經檢查，這些變量對應在同一I/O模塊上，判斷為I/O模塊的問題；

4)第一組PLC熱備功能未啟動；

5)部分測點數據長時間顯示與現場就地儀表顯示不一樣。在檢查時發現系統中模擬量采集均通過配電器供電及過濾信號后再將信號送到AI模塊。由于一些配電器出現問題或者已經損壞，造成這些數據采集錯誤；

6)針對比較高的柜內設備故障率，判斷與控制柜外部供電僅采用正常電，快堆定期進行切換電試驗，造成控制柜經常受到得電與失電的沖擊，從而降低了柜內設備的運行壽命；

7)控制柜中還存在模塊布置隨意性較高，沒有規律，不便于在程序中對應查找；柜內線路混亂，一些沒有標識的線路難以理清頭緒等，不便于后期維護工作進行的情況。

2.2　PLC程序中存在的問題

1)部分控制程序算法不完善；

2)部分控制設備算法缺失；

3)程序編制不符合編制規范、標識極不清楚、許多變量沒有注釋、大量使用直接地址、程序可讀性差等。

2.3　網絡布置存在的問題

整個監控系統網絡并非冗余結構，任何一個斷點都將使得部分設備脫離監控系統的大網絡。這無疑使得系統的運行可靠性降低了很多。改造前網絡布置情況如圖1所示。

圖1　改造前網絡布置圖Fig.1　Network layout before modification

2.4　上位硬件設備的問題

服務器硬件已經老化，需更換新服務器。

三回路計算機監控系統原設計有6臺工控機作為操作員站，分配為主控室2臺、給水控制室1臺、汽機控制室3臺。運行環境的“惡劣”和不當的保養，加之由于授權不足造成的操作員站經常死機，減短了工控機的壽命。至改造前可以正常運行的工控機只有2臺。

2.5　組態軟件及數據庫軟件存在的問題

2.5.1軟件授權方面的問題

操作員站在運行時經常出現死機的問題，其原因為組態軟件授權不足，組態軟件的授權服務會不定期地掃描當前運行的客戶端，當發現有超出授權數目的客戶端在運行時即會讓超出數目的客戶端“死機”。

現場調試時僅購買了一套“2+1”授權，可支持2臺開發版和1臺運行版同時在線運行。

因施耐德公司停止對Monitor Pro 7.2進行授權支持，已經無法購買到正式授權。

因此必須對三回路計算機監控系統采取更換組態軟件，重新進行組態開發的方式才能最終解決授權不足帶來的問題。

2.5.2其他方面的問題

1)重啟服務器會出現部分設備誤動作的問題;

2)兩臺同時在運行的客戶端，顯示的數據卻有所不同。經檢查發生存在多個版本的工程項目，各個客戶端所指向不同版本的工程項目;

3)監控界面標識不清，易產生錯誤判斷;

4)使用年限定位到2012年對軟件Configuration中增加變量和增加歷史記錄都無法完成;

5)在檢查歷史數據庫時發現大部分數據沒有進入歷史數據庫。

3　設計思路

設計都是本著三回路計算機監控系統能夠實現正常功能、達到穩定運行的狀態，以保障快堆100%功率并網發電運行的順利進行的目的進行的。每一個采購項目都是“必須”的，并且現在的設計在滿足此次改造的目的的同時，都是要在今后三回路計算機監控系統并入核島計算機監控系統的改造中能夠繼續被使用的。

3.1　控制柜改造設計

針對控制柜中需改造的項目，主要分為柜內模塊、同軸電纜布置及供電改造三部分。

3.1.1模塊布置設計及模塊故障解決思路

盡量避免對模塊進行遠距離的位置移動，較近距離的位置移動不需重新接線，只需對模塊上某些撥塊旋鈕進行設置。

對需要進行采購的模塊，可根據現有模塊類型，并考慮到可否與CPU兼容，及采購后可同時作為核島計算機監控系統備品的因素，來進行需更換模塊的型號選擇。這樣可以節省采購費用，降低后期維護成本。

針對后來發現的部分配電器故障損壞問題，可以考慮采購更換新配電器。

模塊布置結束后，應根據最新的布置出版《控制柜內部設備布置圖》。

3.1.2同軸電纜布置設計

同軸電纜的布置要充分的考慮冗余的要求，以提高系統可靠性。采用如圖2所示的布置原理進行設計。

圖2　PLC雙機熱備冗余接線結構圖Fig.2　Dual-computer hot standby redundancy PLC wiring

完成設計，繪制并出版《控制柜同軸電纜布置圖》。

3.1.3供電改造設計

針對控制柜外部供電，應采用正常供電和應急供電共存的冗余供電方式。因三回路監控系統并未接入快堆應急供電系統中，采用一路供電為正常供電，一路供電為UPS供電。

針對控制柜內部供電，主要考慮柜內供電開關的選取是否合適，針對每個柜子分別進行供電負荷計算，對不適合的供電開關進行更換。

3.2　PLC程序

首先針對模塊的類型及模塊位置的變動，需使用Concept軟件對PLC進行相應的配置。

對大量存在的沒有注釋的變量，首先應對每一個輸入輸出點進行設備到控制柜端子的檢查核實，并出版《輸入輸出清單》。對PLC變量聲明中未注釋的變量增加變量注釋，便于后續相關工作能夠順利進行。

