國產(chǎn)DCS系統(tǒng)在核電廠系統(tǒng)改造項目中的應(yīng)用

姚敏劍，虞曉斌

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

隨著核電儀控技術(shù)發(fā)展，DCS系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)逐漸為數(shù)字化系統(tǒng)所替代。DCS系統(tǒng)發(fā)展初期，考慮到設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，在選型時，往往以國外知名廠家的系統(tǒng)為首選。在經(jīng)歷了一步一步發(fā)展，加上國際形勢的影響，國產(chǎn)化DCS系統(tǒng)成為核電DCS系統(tǒng)選擇的大方向，國產(chǎn)DCS系統(tǒng)在核電廠改造項目中的應(yīng)用也變得越來越具備規(guī)模和關(guān)鍵性。本文以某核電DCS系統(tǒng)改造為例，從設(shè)計思路、安裝調(diào)試中遇到的難點及相應(yīng)處理方案進(jìn)行闡述，從中發(fā)掘國產(chǎn)DCS系統(tǒng)的應(yīng)用實踐，總結(jié)國產(chǎn)DCS系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗。

1 項目背景

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure

核電廠循環(huán)水控制系統(tǒng)改造目的是將循環(huán)水控制功能引至主控室，包含主要設(shè)備的操作和所有設(shè)備的監(jiān)視功能等，同時解決因備件問題或技術(shù)過時帶來的運行和管理風(fēng)險。改造后將全面解決設(shè)備老化、備件停產(chǎn)、系統(tǒng)裕量不足等問題，將更多的參數(shù)和提示通過DCS系統(tǒng)呈現(xiàn)給主控室操縱員，幫助操縱員更加全面了解循環(huán)水系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，將循環(huán)水系統(tǒng)主要設(shè)備的操作功能提供給操縱員，以便操縱員根據(jù)現(xiàn)場狀態(tài)及時有效地操作設(shè)備，保證循環(huán)水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提升操縱員的工作效率，滿足機(jī)組后續(xù)安全運行的要求。同時，循環(huán)水控制系統(tǒng)為運行人員提供各種安全動作的工作狀態(tài)及有關(guān)電廠安全的綜合信息畫面，以及時探測事故、監(jiān)督安全動作、協(xié)助操縱員處理事故。

2 設(shè)計思路

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

循環(huán)水控制系統(tǒng)改造項目采用浙江中控ECS-700N分布式控制系統(tǒng)作為系統(tǒng)平臺，結(jié)構(gòu)上可分為2層：過程控制層（LEVEL 1層）和過程信息層（LEVEL 2層）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從上到下依次為過程信息網(wǎng)、過程控制網(wǎng)、I/O總線。過程信息網(wǎng)實現(xiàn)操作站、工程師站及服務(wù)器之間的歷史數(shù)據(jù)傳輸；過程控制網(wǎng)實現(xiàn)過程控制層和過程信息層之間的實時數(shù)據(jù)通信，I/O總線實現(xiàn)I/O模塊與控制器之間的數(shù)據(jù)傳遞[1]。

2.2.1 過程控制網(wǎng)過程控制網(wǎng)（SCnet）基于100Mbps/1000Mbps工業(yè)以太網(wǎng)，采用工業(yè)交換機(jī)，支持總線型、星型、環(huán)型多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大傳輸距離2km。控制網(wǎng)將I/O站、工程師站、操作站、系統(tǒng)/歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器等各節(jié)點連成一體。

2.2.2 過程信息網(wǎng)

過程信息網(wǎng)（SOnet）基于100Mbps/1000 Mbps工業(yè)以太網(wǎng)，采用交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)核心，星型連接使得各操作站間更為獨立，風(fēng)險更加分散。過程信息網(wǎng)將工程師站、操作站、系統(tǒng)/歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)成一個信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)系統(tǒng)信息的交互與共享。

