DCS改造中電纜端接風險評估與控制

井維泉，胡文勇

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

DCS 改造設計與新項目DCS 設計有所區別，改造的難度更大，風險更高，DCS 升級改造受很多條件制約，是一個逆序設計的過程，需要調整自身設計去適應外部接口。

DCS 升級改造中，除實現系統功能需求外，更需要辨識改造中的潛在風險，并制定對應策略。本文重點討論中核運行DCS 改造中電纜長度不可達風險的解決過程，通過模型量化計算，通道優化調整，基本保證所有電纜可達設計通道。本文還根據現場情況提出一系列管理措施，在提高端接正確率方面取得了良好效果。

1 DCS改造項目情況介紹

中核運行DCS 系統升級改造項目準備3 年多，目前已完成機組DCS 系統改造工作，項目準備充分，現場實施順利，投產后運行平穩。

DCS 改造前，秦二廠1/2 號機組選用國產CAS2000 系統，是當時國內第一套國產核電DCS 系統[1]，平臺設計和工程實施缺乏經驗，系統穩定性不佳，運行維護困難。其中，最大的缺陷是控制站分站方案存在問題，工藝系統冗余備用的設備分在同一站，控制站變成故障敏感設備。

本次改造采用北京和利時公司NM 系列產品，系統原理結構類似，但硬件形式、尺寸和接口類型變化大[2]。新舊系統之間的差別增加了改造難度，加大了項目執行風險。DCS 升級改造除例行產品更新、系統升級外，還有更高的要求。首先是消除舊系統安全隱患，外部信號重新分站；其次是吸收運行維護經驗，豐富系統功能；最后，也是最難的是保證現場實施一次成功，壓縮施工窗口，高質量施工。

2 分站方案可實施性評估

新舊系統模塊尺寸差別，導致分站方案產生的通道配置表和原先系統通道配置表沒有直觀可比性。現場實際情況也并不樂觀，大部分電纜沒有預留長度，電纜走向等信息也很難準確掌握。

分站方案趨向于考慮功能需求，但不能確定設計好的方案能用于現場，需要專門分析設計與現場的匹配程度，盡早消除電纜端接風險。

3 優化通道配置，確保電纜長度可達

為保證設計方案在現場順利實施，需要量化分析所有電纜端接情況，提前優化調整通道配置方案。DCS 系統總點數超8000 點，假如可以接受50 個點電纜不可達，則可反算電纜不可達比率僅為0.625%。通道調整的目標是不斷降低電纜不可達的概率，直到總風險可以接受。

DCS 外部電纜情況復雜，長度不一，幾乎沒有余量。這里保守認為設計通道在原先位置附近或進線方向途中，則認為電纜可到達。

優化算法基于以下假設：

1）舊系統中通道位置代表電纜可用長度。

2）新系統中通道位置代表電纜需要長度。

3）模型不考慮任何電纜余量，可保證實際不可達概率≤計算概率

3.1 構建參考模型

新機柜尺寸示意圖如圖1 所示，使用原先底座，機柜高200cm，外加10cm 防滴水頂蓋，新舊機柜柜內空間沒有變化。

參考模型以不變的地面為參考，模型中所有外部電纜用點取代，每個點定義4 個屬性（三維空間坐標加電纜進線方向）。點與通道對應，與通道的空間位置一致，電纜長度判斷簡化為通道坐標判斷。

圖1 新機柜尺寸Fig.1 New cabinet dimensions

3.2 選取參考坐標系

選取模型的垂直中心為Z 軸，Z 軸與地面的交叉點為原點（0,0,0），模型前后方向為X 軸，模型左右方向為Y 軸。

外部電纜從上下兩端進入機柜，理論上同一Z 平面上的四個點對應的電纜長度一樣，X、Y 坐標不影響電纜長度計算。X、Y 坐標主要用于后期生成實物接線圖，它能表征點在模型中諸如前面左排等類似信息。

繼續定義Z 方向標準單位長度，量化模型中Z 值。如果參考舊系統定義單位長度，則舊系統在模型中的坐標比較直觀，有規律。如果參考新系統定義單位長度，則新系統在模型中的坐標比較直觀清晰。考慮到當時新系統沒有實物參照，計算驗證比較困難，參考新系統定義單位長度。