針對完成不同功能的各段程序應根據各個控制設備的技術規格書中對控制的要求進行相應分析，對未達到控制要求的程序需進行重新設計及開發，對各段程序需進行必要的注釋，完成程序“文檔化”。

3.3　網絡

針對1個斷點都無法承受的網絡結構，需對其進行冗余結構改造。為了達到較高的網絡可靠性和網絡訪問速度，擬將網絡結構改造成冗余光纖雙環網結構。冗余光纖雙環網結構可同時允許3個斷點出現而不影響網絡通訊。還應考慮三回路計算機監控系統并入核島計算機監控系統的未來改造方向。因此需考慮網絡結構的兼容性和預留網絡接口及其兼容性。

每一個環網由等數量同型號的交換機通過光纖連接構成。系統中的接入網絡設備都安裝有雙網卡，分別連入兩條環網內。兩條環網為冗余機制運行。布置思路如圖3所示。

圖3　冗余光纖雙環網布置圖Fig.3　Redundant optical fiber double loop network layout

3.4　上位硬件

在服務器及工控機安裝好操作系統后，需對其進行72 h烤機測試，主要測試其CPU、內存及硬盤的連續高負荷運行狀態下的穩定性。通過烤機測試的主機可以繼續進行后續工作。

3.4.1服務器

考慮到服務器的狀態需對服務器進行更換。因授權問題帶來的限制，需在新服務器上安裝新組態軟件，并且在新監控界面沒有正式開發調試完畢前，老服務器還將繼續使用，以使操作員仍可通過老監控界面對三回路進行監控。

在完全更換新服務器前，還需1臺臨時授權服務器，考慮到該服務器還有可能短時間作為I/O服務器使用，因此可將1臺新采購的雙核工控機作為臨時授權服務器。

為支持網絡冗余結構，新采購的服務器需安裝有4口網卡。

3.4.2工控機

對三回路計算機監控系統的工控機作如下布置：主控室2臺，作為操作員站；三回路給水控制室1臺，作為監視站；汽機控制室1～2臺作為監視站；核島計算機房1臺作為工程師站，完成PLC配置、編程及輔助監視和上位組態開發維護的功能。

3.5　組態軟件

3.5.1更換期間老組態軟件問題臨時解決辦法

因更換新組態軟件要存在幾個月的組態開發階段，在這期間老的組態軟件還需繼續承擔運行任務，因此要對其存在的問題采取盡量必要的方式解決，以保證更換期間三回路計算機監控系統能夠承擔起正常的監控任務。

1)針對授權不足的問題，可以考慮添加臨時授權的方式暫時渡過更換階段；

2)進行配置更改，解決死機等情況發生后重啟服務器工程造成的設備誤動作問題；

3)針對不同客戶端顯示界面有所不同情況，進行工程項目版本統一；

4)針對監控界面標識不清，易產生錯誤判斷的問題，對問題嚴重的進行更改，其他因時間問題，可暫時繼續使用直至更換新組態界面。

3.5.2新組態軟件選取及組態開發

在選擇要更換的新組態軟件時應首先考慮兼容性這個“門檻”，所選擇的組態軟件必須能夠同Quantum PLC兼容，施耐德公司的PLC采用的是Modbus通訊協議，選擇的組態軟件要完美的支持該協議。組態軟件邁過門檻后首先要考慮的是其運行時的穩定性。

在經過調研對比后選擇出兩、三款組態軟件對其進行試用。通過對比綜合考慮，主要考慮軟件易開發性、開發后界面美觀程度、運行速度、安全性及性價比。最好將其應用于小型監控系統中，以考驗其穩定性。

在最終選擇好1款組態軟件后即可將該款組態軟件安裝在開發機上進行開發。可以有2、3臺開發機同時進行組態開發，以加快工程開發進度，但需有1臺為主開發機。對于工程的配置等需在這臺主開發機上進行，其他監控界面可以在各臺開發機上同時進行組態開發，最終匯總到主開發機上。

3.6　數據庫軟件

三回路計算機監控系統中應考慮放棄針對存貯監控系統中不斷更新、快速變化的數據而帶來的存貯空間占用量巨大，數據調用緩慢等已然影響監控系統穩定運行的SQL Server，而采用實時工業數據庫軟件來進行監控系統的數據存儲和分析調用。