表1 測點分配Table 1 Point allocation

2.3 硬件設(shè)計

2.3.1 I/O分配設(shè)計

測點分配見表1。

2.3.2 機(jī)柜報警設(shè)計

系統(tǒng)為完成系統(tǒng)的電源檢測、開關(guān)門報警、溫度報警的功能，在每個I/O機(jī)柜、服務(wù)器機(jī)柜中都配置了1塊報警模塊，模塊檢測到任何一種故障信號時，將信號送至上位機(jī)，產(chǎn)生故障報警，可通過畫面顯示相關(guān)故障。

2.3.3 I/O采集機(jī)柜設(shè)計

循環(huán)水控制系統(tǒng)配置的I/O采集機(jī)柜安裝在現(xiàn)場機(jī)柜間中，I/O采集機(jī)柜用來安裝循環(huán)水控制系統(tǒng)的系統(tǒng)部件以及相應(yīng)的接線端子板，I/O站內(nèi)的各種模塊都可以冗余配置。

2.3.4 服務(wù)器及電源機(jī)柜設(shè)計

循環(huán)水控制系統(tǒng)配置1臺服務(wù)器及電源機(jī)柜，安裝在就地控制室中。服務(wù)器及電源機(jī)柜用來安裝49#廠房循環(huán)水控制系統(tǒng)的服務(wù)器、時鐘服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、變送器、多電腦切換器KVM及相關(guān)的配電設(shè)備。

2.3.5 操作臺設(shè)計

循環(huán)水控制系統(tǒng)改造配置4臺操作臺，1#/2#操作臺內(nèi)各配置2臺交換機(jī)、1個光纖接續(xù)盒、1臺主機(jī)、1臺顯示器等，1#/2#/3#操作臺加裝顯示器固定立柱和安裝板，打印機(jī)臺不加裝安裝板和顯示器固定立柱。

2.3.6 手操箱

循環(huán)水控制系統(tǒng)改造項目共配置20個手操箱，其中6個循環(huán)水泵手操箱、6個風(fēng)機(jī)手操箱、6個循環(huán)水泵出口電動閥手操箱、1個海水系統(tǒng)沖淤閥手操箱、1個海水系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)閥手操箱。

2.3.7 I/O站

控制器是循環(huán)水控制系統(tǒng)I/O站的核心單元，可周期性地采集I/O模塊的實時過程信息，對這些信息進(jìn)行綜合運算處理，并將處理結(jié)果周期性地通過信號輸出模塊輸出，完成對現(xiàn)場控制對象的實時控制。

控制器向過程控制網(wǎng)發(fā)送實時過程信息，使得該網(wǎng)絡(luò)上的所有操作節(jié)點均可實時監(jiān)控I/O站的各種狀態(tài)。同時，過程控制網(wǎng)上的操作節(jié)點也可主動查詢各種信息[2]。

2.3.8 操作站

操作站包括主控制室操縱員站、工程師站和就地操作室操作員站，它們均由以工業(yè)微機(jī)為基礎(chǔ)的工控機(jī)作為主機(jī)、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)和音箱等設(shè)備，所有操作站配置4個RJ45網(wǎng)口并且支持雙屏顯示。

2.3.9 服務(wù)器

系統(tǒng)配置2臺系統(tǒng)/歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器。服務(wù)器放置在服務(wù)器機(jī)柜中，采用KVM進(jìn)行操作。

2.3.10 打印機(jī)

循環(huán)水控制系統(tǒng)改造項目共配置1臺彩色網(wǎng)絡(luò)激光A4打印機(jī)。

2.3.11 系統(tǒng)時鐘同步設(shè)計循環(huán)水控制系統(tǒng)配置了專用的硬件時間服務(wù)器，時鐘服務(wù)器安裝在服務(wù)器機(jī)柜中。時鐘服務(wù)器直接接收全廠時鐘系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號，輸出基于SNTP協(xié)議的接口，接入冗余的過程信息網(wǎng)和過程控制網(wǎng)，作為49#廠房循環(huán)水控制系統(tǒng)的主時鐘，以保證49#廠房循環(huán)水控制系統(tǒng)時鐘的精度。