新系統為模塊接線形式，模塊的長度有10.2cm 和30.5cm 兩種，大多數是短模塊，因此定義短模塊的長度為1 個單位長度，模型如圖2 所示。

3.3 現場數據收集

模型確定后，開始收集整理現場數據。首先是新舊系統信號通道配置圖，柜內模塊配置圖，模塊初始坐標測量。其次是查閱設計院資料，現場核實電纜走向。數據來源如下：

1）DCS 數據庫信息，負責提供測點對應的端子排或模塊號、通道號。

2）機柜端子排或模塊布置圖，負責提供相對位置和型號信息，型號反映規格尺寸。

3）現場數據和設計院電纜路徑，反映電纜上下進線方向。

圖2 標準坐標系Fig.2 Standard coordinate system

圖3 CAS坐標計算原理框圖Fig.3 CAS Coordinate calculation block diagram

4）實物測量，確定最頂層點對應的Z 坐標是18 個單位。

3.4 坐標計算

DCS 總點數超8000 點，坐標計算量大，設計VBA 程序輔助計算[3]。

為提高坐標精度，假設模塊中所有通道在模塊長度內均分，算法計算公式為：

算法改進后，坐標精度提升到0.1 個單位長度，約1cm左右。CAS 坐標計算原理框圖如圖3 所示，NM 坐標計算原理類似，但基礎數據有別。

3.5 電纜不可達概率計算

分別計算完新舊系統坐標，參考電纜進線方向，用下列公式計算Z 坐標偏差：

含義是：如果電纜是下進線，則用舊坐標減新坐標；如果是上進線，則用新坐標減舊坐標，坐標偏差四舍五入取兩位小數。△Z 坐標偏差≥0，說明電纜夠長。

坐標偏差大小反映電纜余量。如果不考慮電纜彎曲余量，可以直接判定結果小于零的點都需調整位置。如考慮5cm 左右電纜余量，可以判定小于-0.5 的信號測點需要調整。首次計算發現有1562 點坐標偏差小于零，計算電纜不可達概率為1562/8000=19.53%。

3.6 坐標驗證

計算坐標是后面通道調整的重要依據，需要采用輔助方法驗證計算結果[4,5]。

舊系統坐標驗證方法比較原始簡單，按坐標制作標有單位刻度的尺子，對照實物直接測量標高，判斷計算數據正確與否。新系統坐標規律明顯，每個模塊的起始坐標應該為整數單位；模塊內通道坐標應等距遞增，最大值正好接近下一模塊起始值。如果符合以上規律則說明計算正確，實踐驗證計算結果精確可靠。

3.7 通道優化調整

確定優化目標函數為：

同時要求：△K＞0 個數最多，爭取盡量多測點端接成功。

優化目標是：盡量讓偏差為正，且和值最小。偏差為正表示電纜可達設計通道，和值最小表示改造前后電纜挪動最少，風險最小。假如電纜進線方向的數據有誤，目標函數能將風險減到最低。

繼續編寫自動優化算法[6]。定義站為邊界，以當前模塊布置、通道位置為初態數據開始優化，每一輪計算結果看作一個樹節點，每次只調整偏差小于零的點，每調整一輪都判斷小于零的點數。如果點數增加，則認為優化變差，返回上一節點，進入另外分支優化[7]；如果點數減少，則認為優化有效，繼續優化。最后，從優化成功的方案中找出△K 最多且和值最小的方案。

圖4 優化算法原理框圖Fig.4 Block diagram of optimization algorithm

此算法比較復雜，不能保證所有△K 都為正數，后期需要手動配合調整，方可達到預期效果。

優化算法原理框圖如圖4 所示。

4 強化管理措施，確保電纜端接正確

DCS 改造現場施工工期緊，電纜端接工作量大，正確端接才能有效保障計劃進度，是施工期間重大關注項。項目管理中需要考慮輔助方法確保電纜正確端接。

4.1 圖紙輸出與正確性核查

為確保施工圖紙正確，項目施工用圖紙全部通過程序自動生成。圖紙輸出程序根據前面算法轉換，其中原始數據來源于早期收集的現場信息。

圖紙自動生成程序可以避免手工錯誤，但可能隱含算法錯誤，除抽樣核對外，反向編寫了核對算法，用不同的算法原理對數據作校對校驗。

4.2 三段式套管核對法

現場更換電纜標識時，為避免更換錯位，新套管統一采用黃顏色，同時保留原始套管。端接結束后，質檢人員先核對新舊套管一致性，繼而核對套管與端子一致性，最后核對接線與圖紙一致性。如一切檢查無誤，最后將舊套管隱藏到線槽。

4.3 套管打印總量控制

理論上，參照接線圖紙打印出一套標識就能滿足施工需求。剩余套管標識說明電纜遺漏，缺少套管說明前面更換錯誤。總量控制會提前暴露問題，避免返工現象。

5 結束語

DCS 系統升級改造是一項高風險工作，系統功能設計與實現僅是改造的基礎工作，項目執行中風險識別和控制才是改造成敗的關鍵所在。

文中通過模型算法分析確保電纜端接成功，消除現場實施的最大風險，保證了項目順利實施。文中通過管理措施保證端接正確無誤，節約調試糾錯時間，既保證施工質量，又能提高計劃執行效率。

通過專門的風險評估和控制，確保DCS 改造項目順利實施，系統初次上電即達到運行狀態，達到只裝不調的效果。文中風險控制的思路和方法對其他類似數字化系統改造項目具有參考意義。