4　改造步驟

在設計思路明確后，即可開始設計文件出版及系統改造工作。改造工作需根據現場運行情況進行，盡量不影響現場的正常運行任務。因此還需合理的制定工程進度。

4.1　文件出版

首先進行設計及文件出版工作，使工作能夠按照設計文件進行。

第一本編制出版的設計文件是《三回路計算機監控系統改造方案》。文件內容主要包括了設計改造分項，各個項目的改造目標、改造步驟，進度計劃和項目預算等。

編制了《三回路計算機監控系統控制柜同軸電纜布置圖》《三回路計算機監控系統網絡布置圖》。

由于快堆運行計劃的要求，又將改造工作劃分為兩個階段，出版了《中國實驗快堆三回路計算機監控系統系統結構可靠性改造方案》。

對I/O點進行逐點檢查，并編制《三回路計算機監控系統輸入輸出清單》。

4.2　模塊布置及故障解決

對模塊位置進行適當的合理更換。對于故障I/O模塊及底板等進行更換。針對配電器大量出現故障的問題，采取采購新配電器進行更換的方式來解決。所有的變動后都進行測試。

4.3　同軸電纜布置

1)同軸電纜敷設；

2)同軸電纜TAP頭制作；

3)連接模塊及分支(離)器；

4)狀態檢查。

4.4　網絡布置

網線全部進行重新采購。距離長的網線采用超五類網線，短距離的采用彩色五類雙絞線。交換機等仍使用原系統中的硬件。

根據《三回路計算機監控系統網絡布置圖》進行網線敷設、交換機及光纖布置。網線敷設前兩端均加標識，敷設好后進行水晶頭壓制使用網線通斷測試裝置對網線質量進行逐根測試。兩個環網分別使用紅色和黃色兩種顏色的網線以便于以后的維護工作。

對交換機進行設置，分別在兩個環網中設置RM管理機，并設置Stand-by交換機，兩個環網的連接網線使用綠色以區分另兩種顏色。

完成布置后對網絡狀況進行測試。

4.5　其他硬件設備

首先對新采購的服務器和工控機使用JAM Software 公司的烤機測試軟件HeavyLoad 3.2進行烤機測試，測試內容包括CPU、內存及硬盤，時間為72 h。通過測試后再進行配置及軟件安裝等工作。

4.5.1服務器

對新采購的服務器進行相關配置工作安裝操作系統Windows Server及其他所需軟件。

4.5.2工控機

針對兩臺已經無法啟動的工控機內硬件，進行重新組合，最終重組出了1臺可以運行的工控機。

安裝Windows XP操作系統，并進行相關配置后，安裝Monitor Pro客戶端軟件。在安裝時未見異常，但當啟動客戶端后，會不斷彈出錯誤提示。經分析原因為Monitor Pro 7.2不能夠完美兼容Windows XP操作系統。

考慮到這一新面臨的問題，只有在更換新組態軟件后才能徹底解決，因此只能進行重新調整分工。將原來可以正常運行的兩臺工控機放置在主控室作為操作員站；將重組后可以運行的工控機放置在汽機控制室作為監視機，供三回路各個相關專業組維護人員監視數據使用，以方便三回路設備維護；暫時取消給水控制間操作員站；仍然使用新工控機作為工程師站，但老組態軟件的組態開發功能暫由老服務器完成。

使用1臺新工控機作為臨時授權服務器。安裝Windows XP操作系統。安裝后授權服務運行正常，但在試圖增加I/O服務時失敗，判斷仍為組態軟件與操作系統不能完美兼容所致。于是將1臺經常自動重啟的老工控機進行了內部硬件維修，維修后可正常運行，使用這臺安裝Windows 2000操作系統的工控機安裝SQL Server2000和組態軟件服務器端及進行相應配置，之后啟動I/O服務成功。于是將這臺老工控機作為臨時備用I/O服務器。

4.5.3UPS

采購UPS。放置在控制設備間內，對控制柜1路采用UPS供電。

4.6　PLC程序開發

針對PLC程序的相關操作都需在工程師站上通過Concept進行，并且在進行程序修改后，都要另存為新的版本，并在工作記錄中記錄好新版本名稱、修改日期及修改內容。

每次修改后都盡量避開現場有設備動作要求的時間，盡量選擇現場對監控系統需求最小的時間進行程序的下裝。對配置進行修改后下裝監視現場設備，以防程序下裝時出現設備誤動作，一旦出現設備誤動作，現場人員需立即將設備轉到就地操作狀態并進行正確操作。