2.4 供電設(shè)計

循環(huán)水控制系統(tǒng)改造項目中，所有用電設(shè)備供電均通過服務(wù)器及電源柜進(jìn)行分配。為提高數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備工作的可靠性，系統(tǒng)供電設(shè)計采用冗余設(shè)計為原則，對控制器、I/O機(jī)架、服務(wù)器等關(guān)鍵設(shè)備采用雙冗余供電設(shè)計[3]。

2.4.1 系統(tǒng)供電

循環(huán)水控制系統(tǒng)配置1個服務(wù)器及電源柜，安裝在就地操作室。服務(wù)器及電源柜接收兩路獨立的220V AC電源。

2.4.2 I/O采集機(jī)柜供電

I/O采集機(jī)柜電源進(jìn)線采用2路220V交流進(jìn)線，電源進(jìn)線分別為A和B。A電源經(jīng)過進(jìn)線總空開后分2路，1路給風(fēng)扇，另1路經(jīng)過電源濾波器后通過分空開去直流電源模塊，為系統(tǒng)提供直流電源。B電源和A電源原理相同。

2.4.3 人機(jī)接口設(shè)計供電

操作臺上的人機(jī)接口設(shè)備供電由服務(wù)器柜提供給操作盤臺后，由操作盤臺進(jìn)行分配。

2.5 接地設(shè)計

由于49#廠房循環(huán)水控制系統(tǒng)各機(jī)柜、操作臺人機(jī)接口設(shè)備均分布在核電站不同的房間和區(qū)域，考慮以房間或區(qū)域為單位，作為一個相對獨立的系統(tǒng)進(jìn)行接地設(shè)計。

2.6 第三方通訊接口設(shè)計

循環(huán)水控制系統(tǒng)具備與核電站其他控制系統(tǒng)連接和通信的能力，根據(jù)系統(tǒng)需要，配置一種方式進(jìn)行通信：通信模塊。系統(tǒng)提供串行通信接口，可實現(xiàn)與其它計算機(jī)系統(tǒng)的連接和通信。

3 系統(tǒng)調(diào)試及問題處理

3.1 時鐘同步服務(wù)器通訊調(diào)試

3.1.1 問題描述

循環(huán)水控制系統(tǒng)時鐘同步服務(wù)器采用泰福特時鐘同步服務(wù)器，由于循環(huán)水控制系統(tǒng)時間需要與電站計算機(jī)系統(tǒng)保持一致，故循環(huán)水系統(tǒng)時鐘信號源從全廠總時鐘獲取。全廠總時鐘與循環(huán)水控制室距離較遠(yuǎn)，在時鐘信號電纜敷設(shè)及安裝完成后，發(fā)現(xiàn)電站計算機(jī)系統(tǒng)時間與循環(huán)水控制系統(tǒng)時間不一致。

3.1.2 問題原因排查及分析

由于問題涉及DCS系統(tǒng)供應(yīng)商及全廠總時鐘供應(yīng)商，故需雙方同步進(jìn)行問題排查。雙方技術(shù)人員溝通后發(fā)現(xiàn)，兩邊時鐘采用的通訊協(xié)議均為MODBUS通訊協(xié)議，在通訊協(xié)議上不存在問題。經(jīng)分析得出問題原因可能為：

1）循環(huán)水系統(tǒng)泰福特時鐘同步服務(wù)器在安裝及運輸過程中出現(xiàn)硬件故障。

2）信號電纜過長，泰福特時鐘同步服務(wù)器時鐘信號在傳輸過程中出現(xiàn)衰減。

3.1.3 處理方案

針對分析得出的問題原因進(jìn)行驗證：

1）更換新的時鐘同步服務(wù)器。

2）在總時鐘及循環(huán)水系統(tǒng)兩端分別檢測時鐘信號，觀察是否一致。

3.1.4 處理措施

根據(jù)處理方案，雙方技術(shù)人員在現(xiàn)場對問題進(jìn)行處理，具體處理過程如下：

1）在總時鐘及循環(huán)水系統(tǒng)兩端分別檢測時鐘信號，檢測發(fā)現(xiàn)兩端測量得到的時鐘信號一致。

2）更換循環(huán)水系統(tǒng)的時鐘同步服務(wù)器，完成更換后發(fā)現(xiàn)新的時鐘同步服務(wù)器工作正常，電站計算機(jī)系統(tǒng)與循環(huán)水控制系統(tǒng)時間一致。

3.2 循泵出口液動蝶閥手動控制功能

3.2.1 問題描述

現(xiàn)場運行人員調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)循泵出口液動蝶閥在監(jiān)控界面中有操作界面但不具備手動操作功能（無法直接操作），因此要求廠家直接取消操作界面，以免誤導(dǎo)操縱員，但是原硬控制盤上液動蝶閥具備操作功能。

3.2.2 問題原因排查及分析

根據(jù)問題現(xiàn)象，首先對液動蝶閥控制邏輯程序進(jìn)行排查，排查發(fā)現(xiàn)在控制邏輯設(shè)計上DCS完全等效于原硬控制盤，DCS系統(tǒng)內(nèi)具備液動蝶閥閥門的操作界面及有手動控制功能，且手動控制功能在項目出廠測試時已完成驗證。出廠測試時，是單個通道進(jìn)行測試，在做手動開關(guān)時，需先將聯(lián)鎖調(diào)試解除，故項目組電氣專業(yè)工程師一直以為自動手動功能都是可用的。

由于做組態(tài)時聯(lián)鎖沒有設(shè)置投切開關(guān)，當(dāng)循泵打開的時候，循泵的開反饋信號會去閉鎖閥門的關(guān)信號，不讓手動關(guān)，反之亦然，只有泵被停止，泵的開反饋消失，泵的關(guān)反饋送到液壓蝶閥的控制箱內(nèi)閥門才能自動關(guān)。而泵的開關(guān)狀態(tài)是由6KV送過來的真實信號，非開即關(guān)，故操作界面上無法對液動蝶閥直接進(jìn)行操作。

3.2.3 處理方案

經(jīng)過項目組會議討論，決定處理方案如下：

1）改變原來的閉鎖索引的方式，原來是索引泵的開關(guān)狀態(tài)，改變?yōu)樗饕_關(guān)過程（脈沖信號）。

2）將手動開與自動開功能邏輯上取“或”，手動關(guān)與自動關(guān)功能邏輯上取“或”。

此方案中的邏輯與原始盤臺的設(shè)計完全等效，僅僅是將硬的按鈕修改為了DCS系統(tǒng)畫面上的軟按鈕，其他邏輯和功能完全等效。

3.2.4 處理措施

根據(jù)處理方案，DCS系統(tǒng)供應(yīng)商對液動蝶閥進(jìn)行控制邏輯修改，修改完成后，由運行人員對液動蝶閥手動控制功能及聯(lián)鎖功能逐一進(jìn)行驗證，驗證結(jié)果為手動控制功能及聯(lián)鎖功能均正常。

4 結(jié)束語

通過國產(chǎn)化DCS系統(tǒng)在核電廠的廣泛應(yīng)用，其功能的豐富程度、性能的穩(wěn)定程度均得到了一定的驗證，加之國產(chǎn)化設(shè)備價格相對較低，國內(nèi)廠家服務(wù)響應(yīng)較快，可以提供較為完備的備件供應(yīng)和技術(shù)服務(wù)，設(shè)計和集成經(jīng)驗也日趨成熟。相信在不久的將來，核電廠勢必會大規(guī)模使用國產(chǎn)DCS系統(tǒng)，并從中獲得更多更好的應(yīng)用和實踐經(jīng)驗。