4.6.1總體配置

首先針對模塊布置的實際情況進行PLC的相關配置，并下裝到對應PLC內。

4.6.2變量增加注釋

根據《輸入輸出清單》，調取“變量聲明表”，在表中對變量增加注釋。

4.6.3新程序開發

針對設備技術規格書中有控制要求但PLC程序中沒有實現的，進行程序設計開發工作。

如三回路給水調節，就制作了全新的自控控制程序。

4.6.4老程序功能完善

對三回路的PLC程序中部分控制程序算法不完善的程序進行修改或重新設計及編程，使之能夠真正滿足技術規格書中對設備的控制要求。

4.6.5取消直接地址及增加程序注釋

4.7　組態軟件

對老組態軟件進行配置，解決重啟工程后設備誤動作問題。修改部分控制面板及系統界面中極易產生錯誤判斷的圖形。

因在制作給水調節控制面板(見圖4)時發現Monitor Pro Configuration中無法增加變量的新問題。針對給水調節程序控制必須要使用的變量盡量在Configuration中尋找原來定義過但沒有使用的變量來進行替代。最終制作的給水調節控制面板制作了手動及自動控制，重要可改變參數的輸入設置，重要參數顯示、調節閥開度設定輸出與閥位反饋圖形化對比顯示；手動輸入調節閥開度，輸入框中開度值在自動狀態時跟隨調節閥實際開度變化，切換到手動瞬間可以實現在當前實際開度基礎上進行微調或輸入開度目標值等功能。

圖4　效果圖Fig.4　Effect diagram

4.8　數據庫軟件

安裝歷史數據庫軟件。通過對組態軟件歷史數據存儲部分進行配置，自動生成歷史數據記錄。

5　改造成果

改造由于工程進度及經費等原因分為兩個階段進行。第一階段為系統結構可靠性改造，改造主要包括監控系統下位硬件部分、網絡結構、上位硬件、部分下位PLC程序相關及部分上位老組態軟件相關改造。通過第一階段改造順利完成了同軸電纜布置改造、模塊布置改造、控制柜供電改造、網絡結構改造、上位硬件改造及上下位軟件的部分急需改造工作。第一階段改造的全面完成，使得原來已經處于癱瘓狀態的三回路計算機監控系統重新具備了應有的系統運行參數及設備狀態監視功能和設備控制功能，通過模塊布置改造、同軸電纜布置改造及相關的PLC配置，最終達到了PLC雙機熱備冗余；通過網絡結構改造將系統網絡改造成了冗余光纖雙環網結構，并可兼容核島監控系統網絡構架；通過配置臨時授權服務器等工作，使得在更換新組態軟件期間，監控系統的正常運行得到了保障。

設計改造中充分考慮了三回路計算機監控系統并入核島計算機監控系統的技術接口，這為以后的全廠級監控系統改造奠定了良好的基礎。

設計改造全部由快堆內部的技術力量完成，這為快堆節省了至少幾十萬元的開發費用，同時設計時又盡量考慮使用原有硬件設備，這也節省了幾十萬元的設備采購費用。此外，為今后的示范快堆設計建造及快堆的橫向科研鍛煉了一支經驗豐富的人才隊伍。

6　結論

通過對三回路計算機監控系統的設計改造工作，使得系統從癱瘓狀態達到了穩定可靠的運行狀態，使監控系統的各方面性能都得到了綜合的提高。

1)對PLC模塊及同軸電纜布置的重新設計改造，最終實現了PLC雙機熱備冗余機制，使PLC的運行可靠性得到了質的提高；

2)對控制柜的冗余供電改造在提高系統可靠性的同時還減少了因斷電或切換電對設備造成的減短運行壽命的影響，從而降低了后期維護成本；

3)對PLC程序文檔化改造，極大的提高了后期維護以及相關開發工作的工作效率；

4)冗余光纖雙環網技術的成功運用，使系統網絡通訊可靠性較改造前獲得了本質的提高。改造預留了設計接口，為以后的全廠級監控系統改造奠定了良好的基礎；

5)通過配置臨時授權服務器等工作，使得在更換新組態軟件期間，監控系統的正常運行得到了保障；

6)通過對監控系統上位進行更換服務器、工控機，使用新組態軟件重新進行組態開發以及更換歷史數據庫軟件等監控系統上位改造工作，使監控系統人機界面煥然一新，原來死機及響應緩慢等現象都得到了解決；

7)運行數據的歷史記錄功能的完善，為快堆運行研究及示范快堆的設計都提供了重要的數據依據。

這次對三回路計算機監控系統進行的設計改造為快堆順利100%功率并網發電提供了有力的技術保障。

致謝

這次系統可靠性改造歷時時間短，工作量較大，且現場實際情況與資料不符，在此感謝每一位在現場摸排和實施的技術人員。同時感謝專家們對技術決策的指導。